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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Karies, Plaque
oder bakteriellem Befall an Zähnen.
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Es ist bekannt, Karies, Plaque oder
bakteriellen Befall an Zähnen
mittels optischer Verfahren zu diagnostizieren. Hierzu wird üblicherweise
ein zu untersuchender Zahn mit einer Anregungsstrahlung bestrahlt
und die als Antwort auf die Anregungsstrahlung entstehende Streu-
oder Fluoreszenzstrahlung erfasst und bewertet. Diesem optischen
Diagnoseverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass kariöses oder
mit Bakterien befallenes Zahngewebe auf die Anregungsstrahlung in
anderer Weise reagiert als gesundes Zahngewebe. Während gesundes
Zahngewebe in erster Linie die auftreffende Anregungsstrahlung streut
oder reflektiert, regt die Anregungsstrahlung bei kariösem Zahngewebe
eine Fluoreszenzstrahlung an, so dass über die Fluoreszenzstrahlungsintensität auf das
Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Karies geschlossen werden kann.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 197 09 500 C1 oder
der
DE 198 25 021
A1 bekannt.
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Bei den bekannten optischen Diagnoseverfahren
wird eine Anregungsstrahlung aus dem nahem Infrarotbereich mit einer
Wellenlänge
von beispielsweise 650 nm erzeugt und auf den zu untersuchenden
Zahn gerichtet. Zeitgleich wird dann die entstehende Fluoreszenzstrahlung,
die eine im Vergleich zur Anregungsstrahlung größere Wellenlänge aufweist,
erfasst und ausgewertet. Um zur Bewertung des Gesundheitszustandes
des Zahngewebes möglichst
nur die Fluoreszenzstrahlung heranzuziehen, werden Filter verwendet,
die lediglich das für
die Diagnose interessante Licht durchlassen. Da diese Filter allerdings
nur endlich gute Filtereigenschaften aufweisen, wird zumindest zu
einem gewissen Teil auch die an der Zahnoberfläche reflektierte Anregungsstrahlung
gemessen und bei der Auswertung berücksichtigt. Wird somit die
Sonde auf eine stark reflektierende Stelle eines Zahns gerichtet,
so erfasst der Detektor Licht und schließt damit auf das Vorhandensein
von Karies, auch wenn keine Schädigung am
Zahn vorhanden ist.
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Aus der
DE 195 41 68 6 A1 ist bekannt,
die Anregungsstrahlung periodisch zu modulieren und die mit der
entsprechenden Frequenz modulierte Antwortstrahlung zur Beurteilung
des Gesundheitszustands des Zahns heranzuziehen. Hierdurch können Meßfehler,
die durch Umgebungslicht hervorgerufen werden, das an dem Zahn reflektiert
wird, vermieden werden. Allerdings werden durch die Modulation der
Anregungsstrahlung nicht die oben beschriebenen Meßfehler
ausgeschlossen, die durch die an der Zahnoberfläche reflektierte Anregungsstrahlung verursacht
werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur optischen Diagnose
von Zahngewebe weiter zu verbessern und die Zuverlässigkeit
beim Erkennen von Karies zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren
gemäß Anspruch
1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst. Der
erfindungsgemäßen Lösung liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass der Gesundheitszustand des untersuchten
Zahngewebes nicht nur Auswirkungen auf die Intensität der als
Antwort auf die Anregungsstrahlung entstehenden Antwortstrahlung
hat, sondern auch auf deren zeitlichen Verlauf. Während nämlich das
rein von der Zahnoberfläche reflektierte
Licht praktisch zeitgleich mit der Anregungsstrahlung detektiert
wird, entsteht eine durch kariöses
Zahngewebe hervorgerufene Antwortstrahlung erst zeitversetzt zur
Anregungsstrahlung. Die erfindungsgemäße Lösung besteht dementsprechend darin,
das zu untersuchende Zahngewebe mit mindestens einem Impuls der
Anregungsstrahlung zu bestrahlen und bei der Auswertung den zeitlichen Verlauf
der als Reaktion auf den Anregungsstrahlungspuls entstehenden Antwortstrahlung
zu berücksichtigen.
Durch die Berücksichtigung
des zeitlichen Verlaufs können
durch Reflexionen hervorgerufene Meßfehler vermieden und die Zuverlässigkeit
der Diagnose erhöht
werden.
