CN109642033A - 固化监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于监测可聚合材料以确定所述可聚合材料的固化度的固化监测系统和方法。监测光源递送一个或多个不同的可见波长下的可见监测光，并且可见光检测器检测被所述可聚合材料漫反射的监测光。所述监测光具有不有效引发所述可聚合材料聚合的最大发射波长(λ最大‑监测)。使用由所述可聚合材料反射的监测光的强度变化来确定所述可聚合材料中达到所选固化度的时间。

Description

固化监测系统和方法
技术领域
本发明整体涉及监测可聚合材料固化的固化监测系统和方法。
背景技术
选择性可聚合材料用于多种应用中，包括例如，印刷、涂覆、粘合剂等，其包括在用于例如牙齿修复的牙科中。
至少一些可聚合材料的使用中的一个挑战是确定可固化材料已经完成固化过程或接近完成固化过程的时间。在其中可聚合材料可使用电磁辐射固化的一些情况下，时间和电磁辐射强度可用于测量固化过程，假设可聚合材料暴露于导致可聚合材料固化的一个或多个波长的特定强度下的电磁辐射并且持续特定时间量将导致足够的固化度。
发明内容
本文描述了用于监测可聚合材料以确定所述可聚合材料的固化度的固化监测系统和方法。
可使用本文所述的系统和/或方法监测固化的“可聚合材料”可包括能够参与聚合反应的任何单体、低聚物、和/或聚合物以及它们的组合。通常，此类单体、低聚物、和/或聚合物将包括至少一个反应性化学基团，所述反应性化学基团参与(例如，被消耗)聚合反应。此类反应性化学基团的示例包括但不限于：烯键式不饱和基团诸如(甲基)丙烯酸酯基团、乙烯基基团(例如，包括苯乙烯基基团和其他α-烯属基团)和丙烯酰胺基团；可开环的基团，诸如环氧乙烷(即，环氧化物)基团和氮丙啶基团；缩合反应性基团，诸如羧酸基团(以及它们的衍生物，包括但不限于酸性卤化物基团、酯基团、活化的酯基团、内酯基团等)、胺基团、醇基团等；以及其他反应性化学基团，诸如异氰酸酯。聚合反应的示例包括但不限于逐步聚合反应(包括缩聚反应)，例如用于形成聚酯、聚酰胺、聚缩醛等的那些，以及链生长(即加成)聚合反应，诸如(甲基)丙烯酸酯和烯烃聚合反应。还包括可通过氢金属化(例如氢化硅烷化)或其他方法诸如烯烃复分解(例如，开环易位聚合，“ROMP”)聚合的那些可聚合材料。由聚合反应产生的聚合材料可以为均聚物或共聚物。由聚合反应产生的聚合材料可包含交联。
可聚合材料可在各种条件中的一个或多个下固化/聚合，使得可聚合材料经历一种或多种物理和/或化学变化(例如，硬度、粘度、不透明度、色调/颜色、粘着性、弹性模量、柔性、反应性基团(例如，(甲基)丙烯酸酯或环氧乙烷)含量等)。
可聚合材料可包含引发剂以促进聚合反应。引发剂的特性能够并将根据可聚合材料的具体组分而变化。例如，可聚合材料可包含光引发剂(例如，氧化膦等)、热引发剂(例如，过氧化物、氢过氧化物、过乙酸盐、偶氮化合物等)、和/或其他引发剂(例如，包括氧化剂和还原剂等的氧化还原引发剂体系)以促进聚合反应。在基于(甲基)丙烯酸酯的可聚合材料中，引发剂通常用于提供自由基源以引发聚合。取决于所用的特定类型的引发剂或所用的引发剂的组合，聚合反应可通过电磁辐射(例如，光化辐射)、加热和/或化学方式(例如，通过将两部分体系中的还原剂和氧化剂混合)来引发以生成自由基物质。在一些基于环氧化物的可聚合材料的情况下，可使用各种催化剂来固化环氧树脂(例如，胺、酸、酸酐、苯酚、醇、硫醇等)。
可使用本文所述的系统和/或方法来监测固化的呈可聚合牙科材料形式的可聚合材料的示例包括但不限于：修复剂、复合材料(例如填充材料)、粘合剂、粘固剂(例如，树脂改性的玻璃离聚物粘固剂、粘接剂)、密封剂、底漆、型腔衬里、冠桥材料(永久或暂时的)、涂料、印模材料等。应当理解，术语“可聚合牙科材料”还包括可用作正畸治疗的一部分的那些可聚合材料，诸如正畸底漆、正畸粘合剂、正畸粘固剂、正畸密封剂、或可用于将正畸器具(例如，支架、带等)粘结到牙齿的其他可聚合材料。
本文所述的系统和/或方法被配置用于，使用可见监测光来确定可聚合材料达到所选固化度的时间。如本文所用，“固化度”(及其变型)意指由于固化，可聚合材料的一个或多个物理和/或化学特性(例如硬度、粘度、不透明度、色调/颜色、粘着性、弹性模量、柔性、反应性基团(例如，(甲基)丙烯酸酯或环氧乙烷)含量等)的变化量。如本文所述，可聚合材料的固化度可基于固化期间和/或固化之后从可聚合材料反射的可见监测光的强度变化来测定。
如本文所用，“漫反射”(及其变型)广泛用于指以不等于固化光的入射角的反射角从可聚合材料反射的准直光，和仅通过来自可聚合材料的表面的镜面反射不以各种角度返回到可见光检测器的非准直光。在可聚合材料内经历多次散射事件之后，传递到可聚合材料的监测光可漫反射到本文所述的系统和/或方法中的可见光检测器，使得经反射的监测光与不同几何形状、尺寸和复折射率的多个外部和内部界面和区域相互作用。在一个或多个实施方案中，在固化之前和之后由可见光检测器检测到的经反射的监测光的强度变化不是由于电子、振动或旋转共振和与可聚合材料的任何组分中的特定化学官能团或部分(即，不是吸收性发色团，诸如C＝C、环氧基、NH等)相关的折射率的相应反常色散。
本文所述的系统和方法包括监测光源，所述监测光源在一个或多个不同的可见波长下递送可见监测光，以及可见光检测器，所述可见光检测器被配置用于，检测在固化过程中由所述可聚合材料漫反射的监测光。使用固化期间由可聚合材料反射的监测光来确定可聚合材料中达到所选固化度的时间。在一个或多个实施方案中，本文所述的系统可包括在操作上耦合到可见光检测器的控制器，其中控制器被配置用于，至少部分地基于来自可见光检测器的输出来确定可聚合材料达到所选固化度的时间。在一个或多个实施方案中，本文所述的系统可包括固化电磁辐射源，所述固化电磁辐射源被配置用于，发射固化电磁辐射以使可聚合材料固化。
在本文所述的系统和/或方法的一个或多个实施方案中，监测光源发射不有效引发可聚合材料的聚合(固化)的可见检测光(例如，在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下)，其具有一个或多个最大发射波长，λ最大-监测。如本文所用，“不有效引发聚合”是指在不用监测光照射的相同条件下与相同可聚合材料相比，监测光的一个或多个最大发射监测波长λ最大-监测不导致所述监测光入射于其上60秒或更少的时间段的可聚合材料的物理和/或化学特性的显著变化。
在本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中，由监测光源发射的监测光中的光波长均不被可聚合材料中的任何可聚合化学部分(例如，红外和/或近红外吸收发色团，诸如(甲基)丙烯酸酯、环氧基团等)吸收。在一个或多个另选的实施方案中，检测并依赖于监测与如本文所述的系统和/或方法结合使用的任何可聚合材料的固化的可见监测光的任何波长是不被可聚合材料中的任何可聚合化学部分吸收的波长。因此，使用本文所述的系统和/或方法的一个或多个实施方案的可见光监测光的可聚合材料的固化度不通过检测可见监测光的一个或多个波长的吸光度来确定。相反，本文所述的系统和/或方法基于在一个或多个波长下由可聚合材料反射的可见光的强度变化来确定可聚合材料达到所选固化度的时间。
可使用本文所述的系统和方法解决的问题可包括确保足够固化度。在可聚合材料相对较厚(例如，1mm或更大、2mm或更大等)的情况下(例如，位于龋洞中的牙齿修复材料等)，确定固化度可能特别困难。为了确保在例如与通过暴露于电磁辐射或热固化的可聚合材料一起使用的系统和方法中的足够固化度，在一些情况下，所述固化电磁辐射和/或热可递送比达到足够固化度所需的更长的时间和/或以更高强度递送，从而导致更慢的过程和/或浪费能量。在其他情况下，如果例如固化电磁辐射和/或热被递送比所需的更短时间和/或以更低强度递送，则可聚合材料可不充分固化。在其他情况下，固化电磁辐射和/或热可被误导，使得尽管固化电磁辐射源可被激活并持续所需的时间长度，但实际上入射到可聚合材料上的电磁辐射的强度不足以获得足够的固化度。
在一个或多个实施方案中，经反射的监测光强度根据固化度而变化，这是由于可聚合材料的折射率根据固化程度而变化。监测经反射的可见监测光的强度在以下情况下可能是有用的，例如，难以或不可能触及可聚合材料的与可见监测光入射到其上以测量监测光的透射率的表面相对的侧面(例如，牙齿中的牙科复合材料、位于不透明基底上的可聚合材料等)。
在一个或多个实施方案中，本文所述的系统和方法能够利用在固化或聚合过程中发生的光散射变化来监测可聚合材料的固化度，其中光散射变化导致经反射的监测光的强度的可检测的变化。例如，在一个或多个实施方案中，由于固化过程中化学结构的变化而经历聚合的单体可表现出折射率的变化。在一个或多个实施方案中，折射率的该变化可与可聚合材料中的反应性组合物的聚合程度直接相关，并且另外，由于经反射的监测光的强度变化，可使用可见监测光检测，如由本文所讨论的通过可见光检测器所检测的。
在一个或多个实施方案中，在固化过程中按比例使光学特性偏移的可聚合材料可与保持相对恒定的折射率的一种或多种材料(例如，一种或多种填料)组合。在此类情况下，光散射的量可根据可聚合材料中聚合基质的折射率的增加或减小而增加或减小。相似地，如果在固化过程中，在可聚合材料中发生相分离，则监测光的光散射还可在固化过程中随着散射的变化而变化，从而导致经反射的监测光的强度变化，如由可见光检测器所检测的。
可与本文所述的系统一起使用和/或用于本文所述的方法中的可聚合材料的一个示例性示例为牙科复合材料，其利用例如在约400-500nm范围内的蓝光进行聚合。在一个或多个实施方案中，可根据固化过程中在样本上方的较小且临床相关距离处的固化时间，来探测或监测通常包含一种或多种填料的可聚合牙科复合材料的可见监测光的散射变化。
在一个或多个实施方案中，用于本文所述的系统和/或方法中的监测光源递送在一个或多个波长下的光，所述波长不同于且/或大于用于固化可聚合材料所需的波长。与固化波长相比，使用不同且/或更长波长下的监测光存在若干潜在优点。
潜在优点之一在于检测不同于入射固化波长的波长下的光散射的能力可提供增加的检测灵敏度。如果，例如，可聚合材料是可光固化的，并且固化光具有高强度，则在入射固化波长下检测光散射的较小变化的能力可具有挑战性。在此类情况下，散射回来的监测光可在入射固化光本身的背景噪音中丢失。用于监测光(连同合适的检测器一起)的单独且不同波长的使用可增强监测光的较小实时变化的可检测性。在其中固化光是400nm-500nm范围内的蓝光的一个或多个实施方案中，红光源(例如，发射约650nm的光的激光器或LED)可以是例如有用的监测光，所述光是透明的并且与蓝色固化光不同。
使用与固化光波长不同的波长下的可见监测光的第二潜在优点是监测光的可视化。例如，在黄色/橙色蓝光滤光片的存在下，在600nm-800nm范围内的监测光可容易地用肉眼可视化，所述滤光片保护眼睛免受在400nm-500nm范围内的蓝色固化光导致的刺眼。如果，例如，监测光与固化电磁辐射对准，则看到监测光的能力使得使用者能够看到固化电磁辐射的位置和放置。换句话讲，监测光可提供瞄准指示器以有助于将固化电磁辐射准确递送到待固化的可聚合材料。当与不通过利用一个或多个波长的电磁辐射照射来固化的可聚合材料(例如，通过加热，还原剂与氧化剂的混合(例如，在两部分体系中)以产生自由基物质，催化剂来固化的可聚合材料)一起使用时，可见监测光仍然提供潜在的优点，因为使用者能够使用可见监测光来确定监测了可聚合材料的哪个部分/哪些部分的固化度。
例如，在任何固化波长范围内或附近的波长下吸收光的可聚合材料的第三潜在优点在于监测光可不被吸收，因此使得其可用于例如反射率测量。例如，大多数可聚合牙科复合材料旨在提供具有类似于牙齿结构的光学特性的美学修复体。因此，可聚合牙科复合材料通常包含不同量的黄色和红色着色填料/材料，其吸收介于约400-550nm之间的波长下的光。递送较长波长(例如，大于约550nm)的监测光的监测源可不被这些颜料添加剂吸收或损害。
第四潜在优点是，使用例如大于引发固化过程的波长的波长下的监测光将不由监测光引发固化。例如，吸收介于400-500nm之间的光的牙科复合材料通常包含光引发剂，所述光引发剂通常为不吸收超过约500nm的光的黄色化合物。在此类情况下，可见光光谱中的红色至黄色部分的可见监测光可能较不可能被吸收，从而可用于反射到可见光检测器。
