CN115963085A - 检测牙齿物质脱矿质化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测牙齿物质脱矿质化的方法，包括将结构化光图案照射(S101)到牙齿物质上的步骤；检测(S102)从牙齿物质的体积上散射的光图案的光强度；基于检测到的光强度确定(S103)牙齿物质的脱矿质化。

Description

检测牙齿物质脱矿质化的方法
技术领域
本发明涉及用于检测牙齿物质脱矿质化的光学方法和用于检测牙齿物质脱矿质化的牙科装置。
背景技术
目前，龋齿的确定要么纯粹是视觉上的，要么是使用技术辅助手段来确定的，例如通过X光片或龋齿病变的自发荧光。龋齿的视觉检测取决于治疗牙医的经验，因此在标准化或质量保证方面并不理想或不能客观量化。此外，不能根据文献记载在早期阶段量化牙齿的变色。
本发明的技术问题是确定牙齿结构中受脱矿质影响的区域，例如这可能发生在龋齿中。
发明内容
本发明技术问题通过根据独立权利要求所述的目的来解决。技术上有利的实施例是从属权利要求、说明书和附图的主题。
根据第一方面，所述技术问题通过一种检测牙齿物质脱矿质化的方法来解决，包括以下步骤：将结构化光图案照射到牙齿物质上；检测从牙齿物质的体积上散射(remittierten)的光图案的光强度和/或强度幅度；检测从牙齿物质的体积上散射的光图案的光强度；以及基于检测到的光强度确定牙齿物质脱矿质化。通过该方法，可以实现对牙齿物质形态变化或化学变化的早期成像。另外，可以执行强度幅度和/或相位的解调。在该方法中，还可以附带检测从牙齿表面反射的光强度。使用该方法，可以使脱矿质化变得具体化和可量化，并且更早、更灵敏地发现。此外，还实现了深度灵敏度，利用该深度灵敏度可以确定牙齿物质体积中的脱矿质化。获得的数据集的可比性和标准化使得量化初期龋齿的检查成为可能。这可以以客观的方式记录下来。
在该方法的技术上有利的实施例中，检测散射光强度的荧光跃迁和/或散射光强度的弹性散射。也可以检测反射光强度的荧光跃迁和/或反射光强度的弹性散射。例如，这实现了可以高精度检测脱矿质化的技术优势。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，所照射的结构化光图案具有条纹图案、点图案或网格图案和/或周期性结构。这具有技术优势，例如可以快速准确地检测到牙齿物质的变化。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，具有不同空间频率的多个结构化光图案被照射到牙齿物质上。这具有技术优势，例如，通过优化所照射的光图案(例如正弦图案)的空间频率，可以最大化对要测量的深度范围的灵敏度并且可以实现深度分辨率。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，将各自具有不同光波长的多个结构化光图案照射到牙齿物质上。这具有技术优势，例如，可以从牙齿物质的不同深度获得关于脱矿质化的数据，并且可以确定关于形态的附加信息。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，可以附加地基于照射的光图案和散射的光图案之间的相移来确定牙齿物质的脱矿质化。还可以基于照射的光图案和反射的光图案之间的相移来确定牙齿物质的脱矿质化。这具有技术优势，例如，可以更精确地确定脱矿质化。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，强度幅度和相移基于表面积空间分辨地确定，并且脱矿质化也基于表面积空间分辨地量化或确定。这例如实现了可以更稳健地确定脱矿质化的技术优势，尤其是在牙齿物质的整个表面上。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，基于所检测的光强度使用模型来确定脱矿质化及其层厚度。脱矿质化或层厚度可以基于检测到的光强度使用用于例如层状几何学(geschichtete Geometrien)的辐射传输理论的解析方程通过模型来确定。例如，这提供了获得定量且因此可比较的量来表征脱矿质化的技术优势。
在该方法的另一技术上有利的实施例中，照射的光图案的方向与检测到光图案的光强度的方向之间的角度在0°和45°之间。这实现了例如可以特别好地检测脱矿质化的技术优势，例如通过避免或减少来自表面的反射。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，可以附加地基于反射的和/或散射的光图案确定牙齿物质的空间几何形状。这具有技术优势在于，例如，还可以检测牙齿或牙齿物质的空间形状。