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Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Zeitversatz der auf einen Anregungspuls entstehenden
Antwortstrahlung kann sehr präzise durch
permanentes Abtasten des Empfangssignals erfasst werden. Da die
vollständige
Erfassung des zeitlichen Verlaufs allerdings sehr aufwendig ist,
wird vorzugsweise nach dem Beginn eines Anregungsstrahlungspulses
die Amplitude der Antwortstrahlung lediglich zu zwei verschiedenen
Messzeiten erfasst. Ein Vergleich der beiden Amplitudenwerte gibt
dann zuverlässig
darüber
Auskunft, ob das untersuchte Zahngewebe gesund ist oder nicht. Vorzugsweise weist
ein Anregungsstrahlungspuls eine Dauer von 130 μs auf, wobei die Antwortstrahlung
jeweils 95 μs und
295 μs nach
Beginn eines Anregungsstrahlungspulses erfasst wird. Die Anregungsstrahlungspulse werden
vorzugsweise in einem zeitlichen Abstand von 2,1 ms erzeugt.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand
der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erkennen von Karies, Plaque oder bakteriellem Befall an Zähnen;
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2 einen
schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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3 den
Verlauf der Antwortstrahlung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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1 zeigt
eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen
von Karies, Plaque oder bakteriellem Befall an Zähnen. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 12,
welches über
einen Versorgungsschlauch 3 mit einem zahnärztlichen
Handstück 1 und
einer auf das zahnärztliche Handstück aufgesteckten
Lichtsonde 2 verbunden ist. Um das Gewicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu reduzieren und die Mobilität
zu erhöhen,
wird vorteilhafterweise die Vorrichtung mit einer Batterie oder
einem Akkumulator als Spannungsquelle versorgt. Aus diesem Grund
weist die Frontseite des Gehäuses 12 eine
Leuchtdiode 16 auf, bei deren Aufleuchten der Benutzer
darauf hingewiesen wird, daß die
Versorgungsspannung unter einen bestimmten Grenzwert abgesunken
ist, wodurch der Benutzer zum Auswechseln der Batterie bzw. Aufladen
des Akkumulators aufgefordert wird.
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Des weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
drei Anzeigen 15a – 15c auf,
die die auf das zahnärztliche
Handstück 1 aufgesteckte
Lichtsonde 2 bezeichnen. Im vorliegenden Fall kann zwischen
drei unterschiedlichen Lichtsonden, abhängig von der Art des zu untersuchenden
Zahnbereiches, ausgewählt
werden. Die Anzeigen 13 und 14 dienen zur Anzeige
des augenblicklichen Meßwerts
bzw. des Spitzenwerts. Wie noch nachfolgend näher beschrieben wird, dienen
die Tasten 4 – 7 unter
anderem zur Auswahl vorgegebener Betriebsmodi und zur Auswahl der
auf das zahnärztliche
Handstück 1 aufgesteckten
Lichtsonde 2. Das zahnärztliche
Handstück 1 weist
einen Ringschalter 9 auf, wobei der Ringschalter 9 eine
sich in Umfangsrichtung des zahnärztlichen
Handstücks 1 ringförmig erstreckende
Schaltfläche
aufweist, so daß der
Ringschalter 9 einfach durch Fingerdruck unabhängig von
der Lage des zahnärztlichen
Handstücks 1 in
der Hand der Bedienperson betätigt
werden kann. Der Ringschalter 9 dient insbesondere zum
Ein-/Ausschalten
der Vorrichtung sowie zum Löschen
des Spitzenwerts und Abgleichen der Lichtsonde 2.
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2 zeigt
schematisch die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Eine Lichtquelle 20 erzeugt
eine Anregungsstrahlung 21, die über ein Einkopplungslinsensystem 22 und
einen Lichtleiter 23 einem zu untersuchenden Bereich 25 eines
Zahnes 24 zugeführt
wird. Die Anregungsstrahlung liegt vorzugsweise im Bereich von ca.
650 nm, was durch einen der Lichtquelle nachgeschalteten Kantenfilter 26 erreicht
wird, der Nebenmoden größer als
670 nm absorbiert.
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Durch die Anregungsstrahlung 21 wird
an dem bestrahlten Zahnbereich 25 eine Antwortstrahlung 30 hervorgerufen,
die über
denselben Lichtleiter 23 und ein Spektralfilter 28 einer
Erfassungseinrichtung 29 zum Erfassen und Auswerten der
Antwortstrahlung 30 des Zahnes 24 zugeführt wird.
Hierzu weist der Lichtleiter 23 eine oder mehrere zentral
angeordnete Lichtleiterfasern zur Übertragung der Anregungsstrahlung 21 und
mehrere konzentrisch um diese zentrale(n) Lichtleiterfaser(n) angeordnete Lichtleiterfasern
für die Übertragung
der Antwortstrahlung 30 auf.