在一个方面，如本文所述，用于监测可聚合材料的固化度的系统的一个或多个实施方案可包括：监测光源，所述监测光源发射在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光，所述监测光具有不有效引发可聚合材料聚合的最大发射波长(λ最大-监测)；可见光检测器，所述可见光检测器被配置用于，在监测光被可聚合材料漫反射之后，检测在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的监测光；以及控制器，所述控制器在操作上耦合到所述可见光检测器，其中所述控制器被配置用于，至少部分地基于由所述可见光检测器检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率来确定可聚合材料达到所选固化度的时间。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述系统还包括固化电磁辐射源，所述固化电磁辐射源被配置用于发射具有最大发射固化波长(λ最大-固化)的固化电磁辐射，在所述最大发射固化波长下引发可聚合材料的固化。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述控制器在操作上连接至所述固化电磁辐射源，并且其中所述控制器被配置用于，在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后阻止所述固化电磁辐射源发射所述固化电磁辐射。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与由所述固化电磁辐射源发射的固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少50nm。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与由所述固化电磁辐射源发射的固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少100nm。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射包括在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射包括在400nm至500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射包括在红外光谱和紫外光谱中的至少一者中的电磁辐射。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述可见监测光包括在500nm至700nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射限定了固化波长半峰全宽范围，其具有100nm或更小的固化电磁辐射的发射半峰全宽。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述监测光限定了监测波长半峰全宽范围，其具有100nm或更小的监测光的发射半峰全宽。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，由所述监测光源发射的所述监测光在最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为由固化电磁辐射源发射的在最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化电磁辐射强度的0.1或更小。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，监测光源不发射最大发射固化波长(λ最大-固化)下的电磁辐射。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述系统还包括滤波器，所述滤波器传输具有最大发射监测波长(λ最大-监测)的光并且不传输具有最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射，并且其中引向所述可见光检测器的光和电磁辐射在到达所述可见光检测器之前入射到所述滤波器上。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述系统包括滤波器，所述滤波器被配置用于仅允许不有效引发可聚合材料聚合的电磁辐射到达可见光检测器。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，可见光检测器不检测具有最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源和监测光源同轴。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述监测光源发射监测光，所述监测光具有一定强度，使得所述监测光在穿过所述可聚合材料之后对人肉眼可见。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述系统包括光学耦合到所述固化电磁辐射源和所述监测光源的混合棒，其中所述固化电磁辐射和所述监测光穿过所述混合棒，然后到达所述可聚合材料。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述可见光检测器被光学耦合到所述混合棒，其中反射的监测光穿过所述混合棒，然后到达所述可见光检测器。
在本文所述的系统的一个或多个实施方案中，所述系统还包括在操作上耦合到所述控制器的反馈发生器，其中所述控制器被配置用于，在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，使得所述反馈发生器向使用者提供感觉反馈。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述反馈发生器包括视觉指示器和听觉/触觉指示器中的一者或两者。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述系统包括手持式设备，所述手持式设备包括被配置用于插入人口腔中的探头，并且其中所述可见监测光从所述探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，所述系统包括手持式设备，所述手持式设备包括被配置用于插入人口腔中的探头，并且其中所述可见监测光和所述固化电磁辐射从所述探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
在第二方面，如本文所述，用于监测可聚合材料的固化度的方法的一个或多个实施方案可包括：用在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光照射所述可聚合材料，所述监测光具有不有效引发所述可聚合材料聚合的最大发射监测波长(λ最大-监测)；在所述在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的监测光已被所述可聚合材料漫反射之后，检测所述监测光；以及至少部分地基于检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率来确定可聚合材料达到所选固化度的时间。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述方法还包括用固化电磁辐射照射所述可聚合材料，其中所述固化电磁辐射具有最大发射固化波长(λ最大-固化)，在所述最大发射固化波长下引发所述可聚合材料的固化。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述方法还包括：在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后停止用所述固化电磁辐射照射所述可聚合材料。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述方法还包括：使用可见光检测器监测经漫反射的监测光；以及至少部分地基于来自所述可见光检测器的输出，停止用所述固化电磁辐射照射所述可聚合材料。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，来自所述可见光检测器的所述输出至少部分地基于如由所述可见光检测器所检测的所述经漫反射的监测光的所选强度变化率。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述方法还包括：在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，向使用者提供指示所述可聚合材料已达到所选固化度的感觉反馈。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述感觉反馈包括听觉反馈、视觉反馈和触觉反馈中的一种或多种。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少50nm。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少100nm。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射包括在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射包括在400nm至500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射包括在红外光谱和紫外光谱中的至少一者中的电磁辐射。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可见监测光包括在500nm至700nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述固化电磁辐射具有100nm或更小的发射半峰全宽。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述监测光具有100nm或更小的发射半峰全宽。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，照射可聚合材料的固化电磁辐射和监测光同轴。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述监测光照射可聚合材料表面的比所述固化电磁辐射更小的区域。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可聚合材料表面上被所述监测光照射的监测区域和所述可聚合材料表面上被所述固化电磁辐射照射的固化区域相同。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，照射所述可聚合牙科材料的可见监测光在最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化电磁辐射强度的0.1或更小。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，监测光不包括在最大发射固化波长(λ最大-固化)下的光。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述方法还包括：对到达可见光检测器的光进行滤波，使得具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射不到达所述可见光检测器，其中所述可见光检测器在所述监测光已被所述可聚合材料漫反射之后检测所述监测光。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述方法还包括：在所述监测光已被可聚合材料漫反射之后，使用可见光检测器检测所述监测光，所述可见光检测器不检测具有最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述监测光透过可聚合材料的整个厚度。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述监测光在穿过可聚合材料之后对人肉眼可见。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述监测光穿过至少4mm的可聚合材料。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述监测光穿过不超过10mm的可聚合材料。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可见监测光从插入人口腔中的探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可见监测光和固化电磁辐射从插入人口腔中的探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，可聚合材料为牙科材料。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可聚合材料包含选自下列中的至少一种：光引发剂、热引发剂、化学引发剂和催化剂。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可聚合材料包含填料。
