JP2017533000A - レーザ投影を用いる歯科用表面撮像装置 - Google Patents

Abstract

歯の輪郭画像を得るための口腔内撮像装置は、縞パターン照射を放出するように始動可能な縞パターン発生器を有する。縞パターン発生器は、（ｉ）パターン形成された光ビームを放出するように始動可能な少なくとも１つの構造化された光源と、（ｉｉ）放出されたパターン形成された光ビームの経路にあり、縞パターン照射として歯の表面に沿った放出されたパターン形成された光ビームを走査するために、軸の周りを回転するよう作動可能な、少なくとも１つの反射素子とを有する。検出器は、歯の表面から縞パターン照射の１つ以上の画像を取得するように構成される。制御論理プロセッサは、歯を照射し、検出器によって取得された１つ以上の像を得て処理するために、縞パターン発生器を制御するように構成される。

Description

本開示は、概して、構造化された光を利用する診断用の撮像の分野に関し、より詳細には、走査される構造化された光源からの縞パターン投影を利用して、歯及び他の構造物の表面を３次元で撮像するための方法に関する。

縞投影撮像は、パターン形成又は構造化された光を利用して、様々なタイプの構造物の表面の輪郭情報を得るものである。縞投影撮像では、干渉縞又は格子の線のパターンを、所与の方向から対象物の表面に向けて投影する。次いで、輪郭線の出現に基づいて表面情報を分析するために、三角測量法を利用して、表面から投影されたパターンを輪郭画像として別の方向から見る。位相シフトは、新しい位置で追加の測定を行うために、投影されたパターンが増加的に空間的にシフトされるものであり、縞投影撮像の一部として典型的に用いられ、表面の輪郭のマッピングを完了し、輪郭画像の全体的な解像度を上げるために利用されている。

縞投影撮像は、固体の特に不透明な対象物の表面の輪郭撮像で効果的に利用され、人体の一部の表面の輪郭を撮像し、皮膚構造に関する詳細なデータを得るために利用されてきた。しかし、いくつかの技術的障害により、歯の縞投影撮像を効果的に利用することが複雑化している。歯の表面撮像に関する１つの特定の課題は、歯の半透明性に関するものである。半透明（ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ又はｓｅｍｉ−ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ）の物質は、概して、縞投影撮像で特に問題を引き起こすことが知られている。半透明の構造物における表面下の散乱は、全体の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比が低下し、光強度をシフトさせ、高さのデータが不正確になる可能性がある。別の問題は、様々な歯の表面の高レベルの反射に関するものである。高反射性物質、特に中空の反射性構造物は、この種の撮像のダイナミックレンジを低減する作用がある場合がある。

光学の観点から見ると、歯自体の構造により、縞投影撮像のためのいくつかのさらなる課題が提示される。前述のように、歯の表面の下を透過する光は、半透明な歯の物質内で著しい散乱を経る傾向がある。さらに、歯の表面の下にある不透明なフィーチャからの反射が生じ、検知された信号を劣化させる雑音を加え、そのため歯の表面分析の作業をさらに複雑にすることがある。

縞投影を歯の輪郭撮像で実行可能にするために試みられてきた１つの矯正手段が、歯の表面自体の反射特性を変化させるコーティングを用いるものである。この点では、歯が比較的半透明であることによって生じる問題を補うため、いくつかの従来の歯の輪郭撮像システムで、表面輪郭撮像の前に歯の表面に塗料又は反射性粉末を用いている。縞投影撮像の目的では、この追加されたステップは、歯の不透明度を高めて、先に述べた散乱光の影響を除去又は低減する。しかし、この種のアプローチには欠点がある。コーティング用の粉末又は液体を用いるステップにより、歯の輪郭撮像のプロセスにコストと時間が追加される。多くの場合、コーティング層の厚さが歯の表面全体にわたって均一ではないため、測定誤差が生じやすい。より重要なことに、用いられたコーティングにより輪郭の撮像が容易になるが、歯の他の問題が隠される傾向があり、そのため得ることのできる情報の全体量が減少する場合がある。

しかし、コーティングなどのタイプの歯の表面調整を利用する場合でも、歯の表面の際立った輪郭に起因して、失望させる結果となる場合がある。歯の表面すべてに光を十分な量当てて、そこから反射した光を検知することが困難な可能性がある。歯の異なる表面は、互いに対して９０度の方向に向くことがあり、歯のすべての部分を正確に撮像するのに十分な光を導くことが困難となる。さらに、患者の口に合う十分にコンパクトなカメラから、歯の表面にくっきりと焦点を当てるパターンを投影することは困難である。

歯の構造撮像の問題に、構造化された光による表面プロファイリング技術を適合させるために、いくつかの試みがなされてきた。例えば、Ｍａｓｓｅｎ ｅｔ ａｌ．の「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｂｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｏｆ Ｔｅｅｔｈ」と題する米国特許第５，３７２，５０２号は、歯の表面に投影するためにストライプのパターンを形成するＬＣＤマトリックスを使用することを記載している。同様の手法が、Ｏ’Ｋｅｅｆｅ ｅｔ ａｌ．の「Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ ｆｏｒ ３−Ｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃａｍｅｒａ」と題する米国特許出願公開第２００７／００８６７６２号に記載されている。Ｔｒｉｓｓｅｌの「Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｒａ−Ｏｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ」と題する米国特許第７，３１２，９２４号は、三角測量法及び偏光を利用して歯の表面をプロファイリングする方法を記載しているが、操作のため蛍光コーティングを用いることが必要である。同様に、Ｐｆｅｉｆｆｅｒ ｅｔ ａｌ．の「３−Ｄ Ｃａｍｅｒａ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｉｎ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｆｏｒ Ｄｅｎｔａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅｓ」と題する米国特許第６，８８５，４６４号は、三角測量法を用いた歯科用撮像装置を開示しているが、同様に撮像のために歯の表面に不透明な粉末を用いる必要がある。Ｐｆｅｉｆｆｅｒ ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，８８５，４６４号は、撮像用の光ビーム群を提供する口腔内カメラについて記載している。ＬｉｍによるＷＯ２０１１／１４５７９９には、走査されるレーザ光を利用する３−Ｄスキャナが記載されている。

