DE9317984U1

DE9317984U1 - Device for detecting caries

Info

Publication number: DE9317984U1
Application number: DE9317984U
Authority: DE
Original assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Current assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2003-11-25

Description

Vorrichtung zum Erkennen von KariesDevice for detecting caries

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies an Zähnen unter Ausnutzung der von den Zähnen bei Bestrahlung mit einer Primär-Strahlung zurückgestrahlten Sekundär-Strahlung. Als Sekundär-Strahlung kommt insbesondere die Fluoreszenzstrahlung in Betracht.The invention relates to a device for detecting tooth decay using the secondary radiation reflected back from the teeth when irradiated with primary radiation. Fluorescence radiation is particularly suitable as secondary radiation.

Eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 4,479,499 bekannt. Die in der US 4,479,499 offenbarte Vorrichtung weist eine Emissionseinrichtung zum Erzeugen einer Primär-Strahlung und eine Detektiereinrichtung zum Auswerten der von dem zu observierenden Zahn zurückgestrahlten Sekundär-Strahlung auf. Als Emissionseinrichtung findet bei der aus der genannten Patentschrift bekannten Vorrichtung eine Lichtquelle im kurzwelligen sichtbaren Spektralbereich vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 410 nm Verwendung. Bei der zurückgestrahlten Sekundär-Strahlung handelt es sich entweder um gegenüber der Anregungsstrahlung langwelligere Fluoreszenzstrahlung oder die Sekundär-Strahlung elastischer Streuprozesse. Die zurückgestrahlte Sekundär-Strahlung wird mittels zweier Photodetektoren aufgezeichnet in deren Strahlengängen sich Bandpaßfilter mit unterschiedlichen spektralen Durchlaßbereichen befinden. Den Transport der Primär- und Sekundär-Strahlung von der Emissionseinrichtung zu dem zu untersuchenden Zahn bzw. von dem zu untersuchenden Zahn zu der Detektiereinrichtung erfolgt über eine Glasfaserleitung.A device for detecting caries according to the preamble of claim 1 is known from US 4,479,499. The device disclosed in US 4,479,499 has an emission device for generating primary radiation and a detection device for evaluating the secondary radiation reflected by the tooth to be observed. The emission device used in the device known from the patent specification mentioned is a light source in the short-wave visible spectral range, preferably with a wavelength of 410 nm. The reflected secondary radiation is either fluorescent radiation with a longer wavelength than the excitation radiation or the secondary radiation of elastic scattering processes. The reflected secondary radiation is recorded by two photodetectors in whose beam paths there are bandpass filters with different spectral passbands. The transport of the primary and secondary radiation from the emission device to the tooth to be examined or from the tooth to be examined to the detection device takes place via a fiber optic cable.

Bei der aus der US 4,479,499 bekannten Vorrichtung wird die unterschiedliche spektrale Intensitätsverteilung im Fluoreszspektrum des zu untersuchenden Zahnschmelzes in kariösen Arealen einerseits und nicht-kariösen Bereichen andererseits ausgenutzt. Fig. 2 zeigt die spektrale Intensitätsverteilung des Fluoreszenzspektrums des zu untersuchenden Zahnschmelzes bei einer Bestrahlung mit einer monochromatischen Primär-Strahlung, die eine Wellenlänge von 406 nm aufweist. Die Intensitätsverteilung der Fluoreszenzstrahlung, die von einem gesunden nichtkariösen Zahnschmelzgewebe emittiert wird, ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. Charakteristisch für die Fluoreszenzstrahlung nichtkariöser Bereiche ist, daß die Intensität stetig mit zunehmender Wellenlänge abnimmt. Die in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 31 versehene Kurve stellt die spektrale Intensitätsverteilung der Fluoreszenzstrahlung dar, wie sie von einem kariösen Areal emittiert wird. Deutlich erkennbar ist das Auftreten mehrerer Maxima in der Intensitätsverteilung. Die vorbekannte Vorrichtung zum Erkennen vonThe device known from US 4,479,499 makes use of the different spectral intensity distribution in the fluorescence spectrum of the enamel to be examined in carious areas on the one hand and non-carious areas on the other. Fig. 2 shows the spectral intensity distribution of the fluorescence spectrum of the enamel to be examined when irradiated with monochromatic primary radiation having a wavelength of 406 nm. The intensity distribution of the fluorescence radiation emitted by healthy non-carious enamel tissue is identified in Fig. 2 with the reference number 30. A characteristic feature of the fluorescence radiation of non-carious areas is that the intensity decreases steadily with increasing wavelength. The curve marked with reference number 31 in Fig. 2 represents the spectral intensity distribution of the fluorescence radiation as it is emitted by a carious area. The occurrence of several maxima in the intensity distribution is clearly visible. The previously known device for detecting

