JP6576005B2 - レーザ歯科治療における撮像のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、２０１３年３月１５日に出願され、“Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｎｔａｌ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ”と題された、米国仮特許出願第６１／７９３，１１７号に対する優先権の利益を主張するものであり、その開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。

本発明は、概して、３次元（３Ｄ）走査に関し、特に、歯科構造等の不均等な形状物体のモデルを生成することに関する。

歯科では、３Ｄ走査および撮像が、鋳造および印象材を使用する、古い技術に急速に取って代わりつつある。走査は、典型的には、古い方法と比較して、高速であり、デジタルファイルを瞬間的に提供することができ、実質的に全ての鋳引けを排除し、鋳造および印象材と関連付けられる問題を取扱うことができる。加えて、デジタル画像は、歯冠等の好適な歯科修復構成要素を生成するために、歯科技工室または歯科コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）フライス盤に容易に伝送されることができる。

スキャナは、概して、物体表面から情報を捕捉かつ記録するためのデバイスである。
非接触式光学的方法を使用して、物体の３Ｄ表面輪郭を判定する（例えば、その３Ｄモデルを作成する）スキャナの使用は、歯科構造のインビボ走査を含む多くの用途において重要である。典型的には、３Ｄ表面輪郭が、特定の時間において、集合／群中の各点の相対位置が走査された物体の表面の近似輪郭を表す、点集合（多くの場合、点群と呼ばれる）から形成される。

これらの光学的方法では、点位置データの集合を使用して、輪郭測定の根底にある一般的原理は、三角測量である。各三角形の基線が２点の光心を含み、各三角形の交点が標的物体表面上またはその近傍の特定点である、１つまたはそれを上回る三角形を前提とすると、光心のそれぞれから標的物体表面の上またはその近傍のその特定点範囲は、光学的分離と、光心から特定の点に伝送される光の角度および／または特定の点から光心において受信された光の角度に基づいて判定されることができる。規定の基準座標系（例えば、デカルトＸ、Ｙ、Ｚ基準座標系）における光心の座標位置が、既知である場合、交点の相対Ｘ、Ｙ、Ｚ座標位置、すなわち、標的表面上またはその近傍の点は、同一の基準座標系において算出されることができる。典型的には、照射光源から標的上の点までの光線は、三角形の一辺、すなわち、縁を形成し、標的点から画像センサまで反射される光線は、三角形の他の辺、すなわち、縁を形成する。単一の画像センサを使用するシステムでは、二辺の間の角度は、照射光源およびセンサの位置と、照射光のビームが走査された表面に指向される角度とが既知であるため、判定されることができる。これらの既知のパラメータおよび反射の算出角度を使用して、輪郭に合致される表面上の反射点の予期される位置が、判定されることができる。それぞれのいくつかの反射点の位置を判定するために、この手順を繰り返すことによって、反射表面の曲率、すなわち、その３Ｄ輪郭が、判定されることができる。

三角測量方法は、受動的三角測量および能動的三角測量に分割されることができる。受動的三角測量（また、立体解析としても知られる）は、典型的には、周辺光を利用し、三角形の基線に沿った２点の光心は、２個のカメラ／画像センサを含む。２つのセンサの受動的システムでは、走査される物体に応じて入射する照射光の角度の知識が、要求されない。対照的に、能動的三角測量は、典型的には、基線に沿って三角形の一方の光心として一方のカメラを使用し、他方の光心における第２のカメラの代わりに、能動的三角測量は、制御された照射光源（また、構造化光としても知られる）を使用する。上記に説明されるように、一方の光心は、光源であり、他方の光心は、撮像デバイスである。

