CN115245315A - 一种便携式牙菌斑检测装置 - Google Patents

一种便携式牙菌斑检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种便携式牙菌斑检测装置，包括壳体，壳体的端部设有探头组件，壳体的主体内部依次设有荧光检测模块，拉曼光谱检测模块，主控模块以及电源。本发明通过光纤探头采集牙菌斑的荧光图像和拉曼光谱信号，简化了装置结构，且探头体积较小，便于检测口腔内部的牙齿；本发明同时实现了牙菌斑含量与分布以及牙菌斑主要细菌成分的种类及含量的可视化，有助于快速诊断龋齿以及牙齿的病变发展。

Description

一种便携式牙菌斑检测装置
技术领域
本发明涉及牙菌斑检测技术领域，特别是一种便携式牙菌斑检测装置。
背景技术
牙菌斑是一层粘附于牙齿表面的成分复杂的细菌生物膜，其由细菌、基质及食物残渣、色素等构成，细菌在牙齿表面进行代谢活动对牙齿组织有腐蚀作用，是导致龋病的直接因素，严重的龋齿可能会造成牙龈炎、牙周炎等疾病。因此，对牙菌斑进行检测对于龋齿的预防和诊断具有重要意义。
现有的牙菌斑检测方法主要包括体外检测法、埋藏电极遥测法、口腔内涂布显色剂法、荧光光谱检测法等。体外检测法需先进行取样，测量结果无法获得牙菌斑在牙齿表面的分布，埋藏电极法构造操作复杂，显色剂法灵敏度不高，荧光光谱检测法能够检测牙菌斑的含量及分布，实现牙菌斑检测的可视化。牙菌斑作为一种生物膜结构，研究其中的主要成分对龋病的评估和防治具有指导意义，目前尚未有技术能够快速、定量的检测牙菌斑的主要成分。拉曼光谱技术作为一种分子诊断技术，已在蛋白质、脂质、细菌等生物物质的检测中得到了广泛应用。目前尚未有将拉曼光谱技术用于牙菌斑中细菌的定性定量检测，也没有将多种光谱技术融合实现对牙菌斑的原位准确检测，且现有技术停留在实验室研究，不便于医生日常工作使用。
发明内容
针对现有技术中的存在的上述问题，本发明提出一种便携式牙菌斑检测装置，其采用光纤探头原位采集牙菌斑的拉曼光谱以及荧光图像，通过拉曼光谱分析检测牙菌斑的细菌种类及含量，利用荧光图像分析得到牙菌斑在牙齿表面的分布及含量，并将两种数据融合进行分析，准确得出对于牙齿病变的评价。
一种便携式牙菌斑检测装置，该装置包括壳体，壳体的端部设有探头组件，壳体的主体内部依次设有荧光检测模块，拉曼光谱检测模块，主控模块以及电源；探头组件包括光纤探头，光纤探头包括激发光纤和收集光纤，激发光纤设置在光纤探头的中心，用于发射激发光，收集光纤呈环形均匀分布在激发光纤周围，激发光纤通过第一光纤耦合器分别与激光器和LED光源相连接，激光器用于发出拉曼激发光，LED光源通过滤光片、整束透镜组与光纤的端面耦合，用于发出荧光激发光；多束收集光纤经第二光纤耦合器后分为两路，其中一路输入拉曼光谱检测模块，另一路输入荧光检测模块。
拉曼光谱检测模块包括第一高通滤光片、拉曼光谱探测器，荧光检测模块包括第二高通滤光片、荧光图像探测器；主控模块分别与激光器、LED光源、拉曼光谱检测模块、荧光检测模块电连接；主控模块包括光谱数据处理模块，光谱数据处理模块包括拉曼光谱处理模块和荧光图像处理模块，其中拉曼光谱处理模块与拉曼光谱检测模块电连接，用于采集拉曼光谱数据，并对光谱数据进行预处理，将预处理后的光谱数据输入预设的光谱分析模型，得出牙菌斑中细菌的种类及含量；荧光图像处理模块与荧光检测模块电连接，获取牙菌斑的荧光图像，并对荧光图像进行处理得到牙菌斑的含量与分布；主控模块还包括无线通信模块，无线通信模块与拉曼光谱处理模块、荧光图像处理模块电连接，将处理获得的数据发送至智能终端；智能终端用于将检测结果融合，在屏幕上显示牙菌斑的含量及分布以及牙菌斑相应部位的细菌种类及含量。
其中，壳体上设有探头组件的端部与壳体的主体呈一定的夹角，以便于进行牙齿内表面及缝隙的检测。
激光器发射波长为780nm的激光；LED光源的波长在400nm-410nm范围内，优选中心波长为405nm。第二高通滤光片波长范围为600nm-800nm。
拉曼光谱检测模块采集2000-200cm-1范围内的拉曼光谱，其中涵盖了脂质、蛋白质和碳水化合物的特征峰区域。
拉曼光谱预处理方法包括S-G平滑、一阶导数、二阶导数、标准正态变换、多元散射校正中的一种或多种，优选为二阶导数。
预设的光谱分析模型是利用已知种类和含量的牙菌斑细菌样品建立校正集，获取校正集的拉曼光谱数据，对拉曼光谱数据进行预处理后，利用拉曼光谱结合化学计量学方法建立的定性和定量分析模型。化学计量学方法包括主成分分析法、偏最小二乘法、偏最小二乘判别分析法的一种或多种。