Karies nutzt gezielt die beschriebenen spektralen Unterschiede der Intensitätsverteilungen der Fluoreszenzstrahlung eines nichtkariösen Bereiches und eines kariösen Areals zum Erkennen von Karies. Hierzu wird die zurückgestrahlte Strahlung zwei separaten Photodetektoren zugeführt, die durch vorgeschaltete schmalbandige Filter jeweils für unterschiedliche Spektralbereiche sensitiv sind. Durch eine Vergleichsmessung jeweils im Bereich hoher Intensität der Fluoreszenzstrahlung, wie sie von einem kariösen Areal einerseits und von einem nichtkariösen Bereich andererseits emittiert wird, läßt sich feststellen, ob in dem gerade untersuchten Bereich des Zahns Karies vorliegt. Die Ausgangssignale der beiden Photodektoren werden dazu einer Differenz- oder Quotientenbildung unterworfen und ein Anzeigeelement zeigt das Vorliegen von Karies an, wenn das Ausgangssignal der Differenz- bzw. Quotientenbildungs-Schaltung einen vorgegeben Wert überschreitet.Caries specifically uses the described spectral differences in the intensity distributions of the fluorescence radiation of a non-carious area and a carious area to detect caries. To do this, the reflected radiation is fed to two separate photodetectors, which are each sensitive to different spectral ranges thanks to narrow-band filters connected in front of them. By making a comparison measurement in the area of high intensity of the fluorescence radiation, as emitted by a carious area on the one hand and by a non-carious area on the other, it can be determined whether caries is present in the area of the tooth being examined. The output signals of the two photodetectors are subjected to a difference or quotient formation and a display element shows the presence of caries if the output signal of the difference or quotient formation circuit exceeds a predetermined value.

Bei der bekannten Anordnung zur Karieserkennung ist jedoch nachteilig, daß sie sich nur zur Einzelbetrachtung von Beobachtungsstellen an dem zu untersuchenden Zahn nicht jedoch zur großflächigen Untersuchung der Zahnoberfläche eignet, was zeitaufwendig ist. Darüber hinaus ist das Erkennen nur geringer Spuren von Karies, insbesondere im Frühstadium, nicht oder nur unzureichend ermöglicht.However, the known arrangement for caries detection has the disadvantage that it is only suitable for individual observation points on the tooth being examined, but not for large-scale examination of the tooth surface, which is time-consuming. In addition, the detection of even small traces of caries, especially in the early stages, is not possible or only inadequate.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine besonders empfindliche Einrichtung zum Erkennen von Karies an Zähnen anzugeben, die eine großflächige Beobachtung der zu untersuchenden Zahnoberfläche gestattet.It is therefore the object of the invention to provide a particularly sensitive device for detecting caries on teeth, which allows a large-area observation of the tooth surface to be examined.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved by the characterizing features of claim 1.

Die Emissionseinrichtung für die Primärstrahlung wird erfindungsgemäß in der Weise betrieben, daß die Primärstrahlung nicht kontinuierlich, sondern gepulst während eines Anregungs-Intervalls erzeugt wird. Mit dem lichtempfindlichen Element der Detektiereinrichtung, z.B. einem Detektor oder einer empfindlichen Videokamera, wird die zurückgestrahlte Sekundär-Strahlung dann während eines gegenüber dem Anregungs-Intervall zeitverzögerten Auswerte-Intervalls erfaßt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß kariöse Areale eine deutlich andere Fluoreszenkinetik als gesunder Zahnschmelz zeigen und daher eine Unterscheidung kariöser und nichtkariöser Bereiche auf der Grundlage von Intensitätsunterschieden der emittierten Fluoreszenzstrahlung nach vorgegebener Verzögerungszeit möglich ist. Aufgrund der direkten Messung von Intensitäten der beobachteten Sekundär-Strahlung ohne die Notwendigkeit einer weiteren Signalauswertung durch Differenz- oderThe emission device for the primary radiation is operated according to the invention in such a way that the primary radiation is not generated continuously, but in a pulsed manner during an excitation interval. The light-sensitive element of the detection device, e.g. a detector or a sensitive video camera, then detects the reflected secondary radiation during an evaluation interval that is delayed in time compared to the excitation interval. The invention is based on the knowledge that carious areas show significantly different fluorescence kinetics than healthy tooth enamel and that it is therefore possible to differentiate between carious and non-carious areas on the basis of differences in the intensity of the emitted fluorescence radiation after a predetermined delay time. Due to the direct measurement of intensities of the observed secondary radiation without the need for further signal evaluation by differential or

Quotientenbildung wird der unmittelbare Einsatz einer Videokamera anstelle eines Detektors ermöglicht.Quotient formation enables the direct use of a video camera instead of a detector.