立体／受動的解析は、概念的に分かりやすいが、例えば、異なるカメラ画像内において観察される特徴の間で一致を取得する際の困難に起因して、広範囲に使用されない。ブロック等の明確に画定された縁および角を伴う物体の表面輪郭は、立体解析を使用して、比較的容易に測定することができる。皮膚および歯の表面等の平滑可変表面を有する物体は、角および縁点等、容易に識別可能な着目点が比較的より少ない。これは、立体解析技術に有意な課題を提示し得る。能動的三角測量は、したがって、多くの場合、平滑可変表面を有するそのような物体の３Ｄ輪郭を生成する際に、好ましい。

能動的三角測量または構造化光方法は、その形状を判定するために、物体上に１つまたはそれを上回る既知の光のパターンを投影することによって、立体一致問題を克服する、または少なくともそれを最小限にすることができる。例示的構造化光は、光のスポットであり、典型的には、レーザによって生成される。輪郭判定の正確性は、例えば、ジグザグパターンおよび／またはスパイラルパターンで、線に沿って、既定のパターンで微小スポットを移動させることによって、増加されることができる。しかしながら、１つの大きなスポットもまた、使用されることができる。光投影機と、標的物体の表面から反射される光のスポットを観察するカメラとの設定の幾何学形状は、上記に説明されるように、例えば、三角測量計算を介して、光スポットが一方または両方の光心（すなわち、光投影機およびカメラ）から反射される、点の範囲の判定を可能にすることができる。ストライプ等の光投影パターンまたは光点のグリッド等の２次元パターンが、標的表面の画像を捕捉および／または分析するために要求される時間を短縮させるために使用されることができる。

構造化光を使用した標的物体の表面の測定の分解能は、概して、反射光を観察するために使用される、光パターンの微細度と、カメラの分解能とに依存する。典型的には、３Ｄレーザ三角測量走査システムの全体の正確性は、２つの目的を満たすために、その能力に基づく（すなわち、（ｉ）標的表面から反射される照射光の中心を正確に測定することと、（ｉｉ）照射光源と、画像を取得するためにスキャナによって使用される位置のそれぞれにおけるカメラとの位置を正確に測定することである）。

オペレータ携帯用かつペンタイプスキャナを組み込むことによって、様々なヒトの歯列に適応する、商業用に利用可能である３Ｄスキャナシステムが、歯科市場のために開発されている。これらのシステムでは、オペレータは、典型的には、走査される部位にわたってスキャナを移動させ、一連の画像フレームを収集する。しかしながら、この場合、画像フレームの間の位置の一致が、典型的には、維持されず、代わりに、各フレームは、前の１つまたはそれを上回る画像フレームが捕捉された時点で、ペンの位置および配向から独立した未知の座標位置から捕捉される。加えて、治療に先立った走査からの照射光源および撮像デバイスに関する全ての配向情報ならびにその参照は、概して、スキャナが、治療のために使用される他の器具類を用いた治療の間、口内に連続的に位置することができないため、治療後の走査に利用可能ではない。

これらのハンドヘルドシステムは、したがって、シーン登録または走査される部位にわたる正確な基準セットの適用に依拠しなければならない。しかし、歯等の３Ｄ構造に関して、フレーム登録のためのパターン認識または基準の使用は、歯の表面が常に高精度シーン登録を可能にする十分な登録特徴を提供しないため、誤差を起こしやすい可能性がある。多くの場合、要求される分解能に対する基準の正確な設置は、概して、典型的な歯のサイズにわたって、非実用的である。

別の３Ｄ測定方法は、画像認識を用いた自動焦点深度測定を含む。短被写界深度である場合、カメラは、事前に定義された深度（例えば、Ｚ１）において集束され、画像が、捕捉される。画像は、次いで、画像の「焦点」区分が判定されることができるように、例えば、画像認識ソフトウェアを使用して処理される。別の画像は、次いで、第２の事前に定義された深度（例えば、Ｚ２）において捕捉され、第２の画像内の「焦点」区分が識別される。Ｚ深度位置付け、画像捕捉、および画像認識は、要求される分解能に従って、繰り返される。いったん画像の全てが捕捉されると、個々の画像スライスは、物体の３Ｄ画像を作成するために、ともに積層されることができる。