在本文所述的方法的一个或多个实施方案中，所述可聚合材料包含可聚合化学部分，并且其中所述可聚合化学部分不吸收所述监测光。
以上综述并非旨在描述本文所述的系统和方法的每个实施方案或每一个实施方式。相反，根据附图，参考如下具体实施方式和权利要求书，对本发明更完整的理解将变得显而易见。
附图说明
结合附图本发明的各种实施方案所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和体会本发明，其中：
图1为如本文所述的固化监测系统的一个示例性实施方案的示意性框图。
图2示出了固化电磁辐射和可见光监测光入射在其上的表面上的相对区域的一个示例性实施方案。
图3示出了固化电磁辐射和可见光监测光入射在其上的表面上的相对区域的另一个示例性实施方案。
图4示出了所选可聚合材料的固化度的一个示例性示例和沿x轴的时间以及沿y轴的漫反射率。
图5示出了如本文所述的手持式固化监测系统的一个示例性实施方案。
图6示出了如本文所述的另一种固化监测系统的一个示例性实施方案。
图7示出了在如本文所述的固化监测系统的一个示例性实施方案中，用于将固化电磁辐射和可见监测光递送到可聚合材料，并且将经反射的检测光递送到检测器的结构的一个示例性布置。
图8示出了如本文所述的固化监测系统的另一个示例性实施方案，其包括被配置用于，将固化电磁辐射和可见监测光两者递送至可聚合材料，并且用于将经反射的监测光返回至检测器的混合棒。
图9示出了在图8的固化监测系统中的固化电磁辐射源和可见监测光源的一个示例性布置。
图10示出了如实施例1-4和比较例中所述的固化监测系统。
图11为如实施例1中所讨论的由光检测器测量的监测光的反射率和表1的B/T硬度数据的曲线图。
图12为实施例1的B/T比相对于归一化反射率的关系图。
图13为实施例2的由光检测器测量的监测光的反射率和B/T硬度数据的曲线图。
图14为实施例2的B/T比相对于归一化反射率的关系图。
图15为实施例3的由光检测器测量的监测光的反射率和B/T硬度数据的曲线图。
图16为实施例3的B/T比相对于归一化反射率的关系图。
图17示出了实施例4中收集的归一化监测光反射率数据和B/T硬度数据。
图18为如比较例中所收集的由光检测器测量的蓝色450nm固化电磁辐射的反射率和B/T硬度数据的曲线图。
图19为比较例的B/T比相对于归一化反射率的关系图。
具体实施方式
在以下说明中，参考作为本文一部分的附图，并且其中通过举例说明的方式示出了具体实施方案。应当理解，在不超出本发明的范围的前提下，可以利用其他实施方案并且可以进行结构改变。
用于监测可聚合材料的固化度的系统的一个示例性实施方案描述于图1中。在所示实施方案中，所示系统10包括固化电磁辐射源20、监测光源30、可见光检测器40和在操作上连接到所述固化电磁辐射源20、监测光源30和可见光检测器40中的每一个的控制器50。在本文所述系统的一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源20可以为任选的。所示系统10还包括被配置用于控制允许达到可见光检测器40的光/电磁辐射的任选的滤波器60。系统10的控制器50还在操作上连接到任选的感觉反馈发生器70。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中所用的固化电磁辐射源20可被配置用于发射具有最大发射固化波长λ最大-固化的固化电磁辐射，在所述固化波长下引发所选可聚合材料的固化。换句话讲，由固化电磁辐射源20发射的固化电磁辐射引发所选可聚合材料在其λ最大-固化下的聚合。在一个或多个实施方案中，通过固化电磁辐射的所选可聚合材料的聚合引发还可在最大发射固化波长λ最大-固化的一侧或两侧的一个或多个波长处发生。在一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源20可发射相对窄波长范围内的电磁辐射。
在一个或多个实施方案中，根据波长，由固化电磁辐射源20发射的固化电磁辐射可具有例如100nm或更小、50nm或更小、20nm或更小、10nm或更小、或甚至1nm或更小的半极大处全宽度(其中，半最大发射为最大发射固化波长λ最大-固化处所测量的强度的一半)。该全宽可被称为固化波长半峰全宽范围。换句话讲，如果最大发射固化波长(λ最大-固化，例如，450nm)具有为一的归一化强度，则固化电磁辐射源在其内发射具有0.5或更大的归一化强度的电磁辐射的固化波长半峰宽范围包括100nm或更小(或50nm或更小、20nm或更小、10nm或更小、或甚至1nm或更小)的范围，所述范围包含最大发射固化波长(λ最大-固化)。在此类实施方案中，最大发射固化波长(λ最大-固化)可以或可以不在固化波长半峰宽范围内居中。此外，固化电磁辐射可落入固化波长半峰宽范围内低于0.5的强度，只要固化电磁辐射的波长的最宽范围(在其最外侧波长处)具有的强度为λ最大-固化下的固化电磁辐射强度的一半。换句话讲，固化电磁辐射的强度曲线可包含固化波长半峰宽范围内的一个或多个局部最小值。
在一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源20可以为可见光源，所述可见光源发射在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。在一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源20可发射较窄范围内的可见光。例如，在一个或多个实施方案中，用于本文所述的系统和/或方法中的固化电磁辐射源20可发射在(例如)400nm至(例如)500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
在本文所述的系统和方法的一个或多个另选的实施方案中，所述固化电磁辐射可包括在红外光谱和紫外光谱中的一者或两者中的电磁辐射。
用于本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中的固化电磁辐射源20可采用任何合适的形式。一些可能合适的固化电磁辐射源可包括例如，卤素灯、氙灯、弧光灯、LED、LED发射器、LED管、金属卤化物灯、汞蒸汽灯、钠灯、激光器等。由固化电磁辐射源20发射的电磁辐射到可聚合材料的递送可使用任何合适的方式完成，例如，光导、波导、光纤、透镜等。
在本文所述的系统和/或方法的一个或多个实施方案中，所述监测光源30可在可聚合材料处发射在(例如)400nm至(例如)800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光。在一个或多个实施方案中，所述监测光可具有最大发射监测波长(λ最大-监测)，其与所述固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)不同。
在包括如本文所述的固化电磁辐射源的本文所述系统和/或方法的一个或多个实施方案中，由监测光源发射的监测光可在最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为由固化电磁辐射源发射的在最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化光强度的0.1或更小。在一个或多个另选的实施方案中，所述监测光源不发射在最大发射固化波长λ最大-固化处的光。
在一个或多个实施方案中，所述最大发射监测波长可与任何固化电磁辐射的最大发射固化波长相差至少50nm。在一个或多个另选的实施方案中，所述监测光源30可发射具有最大发射监测波长的可见监测光，所述最大发射监测波长与固化电磁辐射的最大发射固化波长相差至少100nm。换句话讲，如果最大发射的固化波长在450nm处，则在一个或多个实施方案中，最大发射监测波长可以为500nm或更大，差值为50nm，或者550nm或更大，差值为100nm。
在一个或多个实施方案，所述监测光源30可在相对窄的波长范围内发射可见光。在一个或多个实施方案中，根据波长，由监测光源30发射的监测光可具有例如100nm或更小、50nm或更小、20nm或更小、10nm或更小、或甚至1nm或更小的半最大发射全宽(其中，半最大发射为任何最大发射监测波长λ最大-监测的强度的一半)。该全宽可被称为监测波长半峰全宽范围。换句话讲，如果最大发射监测波长(λ最大-监测，例如，650nm)具有为一的归一化强度，则监测光源在其内发射具有0.5或更大的归一化强度的光的监测波长半峰宽范围包括100nm或更小(或50nm或更小、20nm或更小、10nm或更小、或甚至1nm或更小)的范围，所述范围包含最大发射监测波长(λ最大-监测)。在此类实施方案中，最大发射监测波长(λ最大-监测)可以或可以不在监测波长半峰宽范围内居中。此外，监测光可落监测波长半峰宽范围内低于0.5的强度，只要监测光的波长的最宽范围(在其最外侧波长处)具有的强度为λ最大-监测下的监测光强度的一半。换句话讲，监测光的强度曲线可包含监测波长半峰宽范围内的一个或多个局部最小值。
在本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中，固化电磁辐射的任何最大发射波长λ最大-固化不包含在监测波长半峰宽范围内。
用于本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中的监测光源30可采用任何合适的形式。一些可能合适的可见监测光源可包括，例如卤素灯、氙灯、弧光灯、LED、LED发射器、LED管、金属卤化物灯、汞蒸汽灯、钠灯、激光器等，以及用于控制由监测光源30递送到可聚合材料的光的波长所需的相关组件，例如滤波器等。由监测光源30发射的监测光到可聚合材料的递送可使用任何合适的方式，例如光导、波导、光纤、透镜等来实现。
在一个或多个实施方案中，监测光源发射监测光，所述监测光具有足够强度(例如，1mW等)以透过对固化进行监测的可聚合材料的整个厚度。如果监测光不能透过可聚合材料的整个厚度，则使用本文所述的系统和方法可能不能获得对全厚度可聚合材料的固化度的精确测定。然而，如本文所讨论的，多种潜在光源可以是合适的，准直和/或相干光源诸如激光、激光LED等的使用可提供具有能够提供最理想结果的强度的监测光。
在本文所述的系统和/或方法的一个或多个实施方案中，所述监测光源可发射具有一定强度的检测光，使得所述监测光在穿过所述可聚合材料之后对人肉眼可见。换句话讲，在可见光监测光入射到可聚合材料的第一表面上的系统和/或方法中，在穿过可聚合材料的厚度之后，在位于可聚合材料的相对侧上的所述可聚合材料表面上，通过人肉眼可观察到未照亮暗室中的该可见监视光。