Die Ansprüche 2 bis 20 betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfinung. 5Claims 2 to 20 relate to advantageous developments of the invention. 5

Gemäß Anspruch 2 kann zur Synchronisation des Auswerte-Intervalls auf das Anregungs-Intervall die Emissionseinrichtung einen Impulserzeuger aufweisen, der entsprechend Anspruch 3 den Impuls mittels eines optoelektronischen Wandlers und eines nachgeschalteten Impulsformers unmittelbar aus dem optischen Anregungsimpuls erzeugen kann. Als lichtempfindliches Element der Detektiereinrichtung kann entweder eine Videokamera entsprechend den Ansprüchen 4 bis 7 zur in-situ-Beobachtung der zu untersuchenden Zahnoberfläche und/oder gemäß den Ansprüchen 8 und 9 ein Detektorsystem zur quantitativen Erfassung vorgesehen sein. Hierbei kann entweder entsprechend Anspruch 5 eine spezielle zeitsteuerbare Videokamera verwendet werden oder der Videokamera kann entsprechend Anspruch 6 ein optoelektronisch oder mechanisch arbeitender und auf den Anregungsimpuls synchronisierter Verschluß vorgeschaltet sein. Letzteres gestattet den Einsatz einer konventioneller empfindlichen CCD-Kamera.According to claim 2, in order to synchronize the evaluation interval with the excitation interval, the emission device can have a pulse generator which, according to claim 3, can generate the pulse directly from the optical excitation pulse using an optoelectronic converter and a downstream pulse shaper. The light-sensitive element of the detection device can be either a video camera according to claims 4 to 7 for in-situ observation of the tooth surface to be examined and/or a detector system for quantitative detection according to claims 8 and 9. In this case, either a special time-controlled video camera can be used according to claim 5 or the video camera can be preceded by an optoelectronic or mechanical shutter synchronized with the excitation pulse according to claim 6. The latter allows the use of a conventional sensitive CCD camera.

Zur weiteren Auswertung kann die Videokamera gemäß Anspruch 7 mit einem Video-Sichtgerät und/oder einem Video-Aufzeichnungsgerät verbunden sein. Zur Erzeugung des Anregungspulses eignen sich gemäß Anspruch 10 eine Vielzahl gepulst arbeitender Laser. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Stickstofflasers. Die Emissionseinrichtung kann weiterhin über eine Weißlicht-Quelle verfugen. Dies bietet den Vorteil, daß bei Beobachtung mit der Kamera nicht nur die fluoreszierende Zahnoberfläche, sondern auch andere Bereiche, wie Füllungen, der Kieferbereich oder die Untersuchungsinstrumente sichtbar sind.For further evaluation, the video camera can be connected to a video display device and/or a video recording device according to claim 7. A large number of pulsed lasers are suitable for generating the excitation pulse according to claim 10. The use of a nitrogen laser is particularly advantageous. The emission device can also have a white light source. This offers the advantage that when observed with the camera, not only the fluorescent tooth surface but also other areas such as fillings, the jaw area or the examination instruments are visible.

Zur Übertragung der Primärstrahlung von der Emissionseinrichtung mit dem zu observierenden Zahn und der Sekundär-Strahlung von dem zu observierenden Zahn zu der Detektiereinrichtung eignet sich insbesondere ein Lichtleitersystem entsprechend den Ansprüchen 12 bis 16. Der Lichtleiter kann dabei zwei getrennte Lichtleiterelemente jeweils zur Übertragung der Primär- und Sekundärstrahlung aufweisen.
35A light guide system according to claims 12 to 16 is particularly suitable for transmitting the primary radiation from the emission device to the tooth to be observed and the secondary radiation from the tooth to be observed to the detection device. The light guide can have two separate light guide elements, each for transmitting the primary and secondary radiation.
35

Der Durchlaßbereich eines vor der Kamera bzw. dem Detektor vorzusehenden Filters wird entsprechend Anspruch 20 vorzugsweise so gewählt, daß die Hintergrundstrahlung unterdrückt wird und die Fluoreszenzstrahlung möglichst ungehindert durchtreten kann.The passband of a filter to be provided in front of the camera or the detector is preferably selected in accordance with claim 20 so that the background radiation is suppressed and the fluorescence radiation can pass through as unhindered as possible.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft dargestellt. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown by way of example in the drawing. Show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the invention;

Fig. 2 die spektrale Intensitätsverteilung des Fluoreszensspektrums von kariösen und nichtkariösen Bereichen der zu untersuchenden Zähne;Fig. 2 the spectral intensity distribution of the fluorescence spectrum of carious and non-carious areas of the teeth to be examined;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels derFig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of the

Erfindung;
15Invention;
15

Fig. 4 eine Darstellung des Zeitverlaufs der Fluoreszenzstrahlung, die von kariösen und nichtkariösen Bereichen der zu untersuchenden Zähne emittiert wird;Fig. 4 is a representation of the time course of the fluorescence radiation emitted by carious and non-carious areas of the teeth under examination;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.Fig. 5 is a schematic representation of a third embodiment of the invention.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfmdungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung zum Erkennen von Karies besteht im wesentlichen aus einer Emissionseinrichtung 1 zum Erzeugen von gepulster Primär-Strahlung und einer Detektiereinrichtung 2 zum Erfassen der von dem zu observierenden Zahn zurückgestrahlten Sekundär-Strahlung.Fig. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention. The device for detecting caries essentially consists of an emission device 1 for generating pulsed primary radiation and a detection device 2 for detecting the secondary radiation reflected back from the tooth to be observed.