治療部位を走査かつモデル化することに関連して、本方法は、多くの場合、要求される正確性のレベルが欠如する３Ｄ走査を生成する。これは、多くの場合、画像が治療の前後のみに捕捉されるためであり、治療および撮像デバイスの交換を要求するため、画像が、治療の間捕捉されず、これが、治療時の遅延、患者に不便性をもたらし、また、治療時、特に、レーザが治療時に使用されるときに伴われる全てのものに対する安全性リスクを呈し得る。したがって、システムおよび方法の改善が、治療される部位／領域を走査するために必要である。

硬組織切断の間、従来の３Ｄ測定の品質を改善するために、レーザ切断システムの種々の実施形態が、光走査および測定システムと、レーザベースのアブレーションシステムとを統合する。スキャナは、能動的三角測量測定技術、または焦合画像認識技術、またはその両方を含むことができる。しかしながら、従来のシステムとは異なり、統合されるシステムの種々の実施形態は、いくつかの本質的に２次元（２Ｄ）の画像と、これらの２Ｄ画像に基づく２Ｄ輪郭とを使用して、除去された組織の３Ｄ画像の再構成を可能にする。２Ｄ画像および輪郭は、組織の薄スライスに対応することができ、すなわち、スライス厚が、例えば、約０．０２ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、および０．５ｍｍ等であることができる。種々の２Ｄ画像およびそこから生成される輪郭は、治療の間に除去される組織の正確な３Ｄモデルを提供するように、治療の間に撮影された画像に対応する。

従来のスキャナおよびレーザベースの治療システムは、典型的には、相互に互換性がない光学構成要素を含む。したがって、これらの２つタイプのシステムは、容易に組み合わせられることはできない。走査システムおよび治療システムの統合を促進するために、種々の実施形態では、レーザ送達のための光学サブシステムの少なくともいくつかの構成要素（また、ビームガイダンスサブシステムとも呼ばれる）は、同様に、走査／測定機能の少なくともいくつかを実施するように適合される。加えて、または代替として、走査／測定システムのいくつかの構成要素は、レーザビームの送達への走査システムの構成要素の任意の干渉を最小限にしながら、２つのサブシステムの組み合わせられた幾何学形状が、表面輪郭の算出に使用され得るように、ビームガイダンスシステムの構成要素に対して、選択された場所および配向に位置付けられてもよい。

したがって、一側面では、歯科治療部位の輪郭を判定するためのデバイスが、レーザビームガイダンスシステムおよび少なくとも１つの撮像システムを含む。レーザビームガイダンスシステムは、ハンドピースを介して、レーザビームを歯科治療部位に誘導することができる。撮像システムは、そこから反射され、ハンドピースを介して進行する、光線に基づいて、歯科治療部位の画像を取得することができる。本デバイスはまた、撮像システムによって取得される画像に基づいて、歯科治療部位の表面の輪郭を判定するために適合される算出システムを含む。算出は、レーザビームガイダンスシステムのうちの１つまたはそれを上回る構成要素および／あるいは撮像システムと関連付けられる光学構成要素の幾何学形状に基づいてもよい。本デバイスは、２つまたはそれを上回る撮像システムを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、撮像システムは、調節可能焦点レンズを含む。本デバイスはまた、調節可能焦点レンズの焦点距離を調節するためのジョイスティックおよび／またはフットペダルを含んでもよい。調節可能焦点レンズは、電動のレンズスタックおよび液体レンズのうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。全体としての撮像システムまたはそのいくつかの構成要素は、ハンドピース内に位置してもよい。算出システムは、画像の焦点部を判定するために適合されてもよい。代替として、算出システムは、少なくとも部分的に、レーザビームガイダンスシステムの構成要素の幾何学形状および／または撮像システムの構成要素の幾何学形状に基づいて、輪郭を判定するために適合されてもよい。