在一个或多个实施方案中，监测光的强度可足以穿过被监测的至少4mm的可聚合材料(其中，例如，可聚合材料为用于牙齿修复和/或形成的牙科可聚合材料)。在一个或多个另选地实施方案中，监测光的强度可足以穿过被监测的至少4.5mm、5mm、6mm或7mm的可聚合材料(其中，例如，可聚合材料为用于牙齿修复和/或形成的牙科可聚合材料)。
在一个或多个实施方案中，还可控制监测光的强度使得其不超过所选的极限。在高于某些极限的监测光强度可不利地影响例如口腔中的组织和/或存在其他安全考虑时，限制监测光的强度可能是有用的。例如，在一个或多个实施方案中，监测光的强度可足以穿过被监测的不超过10mm的可聚合材料(其中，例如，可聚合材料为用于牙齿修复/形成的牙科可聚合材料)。在一个或多个另选地实施方案中，监测光的强度可足以穿过被监测的不超过9mm、8mm、7mm、6mm或5mm的可聚合材料(其中，例如，可聚合材料为用于牙齿修复/形成的牙科可聚合材料)。
在包括固化电池辐射源和监测光源两者的本文所述的系统的一个或多个实施方案中，两个源可沿相同传播轴线(参见，例如，图5中的传播轴线111)法神光或电磁辐射。在一个或多个另选的实施方案中，固化电磁辐射源和监测光源可沿两个不同的传播轴线发射。在一个或多个实施方案，固化电池辐射和监测光的那些传播轴线可在距固化电池辐射源和监测光源的所选距离处汇聚。
如本文所讨论的，在一个或多个实施方案中，可见监视光可向使用者提供将固化电磁辐射传递到可聚合材料以有助于适当固化的视觉辅助。在本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中，由监测光源递送的可见监测光可以准直或以其他方式控制/聚焦，以在可聚合材料的表面上，在相对于固化电磁辐射被递送于其上的固化区域的所选监测区域上方提供覆盖。
图2和图3示出了可聚合材料表面上的监测区域和固化区域之间的许多可能关系的两个示例，在本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中，可在所述表面上递送监测光和/或固化电磁辐射。如例如图2所示，监测光可聚焦于监测区域32，所述监测区域小于在其上递送固化电磁辐射的固化区域22，然而图3示出了其中将监测光递送到监测区域32的布置，所述监测区域32与固化电磁辐射入射到其上的固化区域22相同(其中，“相同”是指监测区域和固化区域彼此相差不超过5％)。在一个或多个实施方案，可通过例如聚焦、离焦、准直、去准直等来选择性调节由监测光占据的监测区域32相对于由固化电磁辐射限定的固化区域22的尺寸。
在本文所述的一个或多个实施方案中，可见光检测器40可被配置用于，监测由监测光源发射的监测光。在一个或多个实施方案中，该经反射的监测光可从可聚合材料漫反射，并且如本文所述，其检测可允许通过例如固化电磁辐射来监测可聚合材料的固化度。在一个或多个实施方案中，由可聚合材料漫反射的监测光可通过可见光检测器40检测，然而固化电磁辐射入射在可聚合材料上。在一个或多个实施方案中，可见光检测器40可被配置用于，检测在400nm至800nm范围内的光。
为了限制可能与通过可见光检测器检测固化电磁辐射相关的问题，在一个或多个实施方案中，可见光检测器可以呈不检测具有最大发射固化波长λ最大-固化的电磁辐射的检测器的形式。在一个或多个另选的实施方案中，用于本文所述的系统和/或方法的可见光检测器可不检测落入如本文所定义的固化波长半峰全宽内的电磁辐射。
代替和/或除了使用不检测固化电磁辐射的可见光检测器来检测经反射的检测光之外，本文所述的系统和/或方法的一个或多个实施方案可包括一个或多个滤波器(参见例如，图1中的滤波器60)以对允许达到可见光检测器的光和/或电磁辐射进行滤波。在一个或多个实施方案中，滤波器60可不允许具有任何最大发射固化波长λ最大-固化的电磁辐射穿过到达可见光检测器40。在一个或多个另选的实施方案中，滤波器60可不允许落入如本文所定义的固化波长半峰全宽范围内的电磁辐射穿过到达可见光检测器。在一个或多个另选的实施方案中，用于本文所述的系统和/或方法中的滤波器或滤波可仅允许不有效引发可聚合材料聚合的光到达可见光检测器。
在一个或多个实施方案中，光检测器40和/或滤波器60可被配置用于，检测至少具有最大发射监测波长λ最大-监测的光。换句话讲，光检测器40和/或滤波器60可与监测光源30匹配，使得至少最大发射监测波长λ最大-监测被光检测器检测。
由可聚合材料反射的监测光可通过任何合适的可见光检测技术来测量。例如，可使用任何类型的固态感测装置，诸如例如光电二极管、光电检测器、光电晶体管、模拟光传感器、数字光传感器、频率光传感器等。用于本文所述的系统和方法的一个或多个实施方案中的可见光检测器可产生与从可聚合材料接收的反射光强度成比例的信号(供例如控制器50使用)。收集经反射检测光并将其递送到用于本文所述的系统和方法中的可见光检测器可使用任一种或多种折射和/或反射光学设备，例如，透镜、镜子、光导、波导、光纤等来实现。
在一个或多个实施方案中，可见监测光源30和可见光检测器40可在一个装置中组合，诸如例如以脉冲模式驱动的LED，其中LED在受驱动时用作光源，并且在无电流条件下操作时作为光检测器操作。
在图1所示的示例性实施方案中，系统10包括在操作上连接到固化电磁辐射源20、监测光源30和可见光检测器40的控制器50。在一个或多个实施方案中，控制器50还可以在操作上连接至在感觉反馈发生器70，所述感觉反馈发生器被配置用于，产生可由本文所述的系统和/或方法的使用者感测。在一个或多个实施方案中，感觉反馈发生器可以呈例如一个或多个视觉指示器和/或一个或多个可听/触觉指示器的形式，如所讨论的，与图5和6中所示的示例性系统结合。
在其中控制器50在操作上耦合至可见光检测器40的一个或多个实施方案中，控制器50可被配置用于，至少部分地基于由可见光检测器40检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率，确定使用由监测光源30发射的监测光来监测的可聚合材料达到所选固化度的时间。在一个或多个实施方案中，由可见光检测器检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率将随可聚合材料的固化度增加而减小。换句话说，来自充分固化的可聚合材料的经漫反射的监测光的强度变化率将显著低于当很少至没有可聚合材料固化时，在固化过程开始时所观察到的经漫反射的监测光的强度变化率。示出固化度和沿x轴的时间以及沿y轴的漫反射率的一个示例在图4中示为具有点28的线26，所述点定位在经漫反射的监测光的强度变化率达到所选变化率的位置处，所述所选变化率可与如本文所讨论的所选可聚合材料的所选固化度相关。
在控制器50在操作上连接到固化电磁辐射源20和可见光检测器40的一个或多个实施方案中，控制器可以被配置用于，至少部分地基于来自可见光检测器40的输出之后，阻止固化电磁辐射源20发射固化电磁辐射。在一个或多个实施方案中，来自可见光检测器40的该输出可涉及使用控制器50，所述控制器被配置用于，确定可聚合材料已达到所选固化度，所述固化度与经漫反射的监测光的所选强度变化率相关。在这种情况下，例如，可见光检测器40可向控制器50输出指示经漫反射的监测光的强度的信号。此外，来自可见光检测器40的信号随经漫反射的监测光的强度变化而变化，以向控制器50提供数据来确定经漫反射的监测光的强度变化率，如本文所述，所述强度变化率可与可聚合材料的所选固化度相关。
如本文所讨论的，本文所述的系统的一个或多个实施方案可包括呈可操作地连接到控制器的视觉指示器形式的感觉反馈发生器，其中控制器被配置用于使用视觉指示器以向系统的使用者提供呈视觉指示形式的感觉反馈。在一个或多个实施方案中，视觉指示器可以呈光的形式，在控制器50的控制下，进行以下一者或多者：打开或关闭、闪烁、改变颜色、改变强度等，以提供已达到可聚合材料的所选固化度的视觉指示。在一个或多个另选的实施方案中，呈视觉指示器形式的感觉反馈发生器可以以在操作上连接到控制器50的显示设备上的视觉指示器的形式提供(例如，图形用户界面(GUI)上的一个或多个灯、图标等，其存在于例如LED或其他显示器的屏幕上)。
在本文所述系统的一个或多个实施方案中，可以在操作上连接到控制器50的其他感觉反馈发生器可用于向系统的使用者提供除视觉反馈之外的感觉反馈。在一个或多个实施方案中，感觉反馈发生器可以呈通常用于产生可由人耳听到的振动的扬声器、蜂鸣器、警报器等的形式。在一个或多个另选的实施方案中，感觉反馈发生器可产生通常由人类使用者触觉感知的振动(例如，人持有牙科治疗灯)。
在一个或多个实施方案中，控制器50可被配置用于使用感觉反馈发生器以向使用者提供固化或聚合过程不进展或比所需和/或优选的进展更慢的指示。在这种情况下，感觉反馈发生器中的一者或多者可用于提供不同于在可聚合材料的聚合如预期和/或期望的进展的情况下所提供的感觉反馈。在此类系统和/或方法中，使用者然后可有机会纠正固化过程、停止固化过程等。
代替或除了使用滤光和/或不检测如本文所述的最大发射固化波长的电磁辐射的可见光检测器之外，本文所述的系统和/或方法的一个或多个实施方案还可使用监测光和/或任何固化电磁辐射的选通。例如，在一个或多个实施方案中，控制器可仅在适当间隔期间循环打开和关闭监测光源并检测经反射的监测光。在一个可供选择的方案中，固化电磁辐射源循环打开和关闭，其中可见光检测器仅用于在不发射固化电磁辐射时检测经反射的光。在其他系统和/或方法中，监测光源和固化电磁辐射源两者均可选通，使得当一个源是发射光/电磁辐射时，另一个源则不是。在选通的系统和/或方法，可不需要对到达检测器的光/电磁辐射进行滤波。
用于本文所述的系统中的控制器可以任何合适的形式提供，并且可例如包括处理单元和任选的存储器。在一个或多个实施方案中，控制器的处理单元可以例如呈以下形式：一个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、微控制器、专用集成电路(ASIC)状态机、计算设备等，其可集成在单件硬件中，或分布在可以操作地彼此通信的多件硬件中。
在一个或多个实施方案中，如本文所述的系统可包括发射可见监视光的监视光源，被配置用于，检测由可聚合材料反射的监视光的可见光检测器，以及被配置用于发射固化电磁辐射的固化电磁辐射源和在操作上耦合到可见光检测器和任选地固化电磁辐射源的控制器中的一者或两者。可将这些各种组件合并到多个设备中。在一个或多个实施方案中，监测光源和被配置用于，检测由可聚合材料反射的监测光的可见光检测器可结合到一体结构中，例如用于例如牙科治疗灯的探头。在一个或多个实施方案中，任何此类探头还可包括被设计用于递送来自固化电磁辐射源的固化电磁辐射，所述固化电磁辐射源也可形成同一系统的一部分。
本文所述和/或用于本文所述方法中的系统的形式可基于待使用如本文所讨论的可见光监测的可聚合材料的形式而变化。例如，在一个或多个实施方案中，可聚合材料可以呈离散块的形式，例如牙科修复材料。在一个或多个另选的实施方案中，可聚合材料可以呈例如涂层、层、膜等形式。用于监测可聚合材料的固化的系统的两个示例性示例在图5和6中示出。
图5的示例性系统110包括外壳112，在一个或多个实施方案中，所述外壳容纳任选的固化光源、监测光源、可见光检测器和手持设备中的控制器，所述手持设备可施用于例如固化和监测可用于例如牙科修复的可聚合材料的固化度。尽管未示出，但系统110可包括在操作上连接到需要电源的组件中的任一个(在一个或多个实施方案中，所述电源可位于外壳112中)。
图5中所示的系统110还包括探头114，在一个或多个实施方案中，所述探头可结合用于向所选可聚合材料180引导和递送固化电磁辐射(如果有的话)和可见监测光的一个或多个光导。在一个或多个实施方案中，固化电磁辐射和/或监测光可沿传播轴线111递送至可聚合材料180。探头114还可包括光导，其被配置用于收集经反射的监测光并将其递送至系统110的可见光检测器(其可例如位于外壳112中)。在一个或多个另选的实施方案中，探头114本身可携带一个或多个组件诸如固化电磁辐射源、监测光源和/或可见光检测器。在一个或多个实施方案中，探头114的尺寸可被设定成置于受试者的口腔中，以例如体内固化可聚合牙科材料。
示例性系统110可包括一个或多个感觉反馈发生器以提供可由系统10的使用者感测的反馈。在所示实施方案中，感觉反馈发生器可包括一个或多个视觉指示器170和/或一个或多个听觉/触觉指示器(例如，扬声器、振动单元等，未在图5中示出)。在一个或多个实施方案中，递送感觉反馈以被使用者感知，从而提供关于可聚合材料的固化度和/或可聚合材料的所选固化度是否已达到的指示。