Die Auswerteeinrichtung 2 umfaßt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kamera 5 und einen Detektor 4, wobei die Kamera zur visuellen Beobachtung der Sekundär-Strahlung und der Detektor zur quantitativen Auswertung derselben vorgesehen sind.In the embodiment shown, the evaluation device 2 comprises a camera 5 and a detector 4, whereby the camera is provided for the visual observation of the secondary radiation and the detector is provided for the quantitative evaluation of the same.

Als Kamera eignet sich sowohl eine gewöhnliche Photokamera als auch eine Videokamera. Die über das Filter 6 in die Detektiereinrichtung 2 eintretende Sekundär-Strahlung wird an einem Strahlteiler 8 aufgeteilt und gelangt sowohl in die Kamera als auch über den Umlenkspiegel 7 in den Detektor 4. Das Filter 6 dient zum Selektieren eines Spektralbereichs mit besonders hoher Intensität der zurückgestrahlten Sekundär-Strahlung und gleichzeitiger Unterdrückung der Hintergrundstrahlung.Both a normal photo camera and a video camera are suitable as a camera. The secondary radiation entering the detection device 2 via the filter 6 is split at a beam splitter 8 and reaches both the camera and the detector 4 via the deflection mirror 7. The filter 6 is used to select a spectral range with a particularly high intensity of the reflected secondary radiation and at the same time suppress the background radiation.

Die Emissionseinrichtung 1 weist eine gepulste Lichtquelle, im dargestellten Ausführungsbeispiel einen pulsbetriebenen Laser 13 auf. Der Pulsbetrieb des Lasers kann z.B. durch die Güteschaltung (Q-Switching) des Laser-Resonators erreicht werden. Als geeigneter Laser kommt insbesondere ein Stickstoff (N2)-Laser, aber auch ein Nd:YAG-Laser oder Krypton-Laser, in Betracht. Die zeitliche Länge der von dem Laser 13 erzeugten Anregungs-Impulse beträgt einige Nanosekunden, typischerweise 20 ns. Die Wiederholfrequenz kann im Bereich zwischen 1 und 100 Hz, vorzugsweise bei etwa 10 Hz, liegen. Die Wellenlänge der Anregungs-Pulsquelle liegt vorzugsweise im blauen bis ultravioletten Spektralbereich, bei einem Stickstofflaser bei 337 nm. Die von der Anregungspulsquelle 13 erzeugten Anregungs-Impulse gelangen über den teildurchlässigen Spiegel 15, der einen geringen Reflexionsfaktor aufweist, und die Fokusierlinse 17 und ggfls. einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 16 an den Ausgang der Emissionseinrichtung 1.The emission device 1 has a pulsed light source, in the illustrated embodiment a pulsed laser 13. The pulsed operation of the laser can be achieved, for example, by Q-switching the laser resonator. A nitrogen (N2) laser, but also an Nd:YAG laser or krypton laser, are particularly suitable lasers. The length of the excitation pulses generated by the laser 13 is a few nanoseconds, typically 20 ns. The repetition frequency can be in the range between 1 and 100 Hz, preferably around 10 Hz. The wavelength of the excitation pulse source is preferably in the blue to ultraviolet spectral range, with a nitrogen laser at 337 nm. The excitation pulses generated by the excitation pulse source 13 reach the output of the emission device 1 via the partially transparent mirror 15, which has a low reflection factor, and the focusing lens 17 and, if necessary, another partially transparent mirror 16.