いくつかの実施形態では、レーザビームと、撮像システムによって受信される、歯科治療部位から反射される光線との両方は、共通光軸に沿って進行する。本デバイスは、そのような光線をレーザ光源に指向する代わりに、歯科治療部位から反射される光線を撮像システムに指向するためのスプリッタを含んでもよい。いくつかの実施形態では、レーザビームは、第１の軸に沿って、歯科治療部位に誘導され、撮像システムによって受信される、歯科治療部位から反射される光線は、第１の軸に対して傾斜する第２の軸に沿って進行する。本デバイスは、２つまたはそれを上回る撮像システムを含んでもよい。一方の撮像システムは、共通光軸に沿って進行する光を受信してもよく、別の撮像システムは、第２の軸に沿って進行する光を受信してもよい。いくつかの実施形態では、一方の撮像システムは、第２の軸に沿って進行する光を受信してもよく、別の撮像システムは、また、第１の軸に対して傾斜する、異なる第３の軸に沿って進行する光を受信してもよい。

本デバイスは、光を歯科治療部位に提供するための照射システムを含んでもよい。照射システムは、パターンを有する光を提供するために適合されてもよく、パターンは、スポット、１次元パターン、および２次元パターンのうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。いくつかの実施形態では、レーザビームガイダンスシステムは、例えば、規定のパターンに従って、かつ／または規定の形状を伴い、照射システムから光を指向することによって、歯科治療部位を走査するために適合される。

別の側面では、歯科治療部位の輪郭を判定する方法は、（ａ）撮像システムにおいて、歯科治療部位から反射され、ハンドピースを介して進行する、第１画像を光線の第１のセットに基づいて、受信するステップと、（ｂ）第１の画像に基づいて、歯科治療部位の第１の輪郭を生成するステップとを含む。本方法はまた、（ｃ）ハンドピースを介して、例えば、レーザビームガイダンスシステムを使用して、レーザビームを歯科治療部位に指向するステップを含む。歯科治療部位からの組織の少なくとも一部は、レーザビームを指向する結果として、除去され得る。本方法はさらに、（ｄ）撮像システムにおいて、歯科治療部位から反射され、ハンドピースを介して進行する、光線の第２のセットに基づいて、第２の画像を受信するステップと、（ｅ）第２の画像に基づいて、歯科治療部位の第２の輪郭を生成するステップとを含む。ステップ（ｃ）〜（ｅ）は、繰り返され、治療が完了されるまで、撮像とアブレーションとの間で交互に行ってもよい。第１の輪郭および／または第２の輪郭は、２次元（２Ｄ）輪郭を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、第１の画像を受信するステップは、撮像システムと関連付けられる焦点距離を調節するステップを含み、第１の輪郭を生成するステップは、第１の画像の焦点部を判定するステップを含む。焦点距離は、ジョイスティックおよび／またはフットペダルを使用して調節されてもよい。いくつかの実施形態では、レーザビームと、歯科治療部位から反射され、撮像システムによって受信される、光線の第１のセットおよび第２のセットとの両方は、共通光軸に沿って進行する。

いくつかの実施形態では、第１画像を受信するステップは、照射システムから取得される光のパターンに従って、歯科治療部位を走査するステップを含む。レーザビームは、第１の軸に沿って歯科治療部位に誘導されてもよく、歯科治療部位から反射され、撮像システムによって受信される、光線の第１のセットおよび第２のセットは、第１の軸に対して傾斜する第２の軸に沿って進行してもよい。照射光のパターンは、スポット、１次元パターン、および／または２次元パターンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、レーザビームガイダンスシステムは、光のパターンに従って、歯科治療部位を走査するように制御される。