图6示出了如本文所述的用于监测可固化材料的固化的系统的另一示例性实施方案。在一个或多个实施方案中，固化系统可类似于描述于例如美国专利7,250,611(Aguirre等人)中的那些。所示的监测系统210可以呈例如位于基底282上方的台的形式，可聚合材料280位于所述基底上(例如，其中基底为用于基于粘合剂、带、或纤维网的制造中的移动纤维网的过程)。所述基底282可位于平台上，例如移动平台或传送带，或基底282可悬浮在移动辊(未示出)之间，以提供大量材料的片材或连续固化。
系统210的外壳212可包括一个或多个监测光源连同将那些源所发射的可见光监测光231引导到可聚合材料280上所需的任何需要的光学组件。外壳212还可容纳或承载一个或多个可见光检测器，所述可见光检测器被配置用于，检测由可聚合材料反射的可见监测光，如本文所讨论的。
在一个或多个实施方案中，外壳212还可包括一个或多个固化电磁辐射源和用于将固化电磁辐射递送至可聚合材料的光学组件。一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源和用于递送固化电磁辐射的光学组件可将固化电磁辐射与可见监视光混合，使得可见监视光入射于上的任何表面也接收固化电磁辐射。在此类系统中，无论是否固化电磁辐射本身是否可见，均可对固化电磁辐射的递送进行视觉监测。
此外，系统210还包括控制器250，控制器250在操作上耦合到例如外壳212中的任何可见监测光源、可见光检测器、和固化电磁辐射源。在一个或多个实施方案中，控制器可包括呈例如显示器270形式的感觉反馈发生器，其可用于向使用者提供关于如由系统210确定的可聚合材料的固化的感觉反馈。
图7中示出了可用于如本文所述的系统的一个或多个实施方案中的探头312的一个示例性实施方案。探头312的所示处的实施方案可包括光学耦合到LED 322的光发射器(例如，光学混合棒、全内反射(TIR)光导等)，所述LED 322用作固化电磁辐射源，所述固化电池源被配置用于发射用于如本文所讨论的所选可聚合材料的固化电磁辐射。应当理解，所示的LED 322以一个所选阵列形式布置，但许多更多的阵列可用于在如本文所述的系统的探头上布置多个固化电磁辐射源。此外，虽然图7中示出了五个LED 322，但本文所述系统的一个或多个另选的实施方案可包括少至一个固化电磁辐射源或任何其他选定数量的固化电磁辐射源，如在期望区域上提供固化电磁辐射所需的和以用于聚合所选可聚合材料所需的期望强度来提供固化电磁辐射所需的。
探头312还包括可见监测光源发射器342的远端，其被配置用于发射由可见监测光源产生的可见监视光，所述可见监测光源可位于例如探头312附接于上的外壳中。发射器342可采用如本文所述的多种不同形式，诸如光纤电缆、光纤电缆束、光导等。另外，发射器342可包括在其远端处的透镜以控制可见监测光的分散。此外，尽管在图7的示例性实施方案中仅示出了一个可见光源发射器342，但应当理解，如本文所述的系统中所用的探头312的一个或多个另选的实施方案可包括以任何合适的格式布置的两个或更多个可见监测光源发射器。此外，如果，例如，监测光源以LED的形式或能够容纳在探头312的顶端上的其他构造提供，则探头312可包括一个或多个监测光源本身。
所示的探头312的示例性实施方案还包括可见光收集器332，其被配置用于，检测由如本文所述的可聚合材料反射的监测光。可见光收集器332可光学耦合到一个或多个可见光检测器，所述可见光检测器可位于，例如，探头312附接于其上的外壳。可见光收集器332可采用如本文所述的多种不同的形式，例如光纤电缆、光导等。此外，用于如本文所述的系统中的可见光收集器332的数量可从少至一个收集器到适用于收集并传输由如本文所述的系统和方法中的可聚合材料反射的监测光的任何所选数量的收集器变化。
如本文所述的固化监测系统的另一示例性实施方案结合图8和9描述。如图8所示，固化监测系统410包括外壳414和混合棒416。在一个或多个实施方案中，混合棒416被配置用于混合并递送由一个或多个固化电磁辐射源发射的电磁辐射和由一个或多个可见监测光源发射的可见光，其中固化电磁辐射源和可见监测光源位于外壳414中。在一个或多个实施方案中，混合棒416可光学耦合到外壳414中的固化电磁辐射源和监测光源，使得固化电磁辐射和监测光穿过混合棒416，然后到达可聚合材料。在一个或多个实施方案中，外壳414中的可见光检测器还光学耦合到混合棒416，使得经反射的监测光穿过混合棒416，然后到达外壳414中的可见光检测器。
在一个或多个实施方案中，混合棒416可由任何合适的光学透射材料诸如玻璃、聚合物(例如聚碳酸酯等)构成。另外，固化电磁辐射和可见监测光可沿传播轴线411的方向运行穿过混合棒416并在端面417处离开混合棒416。
使用混合棒递送固化电磁辐射以及可见监测光两者的系统的一个潜在有益效果是其可如下方式递送所述监测光，使得所述监测光和所述固化电磁辐射在其所指向的表面上(例如，可聚合材料)占据相同区域。在这种情况下，由固化电磁辐射和监测光占据的区域可类似于例如图3所示的那些区域(如上所述)。
图8的固化监测系统410在沿图9中的传播轴线411截取的视图中看到。在该视图中，通过混合棒416的端面417看到固化电磁辐射源422连同可见监测光源434。在所示实施方案中，固化电磁辐射源422和可见监测光源434两者均可呈LED的形式。具体地讲，可见监测光源434中的一者或多者可为以脉冲模式驱动的LED。因此，用于可见监测光源434的脉冲模式LED中的一者或多者可用作可见光检测器以检测由如本文所讨论的可聚合材料所反射的监测光。在一个或多个实施方案中，固化电磁辐射源422和可见监测光源434可以是脉冲的，使得固化电磁辐射源由固化电磁辐射源422发射，然而监测光源434不发射可见监测光以减少固化电磁辐射源和监视光源以及光检测器414之间的潜在干扰。
例示性实施方案
本文描述的系统和方法可描述于以下示例性非限制性实施方案中的一个或多个中。
实施方案1：一种用于监测可聚合材料的固化度的系统，所述系统包括：
监测光源，所述监测光源发射在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光，所述监测光具有不有效引发所述可聚合材料聚合的最大发射波长(λ最大-监测)；
可见光检测器，所述可见光检测器被配置用于，在所述在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的监测光被所述可聚合材料漫反射之后，检测所述监测光；以及
控制器，所述控制器在操作上耦合到所述可见光检测器，其中所述控制器被配置用于，至少部分地基于由所述可见光检测器检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率，来确定所述可聚合材料达到所选固化度的时间。
实施方案2：根据实施方案1所述的系统，其中所述系统还包括固化电磁辐射源，所述固化电磁辐射源被配置用于发射具有最大发射固化波长(λ最大-固化)的固化电磁辐射，在所述最大发射固化波长下引发所述可聚合材料的固化。
实施方案3：根据实施方案2所述的系统，其中所述控制器在操作上连接至所述固化电磁辐射源，并且其中所述控制器被配置用于，在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后阻止所述固化电磁辐射源发射所述固化电磁辐射。
实施方案4：根据实施方案2至3中任一项所述的系统，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与由所述固化电磁辐射源发射的固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少50nm。
实施方案5：根据实施方案2至4中任一项所述的系统，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与由所述固化电磁辐射源发射的固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少100nm。
实施方案6：根据实施方案2至5中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
实施方案7：根据实施方案2至6中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
实施方案8：根据实施方案2至5中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射包括在所述红外光谱和所述紫外光谱中的至少一者中的电磁辐射。
实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的系统，其中所述可见监测光包括在500nm至700nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
实施方案10：根据实施方案2至9中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射限定了固化波长半峰全宽范围，其具有100nm或更小的所述固化电磁辐射的发射半峰全宽。
实施方案11：根据实施方案1至10中任一项所述的系统，其中所述监测光限定了监测波长半峰全宽范围，其具有100nm或更小的所述监测光的发射半峰全宽。
实施方案12：根据实施方案2至11中任一项所述的系统，其中由所述监测光源发射的所述监测光在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为由所述固化电磁辐射源发射的在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化电磁辐射强度的0.1或更小。
实施方案13：根据实施方案2至11中任一项所述的系统，其中所述监测光源不发射在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的电磁辐射。
实施方案14：根据实施方案2至13中任一项所述的系统，其中所述系统还包括滤波器，所述滤波器传输具有所述最大发射监测波长(λ最大-监测)的光并且不传输具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射，并且其中引向所述可见光检测器的光和电磁辐射在到达所述可见光检测器之前入射到所述滤波器上。
实施方案15：根据实施方案1至14中任一项所述的系统，其中所述系统包括滤波器，所述滤波器被配置用于仅允许不有效引发所述可聚合材料聚合的电磁辐射到达可见光检测器。
实施方案16：根据实施方案2至15中任一项所述的系统，其中所述可见光检测器不检测具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射。
实施方案17：根据实施方案2至16中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射源和所述监测光源同轴。
实施方案18：根据实施方案1至17中任一项所述的系统，其中所述监测光源发射监测光，所述监测光具有一定强度，使得所述监测光在穿过所述可聚合材料之后对人肉眼可见。
实施方案19：根据实施方案2至18中任一项所述的系统，其中所述系统包括光学耦合到所述固化电磁辐射源和所述监测光源的混合棒，其中所述固化电磁辐射和所述监测光穿过所述混合棒，然后到达所述可聚合材料。
实施方案20：根据实施方案19所述的系统，其中所述可见光检测器被光学耦合到所述混合棒，其中经反射的监测光在到达所述可见光检测器之前穿过所述混合棒。
实施方案21：根据实施方案1至20中任一项所述的系统，其中所述系统还包括在操作上耦合到所述控制器的反馈发生器，其中所述控制器被配用于，在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，使得所述反馈发生器向使用者提供感觉反馈。
实施方案22：根据实施方案21的系统，其中所述反馈发生器包括视觉指示器和听觉/触觉指示器中的一者或两者。