Die Emissionseinrichtung weist vorzugsweise zur Synchronisation der Emissionseinrichtung 1 und der Detektiereinrichtung 2 einen entsprechenden Impulserzeuger 10-12 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Impulserzeuger aus einer schnellen Photodiode 10, einem nachgeschalteten Verstärker 11 und einem Rechteckpulsformer 12. Die abfallende Flanke des Ausgangsimpulses des Pulsformers 12 kennzeichnet das Ende des Anregungs-Intervalls der Emissionseinrichtung 1. Mittels dieses Synchronisationsimpulses und einer variablen Verzögerungsschaltung 25 ist es möglich, ein Auswerteintervall, in welchem der Detektor 4 und die Kamera 5 sensitiv sind, in Bezug auf das Anregungs-Intervall zeitverzögert einzustellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kommt eine Kamera mit entsprechender Verschlußvorrichtung (z.B. Proxitronic, NCA) zum Einsatz, die lediglich während eines einstellbaren Zeitintervalls aufnahmebereit ist. Die Verzögerung zwischen Anregungs- und Auswerte-Intervall beträgt vorzugsweise etwa 20 ns, die Länge des Auswerte-Intervalls vorzugsweise etwa 10 ns. Der Detektor 4 dient zur quantitativen Auswertung der Intensität der Sekundär-Strahiung. Als Detektor eignet sich insbesondere ein optischer Mehrkanalanalysator (z.B. Hamamatsu IMD C4560). Mit einem optischen Mehrkanalanalysator ist eine ortsauflösende parallele Mehrkanalauswertung möglich. Die Auswertung kann in der nachgeschalteten quantitativen Erfassungsschaltung 22 z.B. in der Weise vorgenommen werden, das die von dem Detektor erfaßten Intensitäten der Sekundär-Strahiung erfaßt und mit einem Schwellwert verglichen werden. Bereiche mit abweichender Intensität der Sekundär-Strahiung deuten auf das Vorliegen von Karies hin.The emission device preferably has a corresponding pulse generator 10-12 for synchronizing the emission device 1 and the detection device 2. In the embodiment shown, the pulse generator consists of a fast photodiode 10, a downstream amplifier 11 and a square-wave pulse former 12. The falling edge of the output pulse of the pulse former 12 marks the end of the excitation interval of the emission device 1. Using this synchronization pulse and a variable delay circuit 25, it is possible to set an evaluation interval, in which the detector 4 and the camera 5 are sensitive, with a time delay in relation to the excitation interval. In the embodiment shown, a camera with a corresponding shutter device (e.g. Proxitronic, NCA) is used, which is only ready to record during an adjustable time interval. The delay between the excitation and evaluation interval is preferably about 20 ns, the length of the evaluation interval is preferably about 10 ns. The detector 4 is used for the quantitative evaluation of the intensity of the secondary radiation. An optical multi-channel analyzer (e.g. Hamamatsu IMD C4560) is particularly suitable as a detector. With an optical multi-channel analyzer, a spatially resolving parallel multi-channel evaluation is possible. The evaluation can be carried out in the downstream quantitative detection circuit 22, for example, in such a way that the intensities of the secondary radiation detected by the detector are recorded and compared with a threshold value. Areas with a deviating intensity of the secondary radiation indicate the presence of caries.

Die von der Emissionseinrichtung 1 emittierte Primärstrahlung gelangt in dem mit Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über ein Glasfasersystem 23,24 zu dem zu untersuchenden Zahn 3. Das Glasfasersystem 23,24 weist dabei zwei optisch getrennte Lichtleiterelemente 23,24 zum einen zur Übertragung des von der Emissionseinrichtung &dgr; emittierten Anregungsimpulses zu dem untersuchenden Zahn 3 und zum anderen zur Übertragung der von dem Zahn 3 emittierten Sekundär-Strahlung zur der Detektiereinrichtung 2 auf. Das Lichtleiterelement 24 kann in bekannter Weise ein geordnetes, kohärentes zur Bildübertragung geeignetes Faserbündel aufweisen. Ferner kann das Lichtleiterelement 23 gegenüber dem Lichtleiterelement 24 verschiebbar ausgeführt sein, um bei gleichbleibendem Betrachtungsabstand den Lichtleiter 23 näher an den zu untersuchenden Zahn heranzuführen und einzelne Stellen des Zahns 3, z.B. eine Kaverne 19, näher untersuchen zu können. Der zu untersuchende Zahn 3 wird somit im Bereich des Strahlbündels 26 mit der Primär-Strahlung beleuchtet.In the embodiment shown in Fig. 1, the primary radiation emitted by the emission device 1 reaches the tooth 3 to be examined via a glass fiber system 23, 24. The glass fiber system 23, 24 has two optically separated light guide elements 23, 24, firstly for transmitting the excitation pulse emitted by the emission device δ to the tooth 3 to be examined and secondly for transmitting the secondary radiation emitted by the tooth 3 to the detection device 2. The light guide element 24 can have an ordered, coherent fiber bundle suitable for image transmission in a known manner. Furthermore, the light guide element 23 can be designed to be displaceable relative to the light guide element 24 in order to bring the light guide 23 closer to the tooth to be examined while maintaining the same viewing distance and to be able to examine individual parts of the tooth 3, e.g. a cavity 19, in more detail. The tooth 3 to be examined is thus illuminated with the primary radiation in the area of the beam bundle 26.