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Zum Auskoppeln der Antwortstrahlung 30 aus
dem Strahlengang in dem Lichtleiter 23 ist ein Strahlteiler 27 vorgesehen,
der zwischen der Lichtquelle 20 und der Linsenanordnung 22 oder
alternativ zwischen der Linsenanordnung 22 und dem lichtquellenseitigen
Ende des Lichtleiters 23 angeordnet ist. Das Spektralfilter 28 ist
derart ausgestaltet, daß es
nur für
eine Strahlung mit einer Wellenlänge
größer als
ca. 685 nm durchlässig
ist. Die Erfassungseinrichtung 29 weist eine Photodiode
auf, welche die empfangene Strahlung in ein elektrisches Signal
umwandelt, dass zur Bewertung des Gesundheitszustandes des Zahns
verwendet wird.
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Die erfindungsgemäße Auswertung der aufgrund
der Bestrahlung erzeugten Anregungsstrahlung soll nachfolgend anhand
von 3 erläutert werden.
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3 zeigt
beispielhaft die auf einen Anregungsstrahlungspuls P entstehende
Antwortstrahlung, einmal für
gesundes Zahngewebe (Kurve I) und einmal für kariöses Zahngewebe (Kurve II).
Der Anregungsstrahlungspuls P mit einer Wellenlänge von 650 nm wird zum Zeitpunkt
t0 gestartet und weist eine Dauer r von
130 μs auf.
Wird mit diesem Anregungsstrahlungspuls P gesundes Zahngewebe bestrahlt, so
entsteht in sehr kurzer Zeit eine Antwortstrahlung, wie die Kurve
I zeigt. Die Antwortstrahlung besteht in diesem Fall im Wesentlichen
aus reflektiertem Licht, das praktisch zeitgleich zum Anregungspuls
P detektiert wird. Nach dem Ende des Anregungsstrahlungspuls P fällt somit
auch das Messsignal I sehr schnell wieder ab.
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Die Kurve II zeigt im Vergleich dazu
die von einem kariösen
Zahngewebe abgegebene Antwortstrahlung. Auch hier entsteht ein Strahlungspuls,
der im Vergleich zu dem Signal I von gesundem Zahngewebe allerdings
deutlich zeitversetzt zum Anregungsstrahlungspuls P entsteht. Dieser
Zeitversatz kommt zustande, da die an dem kariösen Zahngewebe entstehende
Antwortstrahlung nur zu einem sehr geringen Anteil aus reflektiertem
Licht besteht. Stattdessen wird die Antwortstrahlung in diesem Fall durch
in dem kariösen
Zahngewebe von der Anregungsstrahlung hervorgerufene Vorgänge wie
beispielsweise Fluoreszenzentwicklung oder Wärmeentwicklung erzeugt. Da
diese Vorgänge
eine gewisse Zeit beanspruchen, wird ein deutlich verzögerter Strahlungspuls
erzeugt. Obwohl somit die Maximalintensitäten der beiden Kurven I und
II nahezu gleich hoch sind, kann durch die Berücksichtigung des zeitlichen
Verlaufs der Antwortstrahlung eindeutig zwischen gesundem und kariösem Zahngewebe
unterschieden werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann somit die Zuverlässigkeit
bei der Erkennung von Karies erhöht
werden.
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Der Zeitversatz des Antwortpulses
kann sehr präzise
durch Abtasten des Empfangssignals erfasst werden. Beispielsweise
könnte
sowohl der Versatz des Anstiegs als auch der Versatz der abfallenden Pulsflanke
bestimmt werden. Um die Auswertung allerdings möglichst einfach zu gestalten,
wird lediglich zu zwei verschiedenen Messzeiten t1 und
t2 nach Einschalten des Anregungspulses
P zum Zeitpunkt t0 gemessen. Im dargestellten
Beispiel wird die erste Messung 95 μs nach Aktivieren der Anregungsstrahlung und
die zweite Messung nach 295 μs
durchgeführt. Wie
der Darstellung in 3 entnommen
werden kann, hat die Amplitude der Antwortstrahlung zum Zeitpunkt
t1 bei gesundem Zahngewebe bereits ihren Maximalwert
erreicht, während
sie bei kariösem Zahngewebe
zu diesem Zeitpunkt noch weiter ansteigt. Zum zweiten Messzeitpunkt
t2 hingegen ist die Antwortstrahlung, da
auch der Anregungspuls P bereits beendet ist, nahezu vollständig auf
den Ausgangswert abgefallen. Demgegenüber wird bei kariösem Zahngewebe
zu diesem Zeitpunkt t2 erst der Maximalwert
erreicht.