细菌种类包括变异链球菌、血链球菌、嗜酸乳杆菌。
牙菌斑在405nm光源激发下会产生红色荧光，荧光图像处理模块获取牙齿的荧光图像后，提取荧光图像的R、G、B值，获取荧光图像的R/(G+B)值，根据牙菌斑含量与颜色参量的对应关系，得出牙菌斑的含量等级；并将牙菌斑的含量等级以不同的颜色标注在荧光图像上，实现牙菌斑含量与分布的可视化。
智能移动终端接收荧光图像处理模块以及拉曼光谱处理模块的检测结果，将牙菌斑相应部位所包含的主要细菌种类及含量标注在荧光图像上，并据此判断龋齿发展。
本发明的优点在于：设计了便携的检测装置，操作简单易行，能够便于医生或病人快速上手操作；本发明无需样品处理，通过一个光纤探头采集牙菌斑的荧光图像和拉曼光谱信号，不仅简化了装置结构，且探头体积较小，便于检测口腔内部的牙齿；本发明同时实现了牙菌斑含量与分布以及牙菌斑主要细菌成分的种类及含量的可视化，对于快速诊断龋齿以及牙齿的病变发展提供有价值的信息。
附图说明
图1为本发明检测装置结构示意图；
图2为光纤探头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在紫外光的激发下，牙菌斑产生的红色荧光波段来源于细菌的新陈代谢产物，主要物质为卟啉，但卟啉物质主要存在于革兰氏阴性细菌中，而公认的龋齿相关细菌包括变异链球菌、血链球菌等均为革兰氏阳性菌，无法产生卟啉荧光，所以利用荧光分析无法实现龋齿相关细菌的种类鉴别和定量分析。而拉曼光谱的指纹属性能够用于区分细菌的种类，拉曼光谱结合化学计量学方法能够实现对细菌的快速定量检测，弥补了荧光分析无法检测革兰氏阳性菌的缺陷。牙菌斑中细菌种类和含量的变化对于医生判断龋病的发展进程也具有重要意义。基于上述构思，本发明设计了一种便于操作的便携式装置，其能够获取牙齿及牙菌斑的荧光图像及拉曼光谱数据，并基于荧光图像分析和拉曼光谱数据分析得出牙菌斑的含量分布以及细菌的种类及含量，装置结构简单，自动化程度高。
如图1所示，本发明所述的一种便携式牙菌斑检测装置包括壳体，壳体的端部设有探头组件，壳体的主体内部依次设有荧光检测模块，拉曼光谱检测模块，主控模块以及电源；探头组件包括光纤探头，光纤探头结构如图2所示，其包括激发光纤和收集光纤，激发光纤设置在光纤探头的中心，用于发射激发光，收集光纤呈环形均匀分布在激发光纤周围，激发光纤通过第一光纤耦合器分别与激光器和LED光源相连接，激光器用于发出拉曼激发光，LED光源通过滤光片、整束透镜组与光纤的端面耦合，用于发出荧光激发光；多束收集光纤经第二光纤耦合器后分为两路，其中一路输入拉曼光谱检测模块，另一路输入荧光检测模块。
拉曼光谱检测模块包括第一高通滤光片、拉曼光谱探测器，荧光检测模块包括第二高通滤光片、荧光图像探测器；主控模块分别与激光器、LED光源、拉曼光谱检测模块、荧光检测模块电连接；主控模块包括光谱数据处理模块，光谱数据处理模块包括拉曼光谱处理模块和荧光图像处理模块，其中拉曼光谱处理模块与拉曼光谱检测模块电连接，用于采集拉曼光谱数据，并对光谱数据进行预处理，将预处理后的光谱数据输入预设的光谱分析模型，得出牙菌斑中细菌的种类及含量；荧光图像处理模块与荧光检测模块电连接，获取牙菌斑的荧光图像，并对荧光图像进行处理得到牙菌斑的含量与分布；主控模块还包括无线通信模块，无线通信模块与拉曼光谱处理模块、荧光图像处理模块电连接，将处理获得的数据发送至智能终端；智能终端用于将检测结果融合，显示牙菌斑的含量及分布以及牙菌斑相应部位的细菌种类及含量。
其中，壳体上设有探头组件的端部与壳体的主体呈一定的夹角，以便于进行牙齿内表面及缝隙的检测。
激光器发射波长为780nm的激光；LED光源的波长在400nm-410nm范围内，优选中心波长为405nm。第二高通滤光片波长范围为600nm-800nm。
拉曼光谱检测模块采集2000-200cm-1范围内的拉曼光谱，其中涵盖了脂质、蛋白质和碳水化合物的特征峰区域。
拉曼光谱预处理方法包括S-G平滑、一阶导数、二阶导数、标准正态变换、多元散射校正中的一种或多种，优选为二阶导数。
预设的光谱分析模型是利用已知种类和含量的牙菌斑细菌样品建立校正集，获取校正集的拉曼光谱数据，对拉曼光谱数据进行预处理后，利用拉曼光谱结合化学计量学方法建立的定性和定量分析模型。化学计量学方法包括主成分分析法、偏最小二乘法、偏最小二乘判别分析法的一种或多种。
牙菌斑在405nm光源激发下会产生红色荧光，荧光图像处理模块获取牙齿的荧光图像后，提取荧光图像的R、G、B值，获取荧光图像的R/(G+B)值，根据牙菌斑含量与颜色参量的对应关系，得出牙菌斑的含量等级；并将牙菌斑的含量等级以不同的颜色标注在荧光图像上，实现牙菌斑含量与分布的可视化。