Die von dem zu untersuchenden Zahn 3 zurückgestrahlte Sekundär-Strahlung gelangt somit über das Lichtleiterelement 24 an den Eingang der Detektiereinrichtung 2 und weiter wie bereits beschrieben nach Durchtritt durch das Filter 6 über das Spiegelsystem 7 und 8 an den Detektor 4 und die Videokamera 5. Die Videokamera 5 dient zur insitu-Beobachtung des zu untersuchenden Zahns 3 während des verzögerten Auswerte-Intervalls. Das Videoausgangssignal der Videokamera 5 kann unmittelbar mittels eines Video-Sichtgerätes 20 beobachtet und mittels eines Video-Aufzeichnungsgerätes 21 aufgezeichnet werden. Insbesondere bei geringer Intensität der Sekundär-Strahlung oder geringem Signal/Rausch-Abstand kann es vorteilhaft sein, das Videosignal einer Integration oder Mittelwertbildung in einem elektronischen Bildspeicher 27 zu unterwerfen.The secondary radiation reflected by the tooth 3 to be examined thus reaches the input of the detection device 2 via the optical fiber element 24 and then, as already described, after passing through the filter 6 via the mirror system 7 and 8 to the detector 4 and the video camera 5. The video camera 5 is used for in-situ observation of the tooth 3 to be examined during the delayed evaluation interval. The video output signal of the video camera 5 can be observed directly using a video display device 20 and recorded using a video recording device 21. In particular, if the intensity of the secondary radiation is low or the signal-to-noise ratio is low, it can be advantageous to subject the video signal to integration or averaging in an electronic image memory 27.

Die Einkopplung der von der Anregungs-Pulsquelle 13 emittierten Primär-Strahlung in das Lichtleiterelement 23 erfolgt über einen Eingangskoppler 18 und die Fokusierlinse 17. Um nichtfluoresziende Gegenstände, wie z.B. Behandlungs- und Untersuchungsinstrumente, Zahnfüllungen oder den Kieferbereich sichtbar zu machen, kann die Emissionseinrichtung 1 weiterhin über eine Weißlicht-Quelle 14, z.B. eine Halogenlampe oder eine Quecksilberlampe verfügen. Sowohl die Emissionseinrichtung 1 als auch die Detektiereinrichtung 2 sollten vorzugsweise von einem lichtdichten Gehäuse 28 bzw. 29 umschlossen sein.The coupling of the primary radiation emitted by the excitation pulse source 13 into the light guide element 23 takes place via an input coupler 18 and the focusing lens 17. In order to make non-fluorescent objects, such as treatment and examination instruments, dental fillings or the jaw area visible, the emission device 1 can also have a white light source 14, e.g. a halogen lamp or a mercury lamp. Both the emission device 1 and the detection device 2 should preferably be enclosed by a light-tight housing 28 or 29.

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In Fig. 3 ist ein weites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei bereits anhand von Fig. 1 erläuterte Elemente mit den dort verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind. Eine diesbezügliche detaillierte Beschreibung erübrigt sich daher.Fig. 3 shows a further embodiment of the invention, whereby elements already explained with reference to Fig. 1 are designated with the reference numerals used there. A detailed description in this regard is therefore unnecessary.

Zur weiteren Vereinfachung wurde lediglich das Kamera-System dargestellt. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel findet eine externe, der Kamera 5 vorgesetzte Verschlußeinrichtung 40, Verwendung. Als Kamera 5 kann daher eine handelsübliche, jedoch im roten Spektralbereich sehr empfindliche CCD-Kamera verwendet werden. An den Verschluß (Shutter) 40 sind bezüglich der Schaltgeschwindigkeit aufgrund der Kürze des Auswerte-Intervalls von vorzugsweise 10 ns hohe Anforderungen zu stellen. Vorzugsweise eignen sich schnell arbeitende optoelektronische Verschlußeinrichtungen.For further simplification, only the camera system is shown. In contrast to the embodiment shown in Fig. 1, an external shutter device 40 is used, which is placed in front of the camera 5. A commercially available CCD camera, which is very sensitive in the red spectral range, can therefore be used as camera 5. High demands are placed on the shutter 40 in terms of switching speed due to the short evaluation interval of preferably 10 ns. Fast-acting optoelectronic shutter devices are preferably suitable.

Anhand von Fig. 4 soll die der Erfindung zugrunde liegende Kinetik der Fluoreszenzstrahlung erläutert werden. Dargestellt ist die Fluoreszenzstrahlung (Sekundär-Strahlung) bei vorhergehender Anregung mit ultrakurzen Lichtpulsen (Primär-Strahlung). Aufgetragen sind jeweils die Intensitäten der Fluoreszenzstrahlung gegenüber der Verzögerungszeit nach Abklingen des Anregungspulses. Die mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnte Kurve entspricht der Fluoreszenzstrahlung eines nichtkariösen, gesunden Zahngewebes, während die mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnete Kurve Fluoreszenzstrahlung eines kariösen Zahnbereiches darstellt.The kinetics of the fluorescence radiation on which the invention is based are explained using Fig. 4. The fluorescence radiation (secondary radiation) is shown after previous excitation with ultra-short light pulses (primary radiation). The intensities of the fluorescence radiation are plotted against the delay time after the excitation pulse has died down. The curve marked with the reference number 41 corresponds to the fluorescence radiation of a non-carious, healthy tooth tissue, while the curve marked with the reference number 42 represents the fluorescence radiation of a carious tooth area.