いくつかの実施形態では、本方法は、２Ｄ輪郭を使用して、歯科治療部位から除去される組織の部分の３次元（３Ｄ）モデルを生成するステップを含む。本方法はさらに、３Ｄモデルを使用して、修復をもたらすステップを含んでもよい。２Ｄ輪郭が、異なる治療ステップの間でインターリーブされた組織走査から判定されるため、および本システムが、システムパラメータに従って、これらの治療ステップのそれぞれにおいて、除去される組織の深度を推定することができるため、３Ｄモデルの再構成は、２Ｄ輪郭のそれぞれ１つに対応する推定される深度に基づき、それによって、３Ｄモデルの正確性を増加させることができる。３Ｄモデルは、修復をもたらすステップに先立って、修正されてもよい。本方法はまた、修復を歯科治療部位に適用させるステップを含んでもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
歯科治療部位の輪郭を判定するためのデバイスであって、
ハンドピースを介して、レーザビームを歯科治療部位に誘導するためのレーザビームガイダンスシステムと、
前記歯科治療部位から反射され、前記ハンドピースを介して進行する、光線に基づいて、前記歯科治療部位の画像を取得する撮像システムと、
前記撮像システムによって取得される前記画像に基づいて、前記歯科治療部位の表面の輪郭を判定するために適合される算出システムと、
を備える、デバイス。
（項目２）
前記撮像システムは、調節可能焦点レンズを備える、項目１に記載のデバイス。
（項目３）
前記調節可能焦点レンズの焦点距離を調節するためのジョイスティックおよびフットペダルのうちの少なくとも１つをさらに備える、項目２に記載のデバイス。
（項目４）
前記調節可能焦点レンズは、電動のレンズスタックおよび液体レンズのうちの少なくとも１つを備える、項目２に記載のデバイス。
（項目５）
前記算出システムは、前記画像の焦点部を判定するために適合される、項目１に記載のデバイス。
（項目６）
前記算出システムは、少なくとも部分的に、前記レーザビームガイダンスシステムおよび前記撮像システムのうちの構成要素のうちの少なくとも１つの幾何学形状に基づいて、前記輪郭を判定するために適合される、項目１に記載のデバイス。
（項目７）
前記レーザビームと、前記歯科治療部位から反射される光線との両方は、共通光軸に沿って進行する、項目１に記載のデバイス。
（項目８）
前記歯科治療部位から反射される前記光線を前記撮像システムに指向するためのスプリッタをさらに備える、項目７に記載のデバイス。
（項目９）
前記撮像システムは、前記ハンドピース内に位置する、項目１に記載のデバイス。
（項目１０）
前記レーザビームは、第１の軸に沿って前記歯科治療部位に誘導され、前記歯科治療部位から反射される光線は、前記第１の軸に対して傾斜して第２の軸に沿って進行する、項目１に記載のデバイス。
（項目１１）
光を前記歯科治療部位に提供するための照射システムをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記照射システムは、パターンを有する光を提供するために適合される、項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
前記パターンは、スポット、１次元パターン、および２次元パターンのうちの少なくとも１つを備える、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
前記レーザビームガイダンスシステムは、前記照射システムから光を指向することによって、前記歯科治療部位を走査するために適合される、項目１１に記載のシステム。
（項目１５）
歯科治療部位の輪郭を判定する方法であって、
（ａ）撮像システムにおいて、歯科治療部位から反射され、ハンドピースを介して進行する、光線の第１のセットに基づいて、第１の画像を受信するステップと、
（ｂ）前記第１の画像に基づいて、前記歯科治療部位の第１の輪郭を生成するステップと、
（ｃ）前記ハンドピースを介して、レーザビームガイダンスシステムを使用して、レーザビームを前記歯科治療部位に指向し、前記歯科治療部位から組織の少なくとも一部を除去するステップと、
（ｄ）前記撮像システムにおいて、前記歯科治療部位から反射され、前記ハンドピースを介して進行する、光線の第２のセットに基づいて、第２の画像を受信するステップと、
（ｅ）前記第２の画像に基づいて、前記歯科治療部位の第２の輪郭を生成するステップと、
（ｆ）治療が完了されるまで、（ｃ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、
を含む、方法。
（項目１６）
前記第１の輪郭および前記第２の輪郭のうちの少なくとも１つは、２次元（２Ｄ）輪郭である、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記第１の画像を受信するステップは、前記撮像システムと関連付けられる焦点距離を調節するステップを含み、
前記第１の輪郭を生成するステップは、前記第１の画像の焦点部を判定するステップを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
前記焦点距離は、ジョイスティックおよびフットペダルのうちの少なくとも１つを使用して調節される、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
前記レーザビームと、前記歯科治療部位から反射され、前記撮像システムによって受信される光線の第１のセットおよび第２のセットとの両方は、共通光軸に沿って進行する、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
前記第１の画像を受信するステップは、照射システムから取得される光のパターンに従って、前記歯科治療部位を走査するステップを含む、項目１５に記載の方法。
（項目２１）
前記レーザビームは、第１の軸に沿って、前記歯科治療部位に誘導され、前記歯科治療部位から反射され、前記撮像システムによって受信される、光線の第１のセットおよび第２のセットは、前記第１の軸に対して傾斜して第２の軸に沿って進行する、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記パターンは、スポット、１次元パターン、および２次元パターンのうちの少なくとも１つを含む、項目２０に記載の方法。
（項目２３）
前記レーザビームガイダンスシステムを制御し、前記光のパターンに従って前記歯科治療部位を走査するステップをさらに含む、項目２０に記載の方法。
（項目２４）
前記輪郭を使用して、前記歯科治療部位から除去される組織の部分の３次元（３Ｄ）モデルを生成するステップをさらに含む、項目１５に記載の方法。
（項目２５）
前記３Ｄモデルを使用して、修復をもたらすステップをさらに含む、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
前記修復をもたらすステップに先立って、前記３Ｄモデルを修正するステップをさらに含む、項目２５に記載の方法。
（項目２７）
前記修復を前記歯科治療部位に適用させるステップをさらに含む、項目２５に記載の方法。