在该方法的另一个技术上有利的实施例中，牙齿物质的空间几何形状基于来自若干反射的和/或散射的光图案的模型来确定，每个光图案具有不同的空间频率。经确定的空间几何形状可用于更精确地量化牙齿物质的脱矿质化。这具有例如提高空间形状检测精度的技术优势。
根据第二方面，所述技术问题通过一种用于检测牙齿物质脱矿质化的牙科装置来解决，包括：用于将结构化光图案照射到牙齿物质上的投影装置；用于检测从牙齿物质的体积上散射的光图案的光强度和/或强度幅度的检测装置；用于基于检测到的光强度确定牙齿物质脱矿质化的确定装置。另外，所述检测装置可以适于检测从表面反射的光图案的光强度。
在所述牙科装置的技术上有利的实施例中，所述投影装置包括具有多光谱辐射源的数字投影仪。这提供了技术优势，例如，可以照射具有不同结构的光图案或具有可空间分辨的、任意可变强度的不同光波长的光图案。
在牙科装置的另一个技术上有利的实施例中，所述检测装置包括电子照相机。这实现了技术优势，例如，可以快速有效地以数字方式捕获光图案。
在牙科装置的另一个技术上有利的实施例中，所述确定设备被设计为基于被散射的和/或被反射的光图案来确定牙齿物质的空间几何形状。这实现了技术优势，例如，可以附带地检测牙齿或牙齿物质的空间形状。
附图说明
各附图示出了：
图1是牙科装置的示意图；
图2是不同光图案和它们穿过牙齿结构时的相移的示意图；
图3是不同光图案穿过牙齿结构时的不同模拟剖面图；以及
图4是检测牙齿物质脱矿质的方法的框图。
具体实施方式
图1示出了牙科装置100的示意图。牙科装置100用于检测牙齿的牙齿物质101的脱矿质化。牙科装置100包括用于将结构化光图案103照射到牙齿物质101上的投影装置109。投影装置109例如由液晶投影仪或具有数字微镜装置(DMD)的数字光处理(DLP)投影仪形成。
使用合适的光学器件和光源，可以将具有任何结构的任何颜色的光图案投射到牙齿物质101上，例如条纹图案、点图案或网格图案。光图案103可以具有可变的周期性结构。然而，一般而言，也可以使用其他适当结构的光图案101。
此外，可以改变光图案，从而可以将具有不同空间频率或不同光波长的若干结构化光图案依次照射到牙齿物质101上。多光谱照明可以增加该方法的鲁棒性。由于在初期龋齿的情况下牙齿物质101中的结构变化的幅度最初很小，因此有利的是使用小的光波长，即例如蓝光，以实现尽可能高的灵敏度。
结构化光图案103照射在口腔中牙齿的牙齿物质101上，穿过牙齿物质101并从牙齿物质101的体积上散射射出。这是光的漫射(非定向)反射，与满足反射定律的规则定向反射相反。部分光图案103也可以从牙齿物质101的表面上被反射。
在漫反射过程中，可以发生照射光图案101的弹性散射，其中光的波长保持不变，或者发生荧光发射，其中光图案101的波长通过在牙齿物质101中的荧光跃迁而改变。荧光是牙齿物质被光激发后较短时间内自发发射的光。在这个过程中，发射的光子的能量通常低于之前吸收的能量。因此这是非弹性散射。
光学检测装置111用于检测从牙齿物质101的体积上散射出的或反射在表面上的光图案103的光强度。检测装置111包括例如具有CCD或CMOS阵列的数码相机，通过该数码相机可以获得照射的光图案101的图像记录。光学检测装置111生成表示从牙齿物质101散射和/或反射的光图案的数据集。例如，根据所使用的空间频率和光波长的大小，可以在几个100ms内进行测量。照射的光图案103的方向107-1与检测到的光图案103的光强度的方向107-2之间的角度可以例如在0°和45°之间。
在检测装置111中检测荧光，例如，通过使用滤光片来抑制CCD或CMOS相机的弹性散射。在这种情况下，可以对牙齿物质体积中的荧光进行空间分辨和深度-选择性的测量，例如卟啉的分布，这可以进一步表征初期龋齿。这里，可以照射具有例如蓝色或红色光的光图案并且检测在红光或红外范围内的反向散射辐射。
包括电子电路的确定装置113用于基于检测到的光强度确定牙齿物质101的脱矿质化。为此，确定装置113包括例如数字处理器和数字存储器，例如随机存取存储器(RAM存储器)。通过这些，可以使用算法处理数据集。通过使光图案103穿过牙齿物质101的体积，可以检测所述体积的特征，例如在龋齿的情况下的脱矿质化。为此，确定装置113确定例如相对于照射的光图案103的散射光图案的强度(强度幅度)、波长移位(荧光)或局部相移。如果这些值与健康牙齿物质101的值有偏差，则可以推断为发生脱矿质化。