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Durch einen Vergleich der beiden
Amplitudenwerte kann somit sehr zuverlässig auf den Gesundheitszustand
des Zahngewebes geschlossen werden. Ist das Messsignal zum Zeitpunkt
t2 sehr viel kleiner als zum Zeitpunkt t1, so deutet dies darauf hin, dass das Zahngewebe
gesund ist. Ist hingegen das Messsignal zum Zeitpunkt t2 größer oder
vergleichbar zu dem Messsignal zum Zeitpunkt t1,
so muss auf das Vorhandensein von Karies geschlossen werden.
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In Praxis wird somit der zu untersuchende Zahn
mit Strahlungsanregungspulsen bestrahlt und nach jedem einzelnen
Anregungsstrahlungspuls jeweils zu zwei verschiedenen Zeitpunkten
die Antwortstrahlung erfasst. Diese beiden Messwerte werden dann
miteinander verglichen, wobei das Verhältnis zwischen beiden Werten
das eigentliche Ausgangssignal der Messvorrichtung darstellt.
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Der exakte Bedienablauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erkennen von Karies ist dann folgendermaßen.
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Zunächst wird eine bestimmte Lichtsonde 2 auf
das zahnärztliche
Handstück 1 aufgesetzt.
Im vorliegenden Fall kann zwischen drei unterschiedlichen Lichtsonden,
beispielsweise für
die Untersuchung von glatten Zahnoberflächen, Zahnzwischenräumen oder
Fissuren, gewählt
werden. Wird eine Lichtsonde neu auf das zahnärztliche Handstück 1 aufgesetzt,
kann die entsprechende Lichtsonde zunächst kalibriert werden. Zu
diesem Zweck wird die ausgewählte
Lichtsonde senkrecht mit ihrer Spitze auf zwei Referenzwerkstücke bzw.
Kalibrierstandards mit unterschiedlichen Fluoreszenzwerten aufgesetzt
und nach dem oben beschriebenen Verfahren ein Messwert bestimmt.
Die Referenzwerkstücke können beispielsweise
aus Keramik gefertigt sein. Der Kalibriermodus wird durch Drücken der
Taste 4 eingeleitet, wobei die Taste 4 so lange
gedrückt
gehalten werden muß bis
die Zentraleinheit ein Bestätigungssignal
akustisch ausgibt. Nach erfolgreicher Kalibrierung bezüglich des
ersten Referenzwerkstücks
wird auf ähnliche
Weise die Kalibrierung bezüglich
eines zweiten Referenzwerkstücks
durchgeführt.
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Die sich aus der Kalibrierung ergebenden Kalibrierstandardwerte
werden in einem in nicht flüchtigen
Speicher gespeichert. Wird einer der beiden Kalibrierstandards bzw.
Referenzwerkstücke ausgetauscht,
muß der
entsprechende Kalibrierstandardwert des neuen Referenzwerkstücks neu
eingestellt werden. Zu diesem Zweck wird erneut die Taste 5 gedrückt und
anschließend über den
Ringschalter 9 der bisher eingestellte Kalibrierstandardwert
verändert.
Nach Veränderung
des neuen Kalibrierstandardwertes wird dieser erneut im Speicher
abgelegt.
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Der Typ der auf das zahnärztliche
Handstück 1 aufgesteckten
Lichtsonde muß vor
dem eigentlichen Beginn der Messung zunächst der Vorrichtung mitgeteilt
werden. Dies geschieht durch Betätigen der
Taste 6, wobei abhängig
von der Auswahl eine der drei Leuchtdioden 15a – 15c des
Gehäuses 12 aufleuchtet.
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Vor ihrer Inbetriebnahme wird jede
Lichtsonde 2 zunächst
gegenüber
der Eigenfluoreszenz des zu untersuchenden Zahnes abgeglichen. Da
jeder Zahn eine unterschiedliche Eigenfluoreszenz aufweist, kann
die Eigenfluoreszenz die Messung stören. Zum Abgleichen wird daher
vor Beginn der eigentlichen Karieserkennung ein gesunder Zahn mit der
ausgewählten
Lichtsonde 2 vermessen. Der Abgleichvorgang wird durch
langes Drücken
(beispielsweise eine Sekunde) des Ringschalters 9 auf dem zahnärztlichen
Handstück 1 eingeleitet.
Mit dem Abgleich wird die Momentanmesswertanzeige 13 auf Null
gesetzt.