本発明は、添付の図面および付随の詳細な説明を考慮して、より明白になるであろう。その中に描写される実施形態は、限定としてではなく、実施例として提供され、同一参照番号は、概して、同一または類似する要素を指す。異なる図面では、同一または類似する要素は、異なる参照番号を使用して、参照されてもよい。図面は、必ずしも、縮尺通りではなく、代わりに、本発明の側面の例証に応じて、強調が置かれている。
図１は、一実施形態による、治療と治療される部位の走査との両方のために適合される全体的レーザベースのシステムを描写する。 図２Ａ−２Ｃは、異なる実施形態による、走査および治療のための歯科システムを描写する。 図２Ａ−２Ｃは、異なる実施形態による、走査および治療のための歯科システムを描写する。 図２Ａ−２Ｃは、異なる実施形態による、走査および治療のための歯科システムを描写する。 図３は、一実施形態による、走査が構造化光を使用して実施される、例示的代替走査およびアブレーション手技を例証する。 図４は、一実施形態による、走査が焦点調節を使用して実施される、別の例示的代替走査およびアブレーション手技を例証する。 図５は、一実施形態による、いくつかの２次元（２Ｄ）輪郭およびそれに基づく３次元（３Ｄ）モデルの再構成を取得する、例示的代替走査およびアブレーション手技を例証する。

図１を参照すると、レーザ光源が、関節式アームランチ１の中にレーザビームを指向することができる。ビームはさらに、関節式アーム２内に指向されてもよく、ランチに対向する端部において、そこから出射してもよい。このレーザベースの歯科治療システムでは、主チャンバ３が、交換可能ハンドピース４に接続される。一実施形態は、可変速度フットペダル６を含み、レーザ光源および／または歯科システムの種々のパラメータを制御する。ユーザインターフェース（例えば、タッチスクリーン入力デバイス）および／またはモニタ５は、画像を表示することができ、フットペダル６の代わりに、またはそれに加えて、種々のシステムパラメータを制御するために使用されてもよい。