Die Fluoreszenz wird durch Anregung endogener Fluorophore erzeugt. Es zeigt sich, daß kariöse Areale eine deutlich andere Fluoreszenzkinetik als Dentin- oder Zahnschmelz aufweisen. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung gesunder, nichtkariöser Bereiche ist zwar anfänglich größer als die Intensität kariöser Zahn-Areale, jedoch klingt die Fluoreszenintensität von gesundem Zahngewebe gegenüber der Fluoreszenzintensität von kariösen Arealen wesentlich schneller ab. Dieser Effekt wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch ausgenutzt, daß die von dem Zahn emittierte Fluoreszenzstrahlung (Sekundär-Strahlung) in einem verzögerten Zeitfenster (Auswerteintervall) untersucht wird, in welchem sich die Intensitäten des gesunden und kariösen Zahngewebes deutlich unterscheiden. Während im Zeitintervall 43 die Fluoreszenzintensität 41 vom gesunden Zahngewebe größer ist als die Fluoreszenzintensität von kariösen Arealen, sind die Verhältnisse in dem Zeitintervall 44 gerade umgekehrt. Die Zeitintervalle 43 und 44 sind daher beide prinzipiell als Auswerte-Intervalle geeignet; vorzugsweise ist jedoch ein Auswerte-Intervall mit einer Verzögerungszeit von zumindest 20 ns gegenüber dem Anregungsimpuls zu verwenden.The fluorescence is generated by stimulating endogenous fluorophores. It turns out that carious areas have significantly different fluorescence kinetics than dentin or tooth enamel. The intensity of the fluorescence radiation of healthy, non-carious areas is initially greater than the intensity of carious tooth areas, but the fluorescence intensity of healthy tooth tissue decays much more quickly than the fluorescence intensity of carious areas. This effect is exploited in the present invention by examining the fluorescence radiation emitted by the tooth (secondary radiation) in a delayed time window (evaluation interval) in which the intensities of the healthy and carious tooth tissue differ significantly. While in the time interval 43 the fluorescence intensity 41 of the healthy tooth tissue is greater than the fluorescence intensity of carious areas, the situation in the time interval 44 is exactly the opposite. The time intervals 43 and 44 are therefore both suitable in principle as evaluation intervals; however, an evaluation interval with a delay time of at least 20 ns compared to the excitation pulse should preferably be used.

An dieser Stelle muß betont werden, daß ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung darin zu sehen ist, daß zur Auswertung unmittelbar Intensitätsunterschiede herangezogen werden können, die mittels einer Kamera unmittelbar sichtbar gemacht werden können. Eine Differenz- oder Quotientenbildung, die bei Beobachtung mit einer elektronischen Kamera in einem Bildspeicher vorgenommen werden müßte und einen erheblichen Rechenaufwand erfordern würde, erübrigt sich daher.At this point, it must be emphasized that a significant advantage of the present invention is that intensity differences that can be made immediately visible using a camera can be used for evaluation. A difference or quotient calculation, which would have to be carried out in an image memory when observing with an electronic camera and would require considerable computing effort, is therefore unnecessary.

In Fig. 5 ist ein weites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bereits beschriebene Elemente sind mit den bereits verwendeten Bezugszeichen bezeichnet.Fig. 5 shows a further embodiment of the present invention. Elements already described are designated with the reference numerals already used.

Sowohl zur Übertragung der Primär-Strahlung als auch zur Übertragung der Sekundär-Strahlung findet in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein gemeinsamer Lichtleiter 50 Verwendung. Der Lichtleiter 50 hat den gleichen Aufbau wie das Lichtleiterelement 24 in den Figuren 1 und 3, d.h. der Lichtleiter 50 besteht aus einem kohärenten, geordneten Faserbündel, bei dem die einzelnen Fasern an der Eintritts- und der Austrittsfläche in gleicher Weise angeordnet sind. Der Lichtleiter 50 eignet sich daher in gleicher Weise wie das Lichtleiterelement 24 zur Bildübertragung. Die Primär-Strahlung wird mittels einer Kondensorlinse 51 gebündelt und über einen teildurchlässigen Spiegel 52 dem Lichtleiter 50 zugeführt. Die Austrittsfläche des Lichtleiters 50 kann mit einer Linse 53 versehen sein, die die Abbildungsfunktion des Bildleiters 50 verbessert. Vorteilhaft ist insbesondere die Verwendung eines Lichtleiters hoher Apertur, da auf diese Weise mehrere Zähne gleichzeitig untersucht werden können. Die von dem oder den nicht dargestellten Zahn oder Zähnen zurückgestrahlte Sekundär-Strahlung wird ebenfalls in dem Lichtleiter 50 geführt und gelangt über den Teilspiegel 52 und die Feldlinse 54 an den Eingang der Detektiereinrichtung 2. Mit dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es daher möglich, einen konventionellen Bildleiter für die Übertragung sowohl der Primär- als auch der Sekundär-Strahlung zu verwenden.In the embodiment shown, a common optical fiber 50 is used both for transmitting the primary radiation and for transmitting the secondary radiation. The optical fiber 50 has the same structure as the optical fiber element 24 in Figures 1 and 3, i.e. the optical fiber 50 consists of a coherent, ordered fiber bundle in which the individual fibers are arranged in the same way on the entrance and exit surfaces. The optical fiber 50 is therefore suitable for image transmission in the same way as the optical fiber element 24. The primary radiation is bundled by means of a condenser lens 51 and fed to the optical fiber 50 via a partially transparent mirror 52. The exit surface of the optical fiber 50 can be provided with a lens 53 which improves the imaging function of the image guide 50. The use of an optical fiber with a high aperture is particularly advantageous, since this allows several teeth to be examined simultaneously. The secondary radiation reflected by the tooth or teeth (not shown) is also guided in the light guide 50 and reaches the input of the detection device 2 via the partial mirror 52 and the field lens 54. With the embodiment shown in Fig. 5, it is therefore possible to use a conventional image guide for the transmission of both the primary and the secondary radiation.