この目的のためにコーティングの追加といった歯の表面の調整を用いる必要なく、歯の表面の正確な輪郭撮像を提供する装置及び方法は、再建歯科医術を促進するのに役立ち、また、固有のコストを低減し、従来の方法の欠点、例えばクラウンやインプラントなどの修復用構造物のための鋳型又は他の表面プロファイルを得るための方法の欠点を減らすのに役立ち得ることを理解されたい。

米国特許第５，３７２，５０２号公報 米国特許出願公開第２００７／００８６７６２号公報 米国特許第７，３１２，９２４号公報 米国特許第６，８８５，４６４号公報 国際公開２０１１／１４５７９９号パンフレット

本発明の目的は、口腔内評価のための歯科用撮像技術を進歩させることである。本発明の特徴は、焦点が良好で、十分な輝度の光を歯の輪郭撮像の作業で用いることである。

本発明の装置及び方法によって提供される利点は、従来の輪郭撮像法を越える歯の表面の撮像の改善と低コストに関連する。例えば、従来の方法と異なり、輪郭撮像のための準備段階として、粉末や他の不透明な物質を歯に用いる必要がない。

これらの目的は、説明的な例としてのみ与えられ、そのような目的は、本発明の１つ以上の実施形態の例示である場合がある。これにより本質的に達成される他の望ましい目的及び利点は、当業者には明らかであり、又は明らかになるであろう。本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

本開示の一態様によれば、歯の輪郭画像を得るための口腔内撮像装置であって、縞パターン照射を放出するために始動可能な縞パターン発生器であって、（ｉ）パターン形成された光ビームを放出するように始動可能な少なくとも１つの構造化された光レーザダイオードと、（ｉｉ）放出されたパターン形成された光ビームの経路にあり、縞パターン照射として、歯の表面に沿った放出されたパターン形成された光ビームを走査するために、軸の周りを回転するよう作動可能な、少なくとも１つの反射素子とを含む縞パターン発生器、歯の表面から縞パターン照射の１つ以上の像を取得するように構成された検出器、及び歯に照射するための縞パターン発生器を制御し、検出器が取得した１つ以上の像を得て処理するように構成された制御論理プロセッサを含む装置が提供される。

本発明の前述の目的、特徴、及び利点や、他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に示されている本発明の実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

図面の要素は、必ずしも互いに縮尺を合わせていない。基本的な構造上の関係や操作の原理を強調するために、幾分誇張することが必要な場合がある。記載された実施形態を実施するために必要とされるいくつかの従来の構成要素、例えば、電力を供給するために、パッケージングのために、及びシステムの光学系を取り付けて保護するために使用される支持用構成要素は、説明を簡略化するために図面には示していない。

歯の輪郭撮像用の口腔内撮像装置を示す。 歯の輪郭撮像用に縞パターンを得るためにカメラを使用することを示す。 カメラの構成要素を含む、本開示の実施形態による口腔内撮像装置を示す概略ブロック図である。 カメラの縞発生器の構成要素を含む、口腔内撮像装置を示す概略ブロック図である。 カメラの切欠図である。 投影されたパターンを示す平面図である。 歯のモデルに投影されたパターンを示す。 直交軸の周りを回転可能なミラーを有する走査装置を示す。 単一軸の周りを回転可能なミラーを有し、いくつかの角度の増加各々で線を投影する走査装置を示す。 単一軸の周りを回転可能なミラーを有し、いくつかの角度の増加各々で線を投影する走査装置を示す。 単一軸の周りを回転可能なミラーを有し、いくつかの角度の増加各々で線を投影する走査装置を示す。 単一軸の周りを回転可能なミラーを有し、いくつかの角度の増加各々で線を投影する走査装置を示す。 パターン生成間及び撮像間に各々の線を形成するための像の取り込み、ミラーのインデックス付け、及びレーザ照射の比較されるタイミングを示すタイミング図である。 縞パターンの結果を用いてコンピュータ操作された例示的な歯の表面を示す。 本開示の代替の実施形態による口腔内撮像装置を示す概略図である。 本開示の実施形態による縞パターン投影のために使用できる代替のパターンを示す。 本開示の実施形態による縞パターン投影のために使用できる代替のパターンを示す。 本開示の実施形態による縞パターン投影のために使用できる代替のパターンを示す。 本開示の実施形態による縞パターン投影のために使用できる代替のパターンを示す。 本開示の実施形態による縞パターン投影のために使用できる代替のパターンを示す。

以下は例示的な実施形態の詳細な説明であり、図面を参照するが、いくつかの図面の各々で、同じ参照番号は、構造物の同じ要素を表している。

別途指定しない限りは、本開示の文脈で使用する場合、「第１」、「第２」などの用語は必ずしも何らかの序数、順序又は優先性という関係を示すものではなく、単にあるステップ、要素、又は要素のセットを別のものとより明確に区別するために使用している。