实施方案23：根据实施方案1至22中任一项所述的系统，其中所述系统包括手持式设备，所述手持式设备包括被配置用于插入人口腔中的探头，并且其中所述可见监测光从所述探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
实施方案24：根据实施方案2至22中任一项所述的系统，其中所述系统包括手持式设备，所述手持式设备包括被配置用于插入人口腔中的探头，并且其中所述可见监测光和所述固化电磁辐射从所述探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
实施方案25：一种监测可聚合材料的固化度的方法，所述方法包括：
用在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光照射所述可聚合材料，所述监测光具有不有效引发所述可聚合材料聚合的最大发射监测波长(λ最大-监测)；
在所述在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的监测光已被所述可聚合材料漫反射之后，检测所述监测光；以及
至少部分地基于检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率来确定所述可聚合材料达到所选固化度的时间。
实施方案26：根据实施方案25所述的方法，其中所述方法还包括：用固化电磁辐射照射所述可聚合材料，其中所述固化电磁辐射具有最大发射固化波长(λ最大-固化)，在所述最大发射固化波长下引发所述可聚合材料的固化。
实施方案27：根据实施方案26所述的方法，其中所述方法还包括：在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后停止用所述固化电磁辐射照射所述可聚合材料。
实施方案28：根据实施方案26至27中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：
使用可见光检测器检测所述经漫反射的监测光；以及
至少部分地基于来自所述可见光检测器的输出，停止用所述固化电磁辐射照射所述可聚合材料。
实施方案29：根据实施方案28所述的方法，其中来自所述可见光检测器的所述输出至少部分地基于如由所述可见光检测器所检测的所述经漫反射的监测光的所选强度变化率。
实施方案30：根据实施方案25至29中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，向使用者提供指示所述可聚合材料已达到所选固化度的感觉反馈。
实施方案31：根据实施方案30所述的方法，其中所述感觉反馈包括听觉反馈、视觉反馈和触觉反馈中的一种或多种。
实施方案32：根据实施方案26至31中任一项所述的方法，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与所述固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少50nm。
实施方案33：根据实施方案26至31中任一项所述的方法，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与所述固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少100nm。
实施方案34：根据实施方案26至33中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
实施方案35：根据实施方案26至34中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
实施方案36：根据实施方案26至33中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射包括在红外光谱和紫外光谱中的至少一者中的电磁辐射。
实施方案37：根据实施方案25至36中任一项所述的方法，其中所述可见监测光包括在500nm至700nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
实施方案38：根据实施方案26至37中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射具有100nm或更小的发射半峰全宽。
实施方案39：根据权实施方案25至38中任一项所述的方法，其中所述监测光具有100nm或更小的发射半峰全宽。
实施方案40：根据实施方案26至39中任一项所述的方法，其中照射所述可聚合材料的所述固化电磁辐射和所述监测光同轴。
实施方案41：根据实施方案26至40中任一项所述的方法，其中与所述固化电磁辐射相比，所述监测光照射所述可聚合材料的表面的区域更小。
实施方案42：根据实施方案26至40中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料的表面上被所述监测光照射的监测区域和所述可聚合材料的表面上被所述固化电磁辐射照射的固化区域相同。
实施方案43：根据实施方案26至42中任一项所述的方法，其中照射可聚合牙科材料的所述可见监测光在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化电磁辐射强度的0.1或更小。
实施方案44：根据实施方案26至42中任一项所述的方法，其中所述监测光不包括在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的光。
实施方案45：根据实施方案26至44中任一项所述的方法，其中所述方法还包括对到达可见光检测器的光进行滤波，使得具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射不到达所述可见光检测器，其中所述可见光检测器在所述监测光已被所述可聚合材料漫反射之后检测所述监测光。
实施方案46：根据实施方案26至45中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在所述监测光已被所述可聚合材料漫反射之后，使用可见光检测器检测所述监测光，所述可见光检测器不检测具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射。
实施方案47：根据实施方案25至46中任一项所述的方法，其中所述监测光透过所述可聚合材料的整个厚度。
实施方案48：根据实施方案47所述的方法，其中所述监测光在穿过所述可聚合材料之后对人肉眼可见。
实施方案49：根据实施方案47至48中任一项所述的方法，其中所述监测光穿过至少4mm的所述可聚合材料。
实施方案50：根据实施方案47至49中任一项所述的方法，其中所述监测光穿过不超过10mm的所述可聚合材料。
实施方案51：根据实施方案25至50中任一项所述的方法，其中所述可见监测光从插入人口腔中的探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
实施方案52：根据实施方案26至50中任一项所述的方法，其中所述可见监测光和所述固化电磁辐射从插入人口腔中的探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
实施方案53：根据实施方案25至52中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料为牙科材料。
实施方案54：根据实施方案25至53中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料包含选自下列中的至少一种：光引发剂、热引发剂、化学引发剂和催化剂。
实施方案55：根据实施方案25至54中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料包含填料。
实施方案56：根据实施方案25至55中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料包含可聚合化学部分，并且其中所述可聚合化学部分不吸收所述监测光。
实施例
本发明还通过以下实施例进行说明，这些实施例不应被解释为以任何方式对本发明的范围进行限制。相反，应当清楚地理解，可以利用多种其他实施方案、修改形式和它们的等同形式，在阅读了本说明书之后，这些其他实施方案、修改形式和它们的等同形式可以为本领域内的技术人员所理解，而不脱离本发明和/或所附的权利要求书的范围。
固化监测系统：
图10示出用于收集下文所述讨论的数据的固化检测系统。除非另外指明，否则所选可聚合材料的盘形样本580容纳于用作模具的黑色垫圈582中。将样本580的顶部和底部压平。
将样本580置于反射探头526(荷兰阿珀尔多伦的爱万提斯公司(Avantes，Apeldoorn，Netherlands)，FCR-7UVIR200-2-1.5X100)下方约1mm。反射探头526包含六(6)个光纤，其光学耦合到发射不同波长的监测光的呈LED形式的多个不同监测光源530，如实施例中每一个所讨论的。在每个实施例中，监测LED由ThorLabs M4100LED驱动器(美国新泽西牛顿的索雷博公司(ThorLabs，Newton，NJ，USA))驱动。
反射探头526的中心读数光纤用于收集经反射的监测光并将其递送到光检测器540(美国加利福尼亚州霍桑的光电子公司(Optoelectronics，Hawthorne，CA，USA)，PIN10DP)。经反射的监测穿过适用于监测每个实施例中的波长的带通滤波器560，如下文所讨论的(然后达到光检测器)。将来自光检测器的信号放大(美国加利福尼亚州桑尼维尔的斯坦福研究系统(Stanford Research Systems,Sunnyvale,CA,USA)，SR570放大器)并发送至数据采集计算机550。在每个实施例中，以十(10)个样本/秒的速率采集来自光检测器540的数据，并且通过将数据点除以最大mV读数来归一化所有数据。
反射探头526位于丙烯酸光导的中心孔中，对所述丙烯酸光导光学耦合六个450nm蓝光发光二极管520(美国加利福尼亚州圣何塞市的LXZ1-PR01Lumileds，使用LED-450mA)以通过围绕反射探头526的光导524向样本580递送固化光。应当指出的是，实施例中使用固化“光”，因为用于实施例中的可聚合材料在其下固化的波长处于电磁辐射谱的可见范围内。
固化定义：
固化度使用巴科尔硬度的底部与顶部(B/T)比率来定义。在背离反射探头526和光导524的样本580的表面处测量底部巴科尔硬度。在面向反射探头526和光导524的样本580的表面处测量顶部巴科尔硬度。
根据以下程序测定巴科尔硬度。如在每个样本中所讨论的，在利用固化光照射后，使用配有压头的Barber-Coleman硬度仪(手持便携式硬度测试仪；GYZJ 934-1型；美国印第安纳州洛瓦公园的Barber-Coleman公司，工业仪器分公司(Barber-Coleman Company,Industrial Instruments Division,Lovas Park,IN,USA))来测量模具顶部和底部处样本的硬度。在固化光暴露终止的1分钟内，测量顶部和底部巴科尔硬度值。对于给定的固化光暴露时间，如以下公式所示，使用底部硬度值除以在该固化光暴露时间下的所有顶部硬度值的算术平均值来计算底部与顶部比率(B/T)(在样本的至少一定固化之后-注意任何固化前的B/T比可与完全固化后的相同)：
(底部硬度值)/(顶部硬度值的算术平均值)×100＝B/T比
当对于给定的暴露时间，B/T比达到0.8或以上时，认为实施例中的可聚合材料的样本充分固化。
实施例1-红色625nm监测光：
将呈Filtek Supreme Ultra shade A2B(美国明尼苏达州圣保罗的3M口腔护理公司(3M Oral Care,St.Paul,MN,USA))形式的可聚合材料的样本容纳于用作模具的黑色垫圈(美国伊利诺伊州艾姆赫斯特的McMaster-Carr公司(McMaster-Carr,Elmhurst,IL,USA)，零件号98029A029)中以提供3mm厚且7mm直径的盘形样本。将样本和垫圈置于在黑色塑料片上。最初，将固化光(450nm)暴露时间设定为1秒。在暴露于固化光之后，收集每个样本的顶部和底部巴科尔硬度。对后续的时间点重复该程序，对于每个暴露时间准备一个新样本。