図２Ａを参照すると、一実施形態では、歯科レーザシステムの主チャンバ３は、それぞれ、Ｘ検流計９およびＹ検流計１１と、Ｘ検流計およびＹ検流計上に搭載される関連付けられた反射ミラー１０および１２とを格納する。レーザビームは、軸８にほぼ沿ってモジュールに入射し、Ｘ検流計９およびＹ検流計１１のそれぞれの反射ミラー１０および１２に反射し、実質的に軸１３に沿ってハンドピース４を通して再指向され、転回ミラー１７に反射し、実質的に軸１８に沿ってハンドピースから出射する。この実施形態では、画像センサ２２Ａ、フィルタ２１Ａ、流体レンズ２０Ａ、レンズスタック１９Ａ、および焦点モータ２３Ａを含む、カメラアセンブリ３０Ａが、主チャンバ３内に搭載される。カメラアセンブリ３０Ａは、ビームスプリッタ２５によって分割される光のビームを受信することができる。ビームスプリッタ２５は、それを通して治療レーザビーム、および、随意に、実質的に光軸１３に沿って、マークレーザビームを伝送することができる。

光学デバイス１４が、レンズ１６を通して光源１５から、非共線的であるが、光軸１３に平行に、光を発光することができる。発光される光は、転回ミラー１７に反射することができ、治療部位に向かって、光軸１８の周囲に折曲を伴うハンドピース４の先端を通して、発光されてもよい。代替として、照射光源は、照射光が治療部位に指向されるように、光ガイドの中に結合され、ハンドピース内の転回ミラー１７に向かって発光されることができる。その可視である画像を表す治療部位から反射される光は、実質的にハンドピース軸１８に沿って伝搬し、転回ミラー１７に反射し、実質的に光軸１３に沿って伝搬してもよく、画像センサ２２Ａの中で光軸２４に沿ってビームスプリッタ２５に反射されてもよい。レーザビームと治療部位から反射される光との両方が、軸１３に沿って進行するため、カメラアセンブリ３０Ａは、「軸上」カメラアセンブリと称されてもよい。

加えて、画像センサ２２Ｂを含むカメラアセンブリ３０Ｂもまた、フィルタ２１Ｂ、流体レンズ２０Ｂ、レンズスタック１９Ｂ、および焦点モータ２３Ｂとともにハンドピース４内に位置する。画像センサ２２Ｂは、光軸２７に沿ってハンドピース４に入射し、転回ミラー２６に反射する、治療の部位から反射される光が、軸３５に沿って画像センサ２２Ｂに伝搬することができるように、搭載されることができる。一実施形態では、光軸２７は、軸１８に対して約１５°傾斜する。概して、２つの軸１８と軸２７との間の角度は、約５°から最大約４５°の範囲内であることができる。カメラアセンブリ３０Ｂにおいて受信される光の有意な部分は、レーザビームが伝搬する軸（例えば、軸１３および軸１８）のいずれにも沿って進行しない。したがって、カメラアセンブリ３０Ｂは、「軸外」カメラアセンブリと称されてもよい。各カメラアセンブリ３０Ａおよび３０Ｂでは、種々の構成要素、すなわち、フィルタ、流体レンズ、レンズスタック、および焦点モータは、選択式である。カメラアセンブリの異なる実施形態が、これらの構成要素のどれも含まず、これらの構成要素の任意の１つあるいはそれらの任意の２つまたはそれを上回る組み合わせを含むことができる。