本明細書で使用するとき、「始動可能」という用語は、電力を受け取ったとたん、及び任意選択で、許可信号を受信したとたん、指示された機能を実行する、デバイス又は構成要素のセットに関する。「作動可能」という用語は通例の意味を有し、刺激に応答して、例えば電気信号に応答して処理を実行することができるデバイス又は構成要素に関する。

本開示の文脈で、「縞パターン照射」という用語は、縞投影撮像又は「輪郭」撮像で利用する、構造化された照射の類を記載するために使用している。縞パターン自体は、所定の空間周波数及び時間周波数を有する照射領域にわたって分布される、１つ以上の線、円、曲線などの幾何学形状を、パターンの特徴として含むことができる。輪郭撮像で使用する縞パターンの１つの例示的なタイプは、対象である表面に投影された光の等間隔の線のパターンである。

構造化された照射のパターンにおける光の２本の線、光の線の部分、又は他のフィーチャは、それらの線の幅が線の長さにわたり＋／−１５パーセント以内で同一である場合、実質的に「寸法上均一」であるとみなすことができる。後により詳細に説明するように、構造化された照射のパターンの寸法の均一性を利用して、均一な空間周波数を維持する。

本開示の文脈で、線は、その曲率半径が像の長さ又は幅の寸法よりも小さい場合、曲線であるとみなすことができる。

「構造化された光レーザ」という用語は、レーザ自体が発生した単一の細いレーザビームを走査するというよりも、むしろ、表面に光のパターンを投影する、パターン形成された光ビームを放出するための一体型光学系を含むソリッドステートのレーザ光放出体であり、かつ、放出される光のすべてを光軸に沿って平行に導くソリッドステートのレーザ光放出体を表す。よく知られている１つの種類の構造化された光レーザは、「ラインレーザ」、つまり点での出力ではなく線での出力を投影するようにビームを調整する１つ以上の光学素子を含む光学系のレーザである。構造化された光レーザの光学素子は、通常、レーザと一体化される。

レーザ光源からのパターン形成された光ビームは、光軸を通る断面で考えると、２方向のパターンを有する出力ビームを投影する。パターン形成された光ビームは、ビームの経路の光軸沿いに配置された表面に可視の幾何学パターンを投影するが、表面は光軸に少なくとも部分的に直交している。投影される幾何学パターンは、光軸に平行ではなく、また直交していない少なくとも１つの方向で、レーザの光軸から離れるように延伸する。パターン形成された光ビームは、後に説明する図面で示すように、線のパターンを提供することができる。あるいは、パターン形成された光ビームは、例えば複数の線のセットというパターン、１本の曲線又は複数の曲線のセットというパターン、あるいは光の点のパターンで提供することができる。

本開示の文脈では、「光学系」という用語は、概して、光ビームを整形するために使用する、屈折、回折及び反射に関わるレンズなどの構成要素を指すために使用している。

背景技術の部分で前述したように、縞投影撮像のための従来のアプローチは、いくつかの理由により、歯の組織に頻繁に期待外れの結果をもたらす。本発明の装置及び方法は、縞パターンの生成及び検出のために構造化された光源及び一軸走査法を用いることにより、縞パターン照射で縞投影撮像を利用するとき歯の像を得る問題に対処する。本開示の技術は、特に起伏がある歯の表面への光の送達を改善する。

図１Ａを参照すると、１本以上の歯２０の輪郭撮像のための口腔内撮像装置１０が示されており、この装置はプローブの形態である口腔内カメラ１８を含んでいる。カメラ１８は、有線又は無線のデータ通信チャネルを介して、コンピュータ４０と通信する。コンピュータ４０は投影された縞パターンから画像を得る。コンピュータ４０は画像を処理し、出力画像データを提供する。そのデータは、データファイルとして記憶され、ディスプレイ４２に表示し得る。図１Ｂに示すように、カメラ１８は、挿入図Ｂに示すような、歯２０の表面に沿った線５８又は他のフィーチャの放出されたパターン５４を走査するプロジェクタを含む。次いで、カメラ１８は、結合して歯の表面に関する輪郭情報を示すことができる多数の像を得るために、走査中に周期的に像を取り込む。本開示の輪郭撮像用の構成要素は、反射像又は蛍光撮像を利用する標準的な撮像も提供するカメラに組み込むことができる。本開示の実施形態によれば、歯の表面に沿った放出されたパターン形成された光ビームの走査が継続的であるため、カメラ１８を規則的な間隔で作動させ、投影された線の連続する像を得る。本開示の代替的な実施形態によれば、インデックス付け又は段階的シーケンスが利用され、それにおいては、走査パターン５４が連続する像の取り込みによって形成され、各像は、連続する等間隔の位置の各々で、短い間隔で、パターン投影を停止した所で取得する。したがって、図１Ｂの例示的な走査パターン５４では、各々の線５８が別々に投影され、３０ｍｓｅｃ隔てているなどの、異なる時間に撮像され、互いに像を登録して結合する。

図２の概略ブロック図を参照すると、構造化された光照射を利用して歯２０から表面の輪郭情報を得るための口腔内撮像装置１０の実施形態が、より詳細に示されている。カメラ１８では、縞パターン発生器１２が始動され、縞パターン照射として構造化された光を形成し、このようにして、ビーム方向又は照射経路８６に沿った光軸Ａ_０を有する、歯２０に向けた入射光として形成した、構造化された光を投影する。パターン形成された光は歯２０の表面に沿って走査される。歯２０から反射して散乱した光は、結像レンズ２２を介して検出器３０に提供される。検出器３０は、検出経路８８沿いの、結像レンズ２２の像のある面に配置される。制御論理プロセッサ３４は、検出器３０からのフィードバック情報を受け入れ、このデータ及び他のデータに応じて、後にさらに詳細に説明するように、投射された像の位置を変更することや、像を周期的に取り込むことなどのパターン発生器１２の操作を実行するように作動可能である。