在该实施例中，监测光源530为625nm红色LED(索雷博公司(ThorLabs)，零件号M625F1)。与光检测器540一起使用的带通滤波器560为630nm带通滤波器(索雷博公司(ThorLabs)，零件号FB630-10)。将625nm红色LED监测光打开约5秒，然后打开固化光LED，以建立光检测器的基线。然后将样本暴露于450nm蓝色固化光15秒，同时使用监测光LED以监测固化。15秒后关闭固化光，收集在监测光下约5秒的持续暴露以建立后固化基线。数据作为来自光电检测器540的毫伏(mV)信号收集。将数据归一化为最大mV读数并记录为归一化反射率。
结果概述于表1中。每个时间点重复多次。如上所述计算底部与顶部比率。表1为平均B/T比和每个时间点下收集的数据点的标准偏差的汇编。如上文所定义的，4秒或更长的暴露时间充分固化(即，此类样本具有0.8或更高的B/T比)。
表1：根据时间的B/T比
暴露时间(秒) B/T平均值 标准偏差
1 0％ .0％
2 60％ .8％
2.5 52％ .6％
3 70％ .7％
3.5 79％ .5％
4 86％ .0％
5 90％ .3％
5.5 89％ .7％
10 93％ .6％
15 96％ .9％
20 100％ .2％
图11的图表是由光检测器测量的监测光的反射率的曲线图(其中在固化光暴露之前收集的5秒反射率数据被截短成一秒)。该图上的叠加是表1的B/T硬度数据。图11的图表展示出B/T硬度在约4秒(在适当的固化点处)减慢和/或停止变化，这与监测光的反射率变化减慢和/或停止的时间相关。
图12为该实施例的B/T比相对于归一化反射率的关系的曲线图。线性关系展示出B/T比与如由光检测器所检测的监测光的反射率之间的相关性，这由通过点绘制的简单线性回归线与0.9的所得R平方值所证实，从而展示出经反射的监测光和样本的足够固化之间的预测相关性。
实施例2-绿色530nm监测光：
将用于实施例1中的相同方法、设备和材料用于实施例2，不同的是使用530nm监测光LED(ThorLabs M530F1)代替实施例1的625nm监测光LED。此外，将与光检测器一起使用的带通滤波器更换为530nm带通滤波器(Thorlabs FB530-10带通)。
图13的图表是由光检测器测量的监测光的反射率的曲线图(其中在固化光暴露之前收集的5秒反射率数据被截短成一秒)。该图上的叠加是对于实施例2收集的B/T硬度数据。图13的图表展示出B/T硬度在约4秒(在适当的固化点处)减慢和/或停止变化，这与监测光的反射率变化减慢和/或停止的时间相关。
图14为该实施例的B/T比相对于归一化反射率的关系的曲线图。线性关系展示出B/T比与如由光检测器所检测的监测光的反射率之间的相关性，这由通过所得R平方值为0.9的点绘制的简单线性回归线所证实，从而再次展示出经反射的监测光和样本的足够固化之间的预测相关性。
实施例3-红色740nm监测光：
将用于实施例1中的相同方法、设备和材料用于实施例2，不同的是使用740nm监测光LED(ThorLabs M740F1)代替实施例1的625nm监测光LED。此外，将与光检测器一起使用的带通滤波器更换为740nm带通滤波器(Thorlabs FB740-10带通)。
图15的图表是由光检测器测量的监测光的反射率的曲线图(其中在固化光暴露之前收集的5秒反射率数据被截短成一秒)。该图上的叠加是对于实施例3收集的B/T硬度数据。图15的图表展示出B/T硬度在约4秒(在适当的固化点处)减慢和/或停止变化，这与监测光的反射率变化减慢和/或停止的时间相关。
图16为该实施例的B/T比相对于归一化反射率的关系的曲线图。线性关系展示出B/T比与如由光检测器所检测的监测光的反射率之间的相关性，这由通过所得R平方值为0.9的点绘制的简单线性回归线所证实，从而再次展示出经反射的监测光和样本的足够固化之间的预测相关性。
实施例4-监测光透过的深度：
图10中所述的设备与实施例3的740nm红色监测LED和740nm带通滤波器一起使用。如实施例1-3中所述，在黑色垫圈(美国伊利诺伊州艾姆赫斯特的McMaster-Carr公司(McMaster-Carr,Elmhurst,IL,USA)，零件号98029A029)中制备呈Filtek Bulk FillPosterior A2 shade(美国明尼苏达州圣保罗的3M口腔护理公司(3M Oral Care,St.Paul,MN,USA)))形式的可聚合材料的5mm厚样本。将所述样本和垫圈置于白色塑料片上监测光下，所述监测光打开约5分钟以建立来自光检测器的反射率读数基线。然后，如实施例1-3中所述，将样本暴露于450nm蓝色固化光并持续不同时间以进行固化。同时，使用监测光(740nm，红色)来监测样本的固化。在关闭450nm蓝色固化光，使用在监测光下约5秒的持续暴露以建立来自光检测器的后固化基线。对于每次运行进行三次重复测量，将来自三次运行的数据进行平均。
表2示出了随暴露时间变化的底部与顶部(B/T)硬度比。暴露于固化光10秒或更长时间段的B/T比充分固化(即，具有0.8或更高的B/T比)。
表2：在给定暴露时间下的B/T比
暴露时间(秒) B/T平均值 标准偏差 N
6 57.8％ 10.7％ 3
10 80.8％ 1.5％ 3
16 88.8％ 1.5％ 3
20 90.1％ 3.6％ 3
30 94.3％ 0.0％ 3
图17中所示的图表示出了实施例4的样本在暴露于固化光6、10和16秒后的归一化反射率数据。该5秒预固化基线数据被截短成1秒并且后固化基线数据未示出。B/T比示出10秒或更长的固化光暴露时间产生充分固化的5mm厚样本。在样本充分固化的同时，反射率曲线各自达到稳态，如由B/T硬度比所确定的。
相比之下，对于仅6秒的固化光暴露收集的B/T比数据示出样本还未充分固化，并且这与反射率曲线不能达到稳态相关，如图17中的图所示的。
该数据还展示出监视光延伸通过5mm厚的样本，因为B/T比和归一化反射率两者均达到指示充分固化样本的稳态。
实施例5-红色625nm监测光(两部分氧化还原可固化体系)：
将呈Concise Composite Universal Shade(得自美国明尼苏达州圣保罗的3M口腔护理公司(3M Oral Care,St.Paul,MN,USA)的可聚合材料)的两部分可氧化还原固化可聚合材料的样本以相等份数充分混合，并将所得混合物容纳于用作模具的黑色垫圈(美国伊利诺伊州艾姆赫斯特的McMaster-Carr公司(McMaster-Carr,Elmhurst,IL,USA)，零件号98029A029)中，以提供3mm厚且7mm直径的盘形样本。
在该实施例中，监测光源530为625nm红色LED(索雷博公司(ThorLabs)，零件号M625F1)并且不使用固化光。在成形后十秒内，将该盘形样本置于监测光下。与光检测器540一起使用的带通滤波器560为630nm带通滤波器(索雷博公司(ThorLabs)，零件号FB630-10)。样本数据作为来自光电检测器540的毫伏(mV)信号收集。由光检测器测量的监测光的反射率随时间变化的曲线图示出类似于实施例1的图11的曲线。其中检测到的经反射的监测光的强度变化率在6分钟内变得忽略不计。因此，还可通过检测可见监测光的强度变化来监测可氧化还原固化的可聚合材料的固化。
比较例
使用将如实施例1中所用的相同设备和样本材料，不同的是不使用监测光且不使用带通滤波器来限制到达光检测器的光的波长。因此，在固化过程中由光检测器来检测经反射的固化光。
图18是示出对于15秒暴露时间段，如由光检测器所检测的蓝色固化光的反射率的图。该图展示出，B/T比硬度曲线在约5秒时停止变化(与实施例1一致)，然而反射率曲线在15秒时间段的剩余部分继续变化。不同于实施例1-3，没有任何独特部分的反射率曲线与定义样本完全固化的B/T比相对应。
图19为该比较例的B/T比相对于归一化反射率的关系图。通过点和为0.5的所得R平方值绘制的简单线性回归示出经反射的监测光和样本固化之间的较差相关性。
如本文所用，术语“包括(comprises、comprising、includes、including)”、“具有(has、having)”、“包含(contains、containing)”、“特性在于(characterized by)”或它们的任何其他变型形式旨在涵盖非排他性的包括，受到对所列举部件的另外明确指示的任何限制。例如，系统和/或方法“包括”要素列表(如，部件或特征结构或步骤)不一定局限于仅包括这些要素(或部件或特征结构或步骤)，而是可能包括未明确地列出或所述系统和/或方法所固有的其他要素(或部件或特征结构或步骤)。
如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物，除非上下文另有清晰的表示。因此，举例来说，“一个”或“该”组分的提及可包括本领域技术人员已知的一种或多种组分或其等价物。另外，术语“和/或”意指所列组分中的一个或全部或者所列组件中的任两个或更多个的组合。
如本文所用，过渡性短语“由…组成(consists of和consisting of)”将任何未指定的要素、步骤或部件排除在外。例如，在权利要求的前序部分中所用的“由…组成(consists of或consisting of)”可将权利要求限制为所述权利要求中具体列出的组分或步骤。当短语“由…组成(consists of或consisting of)”出现在权利要求正文的条款中，而不是紧接在前序之后时，短语“由…组成(consists of或consisting of)”仅限定该条款中列出的组分或步骤；其他组分或步骤未被从作为整体的权利要求排除。
本文确定的专利公开说明书、专利文献和出版物的全部内容均以引用的方式全文并入本文，如同每一个文件都单独引用一样。如果在本文件和任何如此并入文件中的公开内容之间存在冲突或矛盾，则以本文件为准。
自本发明的一般原理、前述详细描述和实施例的上述公开内容，本领域的技术人员将易于理解本发明所涉及的各种修改形式、重新布置和替代形式，以及本发明可提供的多种优点和有益效果。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求书及其等同形式来限定。

Claims (56)

1.一种用于监测可聚合材料的固化度的系统，所述系统包括：
监测光源，所述监测光源发射在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光，所述监测光具有不有效引发所述可聚合材料聚合的最大发射波长(λ最大-监测)；
可见光检测器，所述可见光检测器被配置用于，在所述在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的监测光被所述可聚合材料漫反射之后，检测所述监测光；以及
控制器，所述控制器在操作上耦合到所述可见光检测器，其中所述控制器被配置用于，至少部分地基于由所述可见光检测器检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率，来确定所述可聚合材料达到所选固化度的时间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括固化电磁辐射源，所述固化电磁辐射源被配置用于发射具有最大发射固化波长(λ最大-固化)的固化电磁辐射，在所述最大发射固化波长下引发所述可聚合材料的固化。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器在操作上连接至所述固化电磁辐射源，并且其中所述控制器被配置用于，在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，阻止所述固化电磁辐射源发射所述固化电磁辐射。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的系统，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与由所述固化电磁辐射源发射的固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少50nm。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与由所述固化电磁辐射源发射的固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少100nm。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