图2示出了不同的光图案103-1、...、103-3和当它们穿过牙齿物质101时各自的相移。对于均匀的光图案105，没有检测到相移，因为它没有参考结构。
光图案103-1是具有第一空间频率Fsfd的第一光图案。其被照射到牙齿物质101上。与照射的光图案相比，散射的光图案103-1具有特定的相移
Figure BDA0003635270800000041
和改变的强度幅度Rsfd。
光图案103-2是具有第二空间频率Fsfd的第二光图案，第二空间频率Fsfd高于第一空间频率Fsfd。与照射的光图案相比，散射的光图案103-2具有特定的相移
Figure BDA0003635270800000042
和改变的强度幅度Rsfd。
光图案103-3是具有第三空间频率Fsfd的第三光图案，第三空间频率Fsfd高于第一空间频率Fsfd。散射光图案103-3也具有特定的相移并且与照射的光图案相比，强度幅度Rsfd发生了变化。在所示示例中，随着光图案103的空间频率Fsfd增大，强度幅度Rsfd减小，并且随着光图案103的空间频率Fsfd增大，相移
Figure BDA0003635270800000043
增大。
根据牙齿物质的脱矿质化程度，相移
Figure BDA0003635270800000044
和强度幅度Rsfd的不同数值作为空间频率Fsfd的函数被测量得到。如果这些值偏离针对健康牙齿物质101获得的那些参考值，则可以推断出牙齿物质101的脱矿质化和损伤。
图3示出了当不同的光图案103穿过模型病变上的牙齿物质101时的不同截面图。图中示出了针对牙齿物质101的不同厚度的信号。
在结构化光照下散射光测量值实现了空间分辨地确定散射强度幅度Rsfd和相移
Figure BDA0003635270800000045
。病变情况下的散射强度幅度Rsfd和相移
Figure BDA0003635270800000046
通常受其光学特性、吸收系数μa、散射系数μs、散射相位函数和折射率n的影响，特别是受光学传输厚度μs＇*d的影响，其中μs＇对应于有效散射系数，d对应于病变的厚度。
具有较大厚度d的病变导致作为空间频率Fsfd的函数的散射强度幅度Rsfd和相移
Figure BDA0003635270800000047
具有不同曲线。牙齿物质101中的光传播还取决于牙齿物质101的光学特性(吸收系数μa、散射系数μs、散射相位函数和折射率)。相对于健康牙釉质，初始脱矿质会增加散射系数μs。基于层状介质的辐射传输方程对光传播进行建模可以确定厚度。
通过在空间频域中对散射和反射强度幅度和相移进行定量和空间分辨测量，可以在模型的基础上通过求解辐射传输方程来确定与光传播相关的量，例如有效散射系数μs＇和吸收系数μa。这里，有效散射系数μs＇与脱矿质程度相关，而吸收系数μa与牙齿变色相关。可以使用所述程序测量和记录这两个参数。
图4示出了用于检测牙齿物质101的脱矿质化的方法的框图。在步骤S101中，将结构化光图案103照射到牙齿物质101上。在步骤S102中，检测从牙体101的体积中散射的光图案103的光强度。在步骤S103中，基于检测到的光强度确定牙齿物质101的脱矿质化。为此目的，将散射的光强度与参考值进行比较。除了光强度之外，还可以确定照射的光图案和散射的光图案之间的相移
Figure BDA0003635270800000048
。此外，在这种情况下，可以进行相移
Figure BDA0003635270800000049
与参考值的比较。
所述方法提供了对牙齿物质101的(脱)矿化程度的灵敏、客观和定量的三维测量。为此，例如，条状光方法(结构化照明成像)以这样的方式扩展，即也从牙齿物质101的深度(体积)中获得信息。在这种情况下，牙齿物质101可以用例如在蓝色光谱范围内的单色结构化光图案来照明，例如不同空间频率的正弦图案。
从牙齿物质101的体积和表面散射和反射的光由相机记录。从数据集中，幅度和相位图像可以通过合适的算法计算，例如通过N相位投影或基于傅里叶的解调。基于相机光线的校准与主动照明的相位编码相结合，可以从相机图像(3D扫描)计算牙齿形貌。此外，使用重建的3D牙齿形貌，可以执行体积强度校准，以便除了先前使用的相位图像之外，还可以生成可量化的幅度图像。因此，根据照射的空间频率，即条带频率，可以在每个图像点中确定散射和反射强度幅度。这对应于牙齿物质101的光学传递函数，其取决于其微结构。所述微结构引起光散射，并且除了发色团之外，还引起牙齿物质101的牙齿染色。由于在龋齿的情况下牙齿物质101变得更加多孔，这可以通过改变光散射来检测。可以使用光学传递函数在模型的基础上量化微结构的变化和深度。