縞投影撮像用の制御論理プロセッサ３４の１つの機能は、縞発生器１２からの縞パターンの位置を増加的にシフトさせ、同時に像を取り込むように検出器３０をトリガすることである。縞パターン照射のためには、２つの基本モードを利用することができる。
（ｉ）連続走査
走査に沿った増加のために取り込みの時間を合わせて、連続的に縞パターンを走査することができる。
（ｉｉ）スタート−ストップ走査
あるいは、走査されるパターン形成された光源の増加的な動きにより、光源が特定の位置で瞬間的に停止し、各位置で像を取り込むように、スタート−ストップのタイミングの構成を提供することができる。

次いで、取り込まれた像は、互いに登録して、結合させて、図５Ａに示すようなパターンを形成する。これは、歯の表面に関する３次元の情報を計算するために使用する。縞投影法では、対象物（歯）に関する３次元の情報を計算するのに十分な情報を提供するために、複数の像が必要であり、これらは素早く連続して得られ、対象物に対して固定された位置にあるカメラで得られる。上記のモード（ｉ）又は（ｉｉ）のいずれかに関して、投影された像に対する縞の相対的な位置は、輪郭撮像という技術分野の当業者が精通している技術を利用して、所定の縞の空間的周期及び時間的周期に従って増加的にシフトさせる。パターンを得るために、別々の像を互いに登録して、次いで結合する。

制御論理プロセッサ３４は、コンピュータ、マイクロプロセッサ、又はプログラムされた命令を実行する他の専用の論理処理装置とすることができる。制御論理プロセッサ３４は、ディスプレイ４２を有するコンピュータ４０と信号通信している。コンピュータ４０は、画像処理機能を実行する。これは、制御論理プロセッサ３４によって得られたデータを利用して歯２０の表面輪郭及びフィーチャを示す画像を提供する。制御論理プロセッサ３４又はコンピュータ４０のいずれかによって様々な制御論理及び撮像機能を実行することができ、又はこれらの制御論理デバイス間でそれらを共有できることに留意されたい。輪郭解析のための様々なコンピュータの機能をサポートするために、追加のコンピュータ装置（例えば、ローカル又はリモート）を代替的に使用することができる。輪郭解析自体は、３−Ｄ撮像の技術分野の当業者が精通している技術を使用して、いくつかの方法のいずれかで実施することができる。

図３の概略ブロック図は、カメラ１８の縞パターン発生器１２の構成要素をより詳細に示す。構造化された光レーザ７０は、図３のレンズとして概略的に表される任意のビーム整形光学系２８を介して、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）変調器２６などの反射走査素子３２へと、光軸Ａ_０に沿ったパターン形成されたレーザ光ビームを放出するように始動可能である。一体型レンズは、レーザダイオード２４の一部として設けることができ、構造化された光レーザ７０のレーザ整形光学系２８の機能を提供することができる。光整形光学系は、レーザダイオードに一体化することができる。あるいは、この光整形という目的での光学系構成要素は、レーザダイオード２４と別個の場合がある。レーザ駆動部５０は、レーザの作動及びタイミングを制御するが、それは上述のスタート／ストップモード（ｉｉ）を使用する走査シーケンス間の適切な時点で、構造化された光レーザ７０をオン及びオフにすることを含む。レーザ駆動部５０は、制御論理プロセッサ３４と信号通信する。本開示の実施形態による一軸ミラーのＭＥＭＳ変調器２６は、反射走査素子３２として作用し、輪郭の特徴付けで必要なパターンで、歯２０の表面に沿ってレーザビームを走査する。一実施形態で、レーザダイオードは、４００〜７００ｎｍの範囲のレーザ光照射線を放出する。

本開示の実施形態によれば、一軸走査ミラーの回転軸は、放出されるレーザビーム線の出力の長さの寸法に実質的に平行であり、ここで実質的に平行とは、約＋／−２０度以内で平行になることを意味する。例えば、レーザビーム線の出力は、図３を保持する広がりに対して垂直であり得る。代替として言えば、放出される線の出力は、一軸走査ミラーを用いて走査することによって生成され、このミラーは縞パターン照射として放出された光ビームを歯２０の表面に沿って導くために、光軸Ａ_０に実質的に直交する軸を中心に回転するように始動可能である。代替の実施形態では、一軸走査ミラーの回転軸は、放出されるレーザビーム線の出力の長さの寸法に平行ではない。

本開示の代替の実施形態によれば、ＭＥＭＳ変調器２６は、マイクロミラーのアレイなどの複数の反射デバイスのアレイを有する。ＭＥＭＳ変調器２６は、この構成による照射の投影されたパターン又はその配置を変更するために、マイクロミラーデバイス群を制御することができる。

カメラ１８は、患者の口内に挿入されるハンドヘルドデバイスである。切欠側面図である図４は、本開示の実施形態によるカメラ１８の構成要素を示す。制御論理プロセッサ３４は、電力、イネーブル、及びタイミングの機能のための他のサポート回路を含む電子回路基板４４の一部である。レーザプロジェクタ４８は、構造化された光レーザ７０と、照射のパターンを形成するためのサポート回路及び光学系構成要素を含む。センサアセンブリ３６は、検出器３０及び関連する構成要素を含む。プローブ３８は、撮像される歯の上に配置される光学的構成要素を含み、示すように、ＭＥＭＳ変調器２６を反射走査素子３２として含むことができる。