牙菌斑细菌包括变异链球菌、血链球菌、嗜酸乳杆菌。
在利用本发明所述的便携式检测装置进行检测时，将光纤探头置于牙齿的表面，开启LED光源，采集牙菌斑的荧光图像，根据荧光图像上显示的牙菌斑的分布位置，再将光纤探头对准牙菌斑的位置，获取牙菌斑的拉曼光谱数据，通过荧光图像处理以及拉曼光谱数据分析处理，将获取的牙菌斑分布及含量以及细菌种类及含量可视化的显示在智能终端上，并根据龋病诊断评判标准对数据进行分析给出牙齿病变的等级，便于医生或病人直观的获取牙齿的病变情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，该装置包括壳体，壳体的端部设有探头组件，壳体的主体内部依次设有荧光检测模块，拉曼光谱检测模块，主控模块以及电源；探头组件包括光纤探头，光纤探头包括激发光纤和收集光纤，激发光纤设置在光纤探头的中心，用于发射激发光，收集光纤呈环形均匀分布在激发光纤周围，激发光纤通过第一光纤耦合器分别与激光器和LED光源相连接，激光器用于发出拉曼激发光，LED光源通过滤光片、整束透镜组与光纤的端面耦合，用于发出荧光激发光；多束收集光纤经第二光纤耦合器后分为两路，其中一路输入拉曼光谱检测模块，另一路输入荧光检测模块；拉曼光谱检测模块包括第一高通滤光片、拉曼光谱探测器，荧光检测模块包括第二高通滤光片、荧光图像探测器；主控模块分别与激光器、LED光源、拉曼光谱检测模块、荧光检测模块电连接；主控模块包括光谱数据处理模块，光谱数据处理模块包括拉曼光谱处理模块和荧光图像处理模块，其中拉曼光谱处理模块与拉曼光谱检测模块电连接，用于采集拉曼光谱数据，并对光谱数据进行预处理，将预处理后的光谱数据输入预设的光谱分析模型，得出牙菌斑中细菌的种类及含量；荧光图像处理模块与荧光检测模块电连接，获取牙菌斑的荧光图像，并对荧光图像进行处理得到牙菌斑的含量与分布；主控模块还包括无线通信模块，无线通信模块与拉曼光谱处理模块、荧光图像处理模块电连接，将处理获得的数据发送至智能终端；智能终端用于将检测结果融合，在屏幕上显示牙菌斑的含量及分布以及牙菌斑相应部位的细菌种类及含量。
2.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，所述壳体上设有探头组件的端部与壳体的主体呈一定的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，所述激光器发射波长为780nm的激光；LED光源为紫光LED，滤光片可通过的激发光波长为400nm-410nm，滤光片的中心波长优选为405nm；第二高通滤光片波长范围为600nm-800nm。
4.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，所述拉曼光谱检测模块采集2000-200cm-1范围内的拉曼光谱。
5.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，所述拉曼光谱预处理方法包括S-G平滑、一阶导数、二阶导数、标准正态变换、多元散射校正中的一种或多种，优选为二阶导数。
6.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，所述预设的光谱分析模型是利用已知种类和含量的牙菌斑细菌样品建立校正集，获取校正集的拉曼光谱数据，对拉曼光谱数据进行预处理后，利用拉曼光谱结合化学计量学方法建立的定性和定量分析模型；化学计量学方法包括主成分分析法、偏最小二乘法、偏最小二乘判别分析法的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，细菌种类包括变异链球菌、血链球菌、嗜酸乳杆菌。
8.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，荧光图像处理模块获取牙齿的荧光图像后，提取荧光图像的R、G、B值，获取荧光图像的R/(G+B)值，根据牙菌斑含量与颜色参量的对应关系，得出牙菌斑的含量等级；并将牙菌斑的含量等级以不同的颜色标注在荧光图像上，实现牙菌斑含量与分布的可视化。
9.根据权利要求1所述的一种便携式牙菌斑检测装置，其特征在于，所述智能移动终端接收荧光图像处理模块以及拉曼光谱处理模块的检测结果，将牙菌斑相应部位所包含的主要细菌种类及含量标注在荧光图像上。
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