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Wie bereits erwähnt, wird während des eigentlichen Meßbetriebs
in der Anzeige 13 der jeweilige Momentanmesswert angezeigt,
wobei unter Messwert – wie
oben beschrieben – das
Verhältnis des
Signals zum Zeitpunkt t2 im Vergleich zum
Zeitpunkt t, zu verstehen ist. Dieser Momentanwert wird jeweils
mit dem bisher ermittelten Spitzenwert verglichen und – falls
der Momentanwert den bisherigen Spitzenwert übertrifft – als neuer Spitzenwert gespeichert
und in der Anzeigt 14 dargestellt. Die Anzeige 14 zeigt
somit stets den bisher ermittelten Spitzenwert der Kariesmessung
an. Der Spitzenwert kann jederzeit durch einen kurzen Doppelklick,
d.h. ein Doppelbetätigung
innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, des Ringschalters 9 gelöscht werden.
Nach Beendigung einer ersten Untersuchung des Zahns 24 kann
somit festgestellt werden, ob der untersuchte Zahn kariös ist und
der der Zahnstelle mit dem stärksten
Kariesbefall entsprechende Meßwert
wird als Spitzenwert in der Anzeige 14 angezeigt.
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Nach Beendigung der Untersuchung
des Zahns 24 muß zur
eigentlichen Behandlung der kariösen
Stelle des Zahns 24 die Zahnstelle mit dem stärksten Kariesbefall
wieder aufgefunden werden können.
Dies wird dadurch erreicht, daß der
Zahn 24 erneut mit der Anregungsstrahlung 21 abgetastet und
der in der Anzeige 13 dargestellte Momentanmesswert mit
dem Spitzenwert der Anzeige 14 verglichen wird. Der Vergleich
kann dabei visuell oder automatisch erfolgen. Entspricht der in
der Anzeige 13 angezeigte Momentanmesswert dem in der Anzeige 14 angezeigten
Spitzenwert, so wurde die Zahnstelle mit dem stärksten Kariesbefall wieder
aufgefunden. Um das Auffinden der am stärksten mit Karies befallenen
Zahnstelle zu erleichtern, kann vorgesehen sein, bei dem erneuten
Abtasten des Zahns 24 ein akustisches Signal über einen
(nicht dargestellten) Lautsprecher auszugeben, dessen Frequenz sich
mit veränderndem
Meßwert
erhöht
oder senkt. Alternativ kann vorgesehen sein, daß dieses akustische Signal nur
ausgegeben wird, solange der Meßwert
ansteigt. Auf diese Weise läßt sich
die Stelle mit dem stärksten Kariesbefall
besonders schnell auffinden. Ebenso kann vorgesehen sein, daß das akustische
Signal erst dann ausgegeben wird, wenn der in der Anzeige 13 angezeigte
Meßwert
dem in der Anzeige 14 angezeigten Spitzenwert entspricht. Über die
in 1 gezeigte Taste 7 des
Gehäuses 12 können die
unterschiedlichen akustischen Signalmodi ausgewählt werden. Insbesondere kann
auch über
diese Taste 7 die Ausgabe eines akustischen Signals abgeschaltet werden.
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Wie bereits erwähnt, wird vorteilhafterweise die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erkennen von Karies mit einer Batterie oder einem Akkumulator als
Spannungsquelle betrieben. Während
des Betriebs wird die von der Spannungsquelle abgegebene Versorgungsspannung
regelmäßig durch
eine entsprechende Überwachungseinrichtung überprüft und,
falls die Versorgungsspannung unter einen vorgegebenen Grenzwert
abgesunken ist, die in dem Gehäuse 12 vorgesehene
Leuchtdiode 16 eingeschaltet. Um die Spannungsquelle zu
schonen, verfügt
die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine
automatische Selbstabschaltung, die die Spannungsversorgung unterbricht,
wenn während
eines vorgegebenen Zeitintervalls keine Messung durchgeführt oder
keine Taste betätigt
worden ist. Des weiteren kann eine Einrichtung zur Erfassung der
Gesamtbetriebszeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen
sein.
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Um einen gealterten oder defekten
Laser erkennen zu können,
ist zudem eine Einrichtung vorgesehen, die kontinuierlich den Laserstrom
des Lasers überwacht
und über
einen Lautsprecher ein entsprechendes Warnsignal ausgibt, falls
der erfaßt
Laserstrom unter einen vorgegebenen Grenzwert liegt oder einen vorgegebenen
Grenzwert übersteigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es somit,
auf einfache Weise auf das Vorhandensein von Karies zu schließen. Die
durch Reflexion der Anregungsstrahlung an der Zahnoberfläche auftretenden
Messfehler können
dabei ausgeschlossen werden.