従来の縞パターン撮像シーケンスは、複数の平行な光線のセットを対象物に投影する。一例として、図５Ａは、歯の上に投影される照射の線８４の従来のパターン５４を示す。各々の線８４は、均一な長さの寸法Ｌ及び非常に小さいビーム幅ｗを有する。図５Ｂは、走査された線のパターン５４によって照射される歯２０の一例を示す。

従来のシステムでは、（図５Ａのように）照射の複数の線が同時に投影されるように、光の２次元パターンを提供する空間光変調器を使用するなどのいくつかの方法で、パターン５４を形成することができる。従来の慣習では、レーザが点線源であることから、レーザ光は概して、同時のパターンとして提供される光の線又は他の照射線を提供するために使用されていない。ポイントレーザ源を用いてパターン５４又は他のタイプの２次元パターンを形成するためには、２軸に沿った走査が必要である。第１の軸に沿った走査は、図５Ａの構成を使用して、上から下へ素早くレーザビームを走査することなどによって、光の線を形成する。線を形成するために、この第１の走査軸は線の長さに直交する。第１の軸に直交する第２の軸に沿った走査は、第１の線に平行な、照射の連続する線を各々形成するために、走査の位置を増加する。２つの相互に直交する走査が連続して実行され、１走査サイクルは、各々の別個の線を生成するために必要な各々の軸に沿った走査の動きと考えられる。理解できるように、この２軸走査シーケンスにより、走査機能を提供するために反射を利用する走査用光学系の設計が複雑になる。線を形成する走査活動が、検出器の取り込みサイクル内で生じなければならないため、タイミングも複雑である。すなわち、単一ミラーなどの反射面を使用する場合、ミラー又は反射走査面は、直交する２軸に対して旋回又は回転できなければならない。前に説明したように、個々の像を得たら結合する。

図５Ａの走査される平行線を提供するための１つの代替案は、２つの反射面を用いて点線源を走査することである。図６は、互いに直交する軸に対して回転する一対の一軸ミラー５６ａと５６ｂ間の反射を用いて、照射のパターン５４を形成するための代替の構成を示す。レーザダイオード２４は、軸Ａ１に対して回転するミラー５６ａに向かってビームを放出する。軸Ａ１は、パターン５４の線５８の長さ方向に平行である。光は、ミラー５６ａからミラー５６ｂに反射される。ミラー５６ｂは、軸Ａ１に直交する軸Ａ２により回転する。単一のミラーの場合のように、図６の構成は点線源、レーザダイオード２４を使用することにより複雑化する。適切な照射パターン５４を生成するために、ミラー５６ａ及び５６ｂを適切に配置し、整列しなければならない。ポイントレーザ源を、直交軸で回転する複数のミラーと共に使用する、正確なタイミングが求められる。

直交する２軸に関するミラーの協調動作をもたらす複雑さを避けるために、本開示の実施形態では、ラインレーザなどのタイプの構造化された光レーザ７０と組み合わせて単一軸リフレクタを使用して、パターン５４を生成する問題に対処する。ラインレーザは、レーザ光の出力で適切な光学系を使用することにより、レーザ光源からレーザ光照射線を生成する。放出された光の線は、前述のように光軸Ａ_０に直交する方向に延伸している。

本開示の実施形態では、図５Ａのパターン５４は、複数の像を取り込むために歯の表面に沿うレーザの線の反射を増加的にシフトさせ、こうして得られた複数の像を結合することで、単一ラインレーザ源を用いて投影することができる。そのような実施形態では、単一の線８４が、各々の線を別々に投影して取り込むという、素早く繰り返すシーケンスで一度に撮像される。この撮像中、カメラは定位置で保持される。その後、取得した複数の単一の線の像は、結合させて、合成した像として図５Ａに示すものを形成する。１つの形態では、複数の照射線を連続的に取り込み、像を登録し、次いで結合させて、図５Ａにおける複数の線の像のパターン５４が提供される。しかし、後により詳細に説明するように、複数の線又は他の照射パターンを取り込むための代替の構成も可能である。

概略図である図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、ＭＥＭＳ変調器２６の一軸ミラー反射走査素子３２に向けて光の線を導くラインレーザとして、構造化された光レーザ７０を示す。反射走査素子３２は、歯の表面などの撮像される対象物の表面６０に光の線を反射する。軸Ａ２の反射走査素子３２の増加的な回転は、構造化された光レーザ７０の対応するオン／オフサイクルと同時性をもつ。連続的な軸Ａ２に対する回転角度θ０、θ１、θ２、θ３を図７Ａ〜図７Ｄに示す。このシーケンスは、連続する線８４ａ、８４ｂ、８４ｃ及び８４ｄによって示すように、一度にパターン５４の１本の線を形成する。

走査のタイミング
縞パターン照射のための構造化された光レーザ７０のタイミング及び反射走査素子３２の回転の制御と調整は、レーザ駆動部５０（図３）によって実行される。図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら説明した全体的なシーケンスにはいくつかの変形が可能であることが理解されよう。構造化された光レーザ７０を始動するタイミング及び検出器３０からの像を取り込むタイミングは、撮像シーケンスに対して適切に調整することができる。例えば、輪郭撮像の計算のために十分な数の像が得られれば、１つ以上の連続する時間継続して歯を走査し、処理のために任意の順序で像を得てグループ化することが効率的な場合がある。