Claims

• · Protection claims

1. Device for detecting caries on teeth, with an emission device (1) for generating primary radiation of a predetermined wavelength, which is directed at the tooth (3) to be observed, and an evaluation device (2) for detecting the secondary radiation reflected by the tooth (3) to be observed with a light-sensitive element (4, 5) in the spectral range of the reflected secondary radiation, characterized in that

that the emission device (1) generates the primary radiation in a pulsed manner during an excitation interval, and
that the light-sensitive element (4,5) of the detection device (2) is only sensitive during an evaluation interval which is delayed with respect to the excitation interval.

2. Device according to claim 1,
characterized,

that the emission device (1) has a pulse generator (10-12) for generating a control pulse synchronous with the excitation interval and that the control pulse is fed to the detection device.

3. Device according to claim 2,
characterized,

that the pulse generator has an optoelectronic converter (10), in particular a photodiode, and a downstream pulse shaper (12).

4. Device according to one of claims 1 to 3,
characterized,

that the light-sensitive element is a camera, in particular a video camera (5).

5. Device according to claim 4,
characterized,

that the camera (5) is time-controlled and is only ready to record during the evaluation interval.

6. Device according to claim 4,
characterized,

that an optoelectronic or mechanically operating shutter (40) is provided in front of the camera (5).
5

7. Device according to one of claims 4 to 6,
characterized,

that the camera (5) is connected to a viewing device (20) and/or a recording device (21) and/or an image memory (27).
10

8. Device according to one of claims 1 to 7,
characterized,

that the light-sensitive element has a detector (4) for quantitatively detecting the intensity of the secondary radiation.
15

9. Device according to claim 8,
characterized,

that the detector (4) has an optical multi-channel analyzer (OMA) for spatially resolved evaluation.
20

10. Device according to one of claims 1 to 9,
characterized,

that the emission device (1) has a laser (13), in particular a nitrogen laser, an Nd:YAG laser or a krypton laser, as a pulsating light source.

11. Device according to claim 10,
characterized,

that the emission device (1) further comprises a white light source (14), in particular a halogen lamp or mercury vapor lamp.

12. Device according to one of claims 1 to 11,
characterized,

that a light guide (23, 24), in particular a glass fiber light guide, is provided for transmitting the primary radiation from the emission device (1) to the tooth (3) to be observed and/or the secondary radiation from the tooth (3) to be observed to the detection device (2).

13. Device according to claim 12, characterized in that two, in particular coaxially structurally combined and optically isolated, optical fiber elements (23, 24) are provided in the optical fiber for the separate transmission of the primary and secondary radiation.

14. Device according to claim 13, characterized in that the light guide element (24) for transmitting the secondary radiation is formed by an image guide having an ordered, coherent fiber bundle.

15. Device according to claim 13 or 14, characterized in that the light guide elements (23, 24) are arranged to be axially displaceable relative to one another.

16. Device according to one of claims 12 to 15, characterized in that a condenser lens (51) is provided for coupling the primary radiation into the light guide (50) and a partially transparent mirror (52) and/or a field lens (54) is provided for coupling the secondary radiation out of the light guide (50).

17. Device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the beginning of the evaluation interval is delayed by about 20 ns compared to the end of the excitation interval.

18. Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the length of the excitation interval is approximately 20 ns and the length of the evaluation interval is approximately 10 ns.

19. Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the wavelength of the primary radiation is in the range between 300 nm and 500 nm.

20. Device according to one of claims 1 to 19,

characterized,

that a filter (6) is placed in front of the light-sensitive element (4, 5), the passage range of which lies in the range of the fluorescence radiation of the tooth enamel (3) to be observed, in particular in the range of the maximum of the spectral distribution of the fluorescence radiation emitted by a carious area (19) of the tooth enamel.