8.根据权利要求2至5中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射包括在红外光谱和紫外光谱中的至少一者中的电磁辐射。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述可见监测光包括在500nm至700nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射限定了固化波长半峰全宽范围，其具有100nm或更小的所述固化电磁辐射的发射半峰全宽。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中所述监测光限定了监测波长半峰全宽范围，其具有100nm或更小的所述监测光的发射半峰全宽。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的系统，其中由所述监测光源发射的所述监测光在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为由所述固化电磁辐射源发射的在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化电磁辐射强度的0.1或更小。
13.根据权利要求2至11中任一项所述的系统，其中所述监测光源不发射在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的电磁辐射。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的系统，其中所述系统还包括滤波器，所述滤波器传输具有所述最大发射监测波长(λ最大-监测)的光，并且不传输具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射，并且其中引向所述可见光检测器的光和电磁辐射在到达所述可见光检测器之前入射到所述滤波器上。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，其中所述系统包括滤波器，所述滤波器被配置成仅允许不有效引发所述可聚合材料聚合的电磁辐射到达所述可见光检测器。
16.根据权利要求2至15中任一项所述的系统，其中所述可见光检测器不检测具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射。
17.根据权利要求2至16中任一项所述的系统，其中所述固化电磁辐射源和所述监测光源同轴。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的系统，其中所述监测光源发射监测光，所述监测光具有一定强度，使得所述监测光在穿过所述可聚合材料之后对人肉眼可见。
19.根据权利要求2至18中任一项所述的系统，其中所述系统包括光学耦合到所述固化电磁辐射源和所述监测光源的混合棒，其中所述固化电磁辐射和所述监测光穿过所述混合棒，然后到达所述可聚合材料。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述可见光检测器被光学耦合到所述混合棒，其中经反射的监测光穿过所述混合棒，然后到达所述可见光检测器。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的系统，其中所述系统还包括在操作上耦合到所述控制器的反馈发生器，其中所述控制器被配置用于，在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，使得所述反馈发生器向使用者提供感觉反馈。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述反馈发生器包括视觉指示器和听觉/触觉指示器中的一者或两者。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的系统，其中所述系统包括手持式设备，所述手持式设备包括被配置用于插入人口腔中的探头，并且其中所述可见监测光从所述探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
24.根据权利要求2至22中任一项所述的系统，其中所述系统包括手持式设备，所述手持式设备包括被配置用于插入人口腔中的探头，并且其中所述可见监测光和所述固化电磁辐射从所述探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
25.一种监测可聚合材料的固化度的方法，所述方法包括：
用在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见监测光照射所述可聚合材料，所述监测光具有不有效引发所述可聚合材料聚合的最大发射监测波长(λ最大-监测)；
在所述在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的监测光已被所述可聚合材料漫反射之后，检测所述监测光；以及
至少部分地基于检测到的经漫反射的监测光的所选强度变化率来确定所述可聚合材料达到所选固化度的时间。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法还包括：用固化电磁辐射照射所述可聚合材料，其中所述固化电磁辐射具有最大发射固化波长(λ最大-固化)，在所述最大发射固化波长下引发所述可聚合材料的固化。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述方法还包括：在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，停止用所述固化电磁辐射照射所述可聚合材料。
28.根据权利要求26至27中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：
使用可见光检测器检测所述经漫反射的监测光；以及
至少部分地基于来自所述可见光检测器的输出，停止用所述固化电磁辐射照射所述可聚合材料。
29.根据权利要求28所述的方法，其中来自所述可见光检测器的所述输出至少部分地基于如由所述可见光检测器所检测的所述经漫反射的监测光的所选强度变化率。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：在确定所述可聚合材料已达到所选固化度之后，向使用者提供指示所述可聚合材料已达到所选固化度的感觉反馈。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述感觉反馈包括听觉反馈、视觉反馈和触觉反馈中的一种或多种。
32.根据权利要求26至31中任一项所述的方法，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与所述固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少50nm。
33.根据权利要求26至31中任一项所述的方法，其中所述最大发射监测波长(λ最大-监测)与所述固化电磁辐射的最大发射固化波长(λ最大-固化)相差至少100nm。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至800nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射包括在400nm至500nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
36.根据权利要求26至33中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射包括在红外光谱和紫外光谱中的至少一者中的电磁辐射。
37.根据权利要求25至36中任一项所述的方法，其中所述可见监测光包括在500nm至700nm范围内的一个或多个波长下的可见光。
38.根据权利要求26至37中任一项所述的方法，其中所述固化电磁辐射具有100nm或更小的发射半峰全宽。
39.根据权利要求25至38中任一项所述的方法，其中所述监测光具有100nm或更小的发射半峰全宽。
40.根据权利要求26至39中任一项所述的方法，其中照射所述可聚合材料的所述固化电磁辐射和所述监测光同轴。
41.根据权利要求26至40中任一项所述的方法，其中与所述固化电磁辐射相比，所述监测光照射所述可聚合材料的表面的区域更小。
42.根据权利要求26至40中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料的表面上被所述监测光照射的监测区域和所述可聚合材料的表面上被所述固化电磁辐射照射的固化区域相同。
43.根据权利要求26至42中任一项所述的方法，其中照射可聚合牙科材料的所述可见监测光在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下具有的强度为在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的固化电磁辐射强度的0.1或更小。
44.根据权利要求26至42中任一项所述的方法，其中所述监测光不包括在所述最大发射固化波长(λ最大-固化)下的光。
45.根据权利要求26至44中任一项所述的方法，其中所述方法还包括对到达可见光检测器的光进行滤波，使得具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射不到达所述可见光检测器，其中所述可见光检测器在所述监测光已被所述可聚合材料漫反射之后检测所述监测光。
46.根据权利要求26至45中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在所述监测光已被所述可聚合材料漫反射之后，使用可见光检测器检测所述监测光，所述可见光检测器不检测具有所述最大发射固化波长(λ最大-固化)的电磁辐射。
47.根据权利要求25至46中任一项所述的方法，其中所述监测光透过所述可聚合材料的整个厚度。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述监测光在穿过所述可聚合材料之后对人肉眼可见。
49.根据权利要求47至48中任一项所述的方法，其中所述监测光穿过至少4mm的所述可聚合材料。
50.根据权利要求47至49中任一项所述的方法，其中所述监测光穿过不超过10mm的所述可聚合材料。
51.根据权利要求25至50中任一项所述的方法，其中所述可见监测光从插入人口腔中的探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
52.根据权利要求26至50中任一项所述的方法，其中所述可见监测光和所述固化电磁辐射从插入人口腔中的探头发射，并且另外，其中由所述可见光检测器检测到的监测光入射到所述探头上，然后到达所述可见光检测器。
53.根据权利要求25至52中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料为牙科材料。
54.根据权利要求25至53中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料包含选自下列中的至少一种：光引发剂、热引发剂、化学引发剂和催化剂。
55.根据权利要求25至54中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料包含填料。
56.根据权利要求25至55中任一项所述的方法，其中所述可聚合材料包含可聚合化学部分，并且其中所述可聚合化学部分不吸收所述监测光。
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