本開示の実施形態によれば、図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら説明した走査シーケンスは、極めて迅速に実行され、検出器３０によって取り込まれた単一の像が、複数の線５８、又はパターン５４の投影された線５８すべてさえも含むことが可能になる。このシーケンスのために、操作者は、撮像する歯２０の近くにカメラ１８を配置して、分析のため輪郭画像を得るための命令を出す。図７Ａ〜図７Ｄに示す走査シーケンスは、非常に速く実行するので、多数の投影された照射線を有する歯の単一の像が、その位置でカメラ１８で取得される。したがって、例えば、単一の像の取り込みは、例えば、単一の命令の結果として、５０本以上の走査線を含むことができる。あるいは、複数の像を得ることができるので、各々の取り込まれた像は、単一の照射の投影された線を有するか、２本以上の投影された線５８を有する。複数の像が必要な場合に、複数の像を登録するための方法は、撮像の技術分野の当業者が精通している。

図７Ａ〜図７Ｄに示すシーケンスは、隣接する線５８を形成するために実行することができる。ただし、線５８は任意の順序で生成することができるので、空間的に隣接する２本の線５８は時間的に連続して形成されていないことがある。本開示の実施形態によれば、線５８は無作為に生成されるので、線１、２・・・ｎは連続して生成されない。この種の構成は、例えば、雑音の影響を軽減するよう促し、又は患者の動きを補うのに役立つように使用することができる。本発明の代替の実施形態によれば、１本おきに線が生成され、第１の像に取り込まれる（例えば、線１、３、５、７・・・（ｎ−１））。次いで、続いている交互の線が生成され、第２の像に取り込まれる（例えば、線２、４、６、８、・・・（ｎ））。次いで、第１及び第２の像を互いに登録し、結合して輪郭画像処理に使用することができる。

タイミング図である図８は、パターン生成中と撮像中に各々の線５８を形成するための像の取り込み、ミラーのインデックス付け、及びレーザ照射の比較されるタイミングを示す。タイミング図９０では、時間ｔ０でレーザが始動され（オン）、レーザ線が反射走査素子３２を照射する。レーザが始動されて第１の線５８が記録されたときに像の取り込みが可能（オン）になる。時間ｔ１でレーザは電力を断ち（オフ）、ＭＥＭＳ変調器２６は、インデックス信号によって作動され（オン）、次の線５８を形成する位置まで反射走査素子３２を回転させる。時刻ｔ２において、レーザは次の線の照射を提供するために再度始動される。これと同じサイクルが、縞パターン照射のための線５８のパターン５４を形成するために必要な回数繰り返される。

本開示の代替の実施形態によれば、像取り込みシーケンスは、走査撮像シーケンス間の患者の動きを検出する論理を含む。動きの検出は、例えば、撮像サイクル間の投射の繰り返し及び同一の像のコンテンツの取り込みを含むいくつかの方法で実行することができる。

次いで、コンピュータ４０は、投影パターン５４の取得した像に基づいて、図９の輪郭画像の例に示すように、歯の輪郭情報を生成する。

検出器３０は、歯の表面から縞パターン照射の１つ以上の像を取得するように構成される。本明細書に記載されている実施形態の検出器３０は、いくつかのタイプの像の検出アレイのいずれかであり得る。検出器３０は、例えば、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）撮像センサ又はＣＣＤ（電荷結合素子）センサとすることができる。また、カメラ光学系は、投影又は検出経路にフィルタや偏光子などの構成要素を含むこともできる。

本発明の一実施形態では、撮像装置は、ハンドヘルドプローブの形態でパッケージされる。これは、ほとんど又はまったく不快感を伴わずに患者の口内に容易に配置できる。

構造化された光レーザ７０は、レーザのパッケージで通常一体化されているレーザ整形光学系であることから、ラインレーザの形態を有することに留意されたい。レーザ整形光学系は、レーザ出力ビームの形状を調整するための様々な種類のレンズ、口径、及び他のデバイスを含むことができる。本開示の代替の実施形態によれば、レーザ整形光学系は、ビームの長さにわたる幅の寸法の変化を含んだパターンへと、レーザビームを形成するために使用する。また、ビームは、例えば破線などのパターンを生成するためなどに、その長さにわたって干渉させてもよい。

本発明の代替の実施形態によれば、複数のレーザダイオード光源を使用して、表面の輪郭撮像のための照射を提供することができる。図１０を参照すると、カメラ１８の実施形態が示されている。カメラ１８は、２つの構造化された光レーザ７０ａ及び７０ｂを有する。これらは、異なる特性を備えた、照射経路８６へのパターン形成された照射を提供するために、交互に又は同時に始動することができる。レーザ駆動部５０は構造化された光レーザ７０ａ及び７０ｂを交互に又は同時に始動して、ビームスプリッタ４６を介してＭＥＭＳ変調器２６に向けて各々の線又は他の光のパターンを導く。図１０に示す実施形態では、ビームスプリッタ４６は、レーザ７０ａから放出された光波長を透過し、レーザ７０ｂからの光を反射する。撮像のために色のある光などの有用な特性を提供するために、３つ以上のレーザダイオードを同様の方法で組み合わせることができる。

構造化された光レーザ７０は、図３を参照しながら本明細書で説明したように、投影面に沿う単一の光の線を提供する出力ビームを提供することができる。しかし、いくつかのタイプの構造化された光レーザダイオードを備える他のパターンも可能であり、利用可能である。図１１Ａ〜図１１Ｄは、利用可能な多くの可能な投影パターンのうちの少数を示す。図１１Ａに点線パターン７６ａを示す。図１１Ｂは、同時に投影される複数の線のパターン７６ｂを示す。図１１Ｃは、２本の直交する線を有する交差パターン７６ｃを示す。図１１Ｄは、同心円のパターン７６ｄ、つまり曲線を有するパターンの一例を示す。ここで、円のセグメントは、部分的に平行であると考えることができる。図１１Ｅは２つ以上の点を有する２次元パターン７６ｅを示す。