基于该数据集的脱矿质化可以基于模型或使用人工智能驱动的方法或多变量分类方法来确定。对于这些方法，执行基于模型的光学传递函数计算以创建分类器。该方法允许在牙齿结构101的任何几何形状处对散射强度幅度和反射率进行量化测量。
结合本发明的各个实施例解释和示出的所有特征可以在本发明的主题中以不同的组合来提供，以同时实现它们的有益效果。
所有工艺步骤都可以通过适合执行相应工艺步骤的装置来实施。由目标特征执行的所有功能都可以是一种方法的一个方法步骤。
本发明的保护范围由权利要求书给出，并且不受说明书中解释的或附图所示的特征的限制。
附图标记列表
100 牙科装置
101 牙齿结构
103 光图案
105 均匀照明
107 方向
109 投影装置
111 检测装置
113 确定装置

Claims (15)

1.检测牙齿物质(101)脱矿质化的方法，包括以下步骤：
-将结构化光图案(103)照射(S101)到牙齿物质(101)上；
-检测(S102)从牙齿物质(101)的体积散射的光图案(103)的光强度和/或强度幅度(Rsfd)；以及
-基于检测到的光强度确定(S103)牙齿物质(101)的脱矿质化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述散射光强度的荧光跃迁和/或检测所述散射光强度的弹性散射。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述照射的结构化光图案包括条纹图案、点图案或网格图案和/或周期性结构。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中具有不同空间频率的多个结构化光图案被照射到所述牙齿物质(101)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将各自具有不同光波长的多个结构化光图案照射到所述牙齿物质(101)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述牙齿物质(101)的脱矿质化是基于照射的光图案(103)和散射的光图案(103)之间的相移
Figure FDA0003635270790000011
附加确定的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中强度幅度(Rsfd)和相移
Figure FDA0003635270790000012
以空间分辨方式在表面积上确定，且脱矿质化以空间分辨方式量化或基于表面积确定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基于所检测的光强度以基于模型的方式确定脱矿质化和层厚度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中照射的光图案(103)的方向(107-1)与检测到的光图案的光强度的方向(107-2)之间的角度在0°和45°之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述牙齿物质(101)的空间几何形状附加地基于反射的和/或散射的光图案(103)来确定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述牙齿物质(101)的空间几何形状基于来自多个反射的和/或散射的光图案(103)的模型来确定，每个光图案具有不同的空间频率。
12.用于检测牙齿物质(101)的脱矿质化的牙科装置(100)，包括：
-用于将结构化光图案(103)照射到牙齿物质(101)上的投影装置(109)；
-用于检测从牙齿物质(101)的体积散射的光图案(103)的光强度和/或强度幅度(Rsfd)的检测装置(111)；以及
-用于基于检测到的光强度确定牙齿物质(101)的脱矿质化的确定装置(113)。
13.根据权利要求12所述的牙科装置(100)，其中所述投影装置(109)包括具有多光谱辐射源的数字投影仪。
14.根据权利要求12或13所述的牙科装置(100)，其中所述检测装置(111)包括电子照相机。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的牙科装置(100)，其中所述确定装置(113)被配置为基于所述被散射的和/或反射的光图案(103)来确定所述牙齿物质(101)的空间几何形状。
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