本発明の装置及び方法を使用して得られる表面の輪郭画像は、いつくかの方法で処理及び使用することができる。輪郭データを表示することができ、また、修復する構造物を処理及び生成するためにシステムに入力できるか、検査技師又は他の歯科器具の製造者の作業を確認するために利用できる。この方法は、歯科治療の全体的な費用を削減しながら、いくつかの条件下で印象を得る必要性を低減又は排除するシステム又は手順の一部として使用することができる。したがって、この方法及び装置を使用して実施される撮像は、歯科医による調整又は適合をほとんど又はまったく必要としない、優れた適合の補綴デバイスを実現するのに役立ち得る。別の態様では、本発明の装置及び方法は、歯、支持構造、及び咬合状態を長期追跡するために使用して、より重度な健康問題の診断と防止に寄与し得る。全体として、このシステムを利用して生成されたデータは、患者と歯科医の間、及び歯科医とスタッフと研究施設間のコミュニケーションの改善に役立つように使用し得る。

有利なことに、本発明の装置及び方法は、特別な粉末を使用することも、歯の表面用の他の何らかの一時的なコーティングを用いることも必要とせずに、歯などの歯科的フィーチャの３−Ｄ撮像をするための口腔内撮像システムを提供する。このシステムは、一実施形態では２５〜５０μｍの範囲の高分解能を提供する。

本発明の実施形態と一致して、コンピュータプログラムは、電子メモリからアクセスされる画像データに対して実行する、記憶された命令を利用する。画像処理の技術分野の当業者に理解されるように、本発明の実施形態の撮像システムを操作するためのコンピュータプログラムは、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの適切な汎用コンピュータシステムによって利用することができる。しかし、本発明のコンピュータプログラムを実行するために、例えば、ネットワーク化されたプロセッサの構成を含む、他の多くのタイプのコンピュータシステムを使用することができる。本発明の方法を実施するためのコンピュータプログラムは、コンピュータ可読記憶媒体に記憶することができる。この媒体は、例えば、ハードドライブや取り外し可能なデバイスなどの磁気ディスク、また磁気テープなどの磁気記憶媒体、光ディスク、光学式テープ、又は機械可読光学エンコーディングなどの光学記憶媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）や読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などのソリッドステートの電子記憶装置、又はコンピュータプログラムを記憶するために使用される他の任意の物理的なデバイス又は媒体を含むことができる。また、本発明の方法を実行するためのコンピュータプログラムは、インターネットなどのネットワーク又は通信媒体を介して画像プロセッサに接続されたコンピュータ可読記憶媒体に記憶することができる。当業者であれば、そのようなコンピュータプログラム製品と同等のものをハードウェアで構成することもできることを、さらに容易に認識するであろう。

「メモリ」という用語は、本開示の文脈では「コンピュータアクセス可能メモリ」と同等で、画像データを記憶して操作するのに使用され、例えば、データベースを含むコンピュータシステムにアクセスできる、任意のタイプの一時的又はより永続的なデータ記憶作業領域を指すことができる点に留意すべきである。メモリは、例えば、磁気記憶装置や光学記憶装置のような長期の記憶媒体を使用する、不揮発性のものであってもよい。あるいは、メモリは、マイクロプロセッサなどの制御論理プロセッサデバイスによる一時的なバッファ又は作業領域として使用される、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの電子回路を使用する、より揮発性の性質を有するものでもよい。例えば、表示データは、典型的には、表示デバイスに直接つないだ一時記憶バッファに記憶し、表示されたデータを提供するために必要に応じて定期的にリフレッシュさせる。また、この一時記憶バッファは、この用語が本開示で使用されるように、メモリの一種であるとみなされる。メモリは、計算などの処理を実行し、中間及び最終な結果を記憶するためのデータ作業領域としても使用される。コンピュータアクセス可能メモリは、揮発性、不揮発性、又は揮発性と不揮発性のタイプの混種の組み合わせとすることができる。

本発明のコンピュータプログラム製品は、周知の様々な画像操作のアルゴリズム及びプロセスが利用できることが理解されよう。本発明のコンピュータプログラム製品の実施形態は、実装に有用な、本明細書に具体的に図示も説明もされていないアルゴリズムやプロセスを実施できることがさらに理解されよう。そのようなアルゴリズムやプロセスは、画像処理の技術分野の通常の技術の範囲内にある従来のユーティリティを含むことができる。このようなアルゴリズム及びシステム、ならびに画像を生成するかさもなければ画像を処理する、又は本発明のコンピュータプログラム製品と協働するハードウェア及び／又はソフトウェアのさらなる態様は、本明細書に具体的に図示も記載もされておらず、当技術分野で既知のそうしたアルゴリズム、システム、ハードウェア、構成要素及び素子から選択され得る。

一実施形態では、歯の輪郭画像を得るための口腔内撮像装置は、縞パターン照射を放出するように始動可能な縞パターン発生器であって、（ｉ）パターン形成された光ビームを放出するように始動可能な少なくとも１つの構造化された光レーザと、（ｉｉ）放出されたパターン形成された光ビームの経路にあり、縞パターン照射として歯の表面に向かう少なくとも１つの方向に繰り返し偏らせる放出されたパターン形成された光ビームを走査するために動くよう作動可能な少なくとも１つの反射素子とを含む縞パターン発生器、歯の表面から縞パターン照射の１つ以上の像を取得するように構成された検出器、及び縞パターン発生器を制御して歯を照射し、検出器が取得した１つ以上の像を得て処理するように構成された制御論理プロセッサを含むことができる。一実施形態では、少なくとも１つの反射素子は、放出されたパターン形成された光ビームを走査するために回転、旋回、又はシフトすることができる。

本発明は、１つ以上の実施態様に関して図示されているが、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく、図示された例に変更及び／又は修正を加えることができる。例えば、反射走査素子３２（図３）は、プリズム又は他のタイプの反射の構成要素とすることができる。さらに、本発明の特定の特徴は、いくつかの実施態様の１つに関して開示されてきた可能性があるが、このような特徴は、任意の所与の機能又は特定の機能にとって望ましくて有利であり得るものとして、他の実施態様の１つ以上の他の特徴と組み合わせることができる。「少なくとも１つの」という用語は、列挙された項目の１つ以上を意味するために使用することを選択できる。「ａｂｏｕｔ（約）」という用語は、改変が、図示された実施形態に対するプロセス又は構造の不適合をもたらさない限り、列挙された値を幾分変更し得ることを示す。最後に、「例示的」は、説明が理想であることを意味するのではなく、むしろ例として使用されることを示す。したがって、ここに開示された実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされる。本発明の他の実施形態は、本明細書を考察することや、本明細書に開示された本発明を実施することから当業者に明らかになるであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その等価物の意味及び範囲に含まれる変更はすべて、その中に包含されることが意図される。

Claims (10)

1. 歯の輪郭画像を得るための口腔内撮像装置であって、
   縞パターン照射を放出するように始動可能な縞パターン発生器であって、
   （ｉ）パターン形成された光ビームを放出するように始動可能な少なくとも１つの構造化された光レーザと、
   （ｉｉ）前記放出されたパターン形成された光ビームの経路にあり、縞パターン照射として歯の表面に向けて前記放出されたパターン形成された光ビームを走査するために、軸の周りを回転するよう作動可能な、少なくとも１つの反射素子と、
   を含む縞パターン発生器と、
   前記歯の表面から前記縞パターン照射の１つ以上の像を取得するように構成された検出器と、
   前記歯を照射するために前記縞パターン発生器を制御し、前記検出器が取得した前記１つ以上の像を得て処理するように構成された制御論理プロセッサと、
   を含むことを特徴とする口腔内撮像装置。
2. 前記パターン形成された光ビームが前記歯の表面に線を形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の口腔内撮像装置。
3. 前記放出されたパターン形成された光ビームが、２本以上の実質的に平行な線を同時に有するか、２本以上の曲線を同時に有する２次元パターンを形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の口腔内撮像装置。
4. 前記放出されたパターン形成された光ビームが、２つ以上の点を有する２次元パターンを形成する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の口腔内撮像装置。
5. 前記反射素子が微小電気機械システムのデバイス又はプリズムであり、
   前記検出器がＣＭＯＳ検出器とＣＣＤ検出器の１つを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の口腔内撮像装置。
6. 歯の輪郭画像を得るための口腔内撮像装置であって、
   縞パターン照射を放出するように始動可能な縞パターン発生器であって、
   （ｉ）光軸に沿って光ビームを放出するように始動可能な少なくとも１つの第１のレーザダイオードと、
   （ｉｉ）前記第１のレーザダイオードからの放出された光の経路にある光学系であって、前記放出された光ビームを整形して線の出力を提供し、前記線が前記光軸に直交する方向に延伸する前記光学系と、
   （ｉｉｉ）前記放出された光の出力の前記経路にあり、縞パターン照射として歯の表面に沿って前記放出された光ビームを導く前記光軸に実質的に直交する軸の周りで回転するよう始動可能な反射素子と、
   を含む縞パターン発生器と、
   前記歯の表面からの前記縞パターン照射の１つ以上の像を形成するように構成された検出器と、
   前記歯を照射し、前記検出器によって取得された前記１つ以上の像を得て処理するために、前記縞パターン発生器を制御するように構成される制御論理プロセッサと、
   を含むことを特徴とする口腔内撮像装置。
7. 前記反射素子が、微小電気機械システムのデバイス又はプリズムであり、
   前記光学系がレンズを含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の口腔内撮像装置。
8. 前記第１のレーザダイオードの波長とは異なる波長で光ビームを放出するように始動可能な第２のレーザダイオードと、前記放出された光ビームを形成するために、前記第１及び第２のレーザダイオードからの光を結合するように配置されたビームスプリッタと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の口腔内撮像装置。
9. コンピュータによって少なくとも部分的に実行される、歯の輪郭画像を得る方法であって、
   構造化された光レーザダイオードを始動してパターン形成された光ビームを放出するステップと、
   縞パターン照射として歯の表面に沿って前記パターン形成された光ビームを走査するステップと、
   前記歯の表面から前記縞パターン照射の１つ以上の像を形成するステップと、
   前記縞パターン照射の前記像を解析して歯の輪郭情報を導出するステップと、
   前記解析に応じて前記歯の輪郭情報を表示するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記パターン形成された光ビームを前記走査するステップが、縞パターン照射として前記歯の表面に沿った前記放出されたパターン形成された光ビームを走査するために、前記放出されたパターン形成された光ビームの経路にある少なくとも１つの一軸反射素子を回転させて前記放出されたパターン形成された光ビームの前記反射を増加的にシフトさせるステップを含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。