図２Ａは、２つのカメラアセンブリ３０Ａおよび３０Ｂ、すなわち、撮像システムを示すが、これは、例証的目的のみのためであることを理解されたい。種々の実施形態は、カメラアセンブリ３０Ａのみまたはカメラアセンブリ３０Ｂのみを含んでもよい。いくつかの実施形態は、２つまたはそれを上回る軸外カメラアセンブリを含む。例えば、図２Ｂを参照すると、一実施形態は、軸上センブリ３０Ａに加えて、２つの軸外カメラアセンブリ３０Ｂおよび３０Ｃを含む。図２Ｃを参照すると、別の実施形態は、軸上カメラアセンブリ３０Ａを含まないが、２つの軸外カメラアセンブリ３０Ｂおよび３０Ｃを含む。２つを上回る軸外カメラアセンブリもまた、含まれてもよい。カメラアセンブリ３０Ｂおよび３０Ｃのそれぞれは、ハンドピース４内の異なる場所に位置付けられる。これらのアセンブリのいずれかまたはその両方はまた、主チャンバ３内に位置することができる。カメラアセンブリ３０Ｂは、ミラー２６Ｂに反射される光を受信し、軸２７Ｂに沿ってそこに衝突し、カメラアセンブリ３０Ｃは、ミラー２６Ｃに反射される光を受信し、軸２７Ｃに沿ってそこに衝突する。軸２７Ｂおよび軸２７Ｃは、相互に対して傾斜し、それぞれ、光軸１８に対して異なる角度で傾斜する。いくつかの実施形態では、軸外カメラアセンブリ３０Ｂと軸外カメラアセンブリ３０Ｃとの両方は、１つのミラー（例えば、ミラー２６Ｂまたはミラー２６Ｃ）に反射される光を受信し得るが、相互および光軸１８に対して異なる角度で傾斜し、異なる軸に沿って、そこに衝突し得る。２つまたはそれを上回るカメラアセンブリから取得される画像は、対応する画像スライスの深度を正確に判定するために分析されることができる。

図３は、構造化光を使用して、アブレーションおよび測定／走査が交互に実施される、例示的治療プロセスを例証する。検流計９および検流計１１は、主チャンバ３内に格納され、測定のための可視光（および遠赤外光、例えば、アブレーションのためのレーザビーム）を指向し、治療される組織に向かって光軸８に沿って受信されることができる。可視光は、治療の間、アブレーションレーザを指向するために使用される検流計ミラーに反射され、実質的に光軸１３に沿って伝搬し、転回ミラー１７に反射し、次いで、光軸１８に沿ってハンドピース４から出射してもよい。ハンドピース４は、治療される組織の画像を受信することができる、画像センサ２２Ｂを格納する。特に、組織から反射される光は、光軸２７に沿ってハンドピース４に入射し、転回ミラー２６に反射することができ、軸３５Ｂに沿ってセンサ２２Ｂによって受信されることができ、これは、光軸１３に略平行である。ステップ１は、検流計９および検流計１１の移動を例証し、卵状領域２９内の歯２８上に可視光を指向する。可視光が、検流計９および検流計１１によって走査されるため、歯の表面から反射する光は、上記に説明されるように、画像センサ２２Ｂによって捕捉されることができる。捕捉画像を使用して、走査される歯の表面の輪郭が、判定されることができる。

ステップ２は、転回ミラー１７に反射し、光軸１８に沿って伝播し、パターン３０の歯２８の一部を焼灼する、アブレーションレーザを示す。ステップ３は、再度、歯２８に指向される構造化された（すなわち、走査された）可視光を示す。このステップでは、レーザシステムは、アブレーションレーザビームが治療される部位に指向されないように、オフにされることができる。ステップ３では、画像センサ２２Ｂは、治療部位の輪郭を測定することができ、これは、少なくとも部分的に、ステップ２のアブレーションの後に、アブレーションパターン３０に従って治療された歯２８の表面を含む。ステップ４は、再アクティブ化され、歯２８の付加的部分を焼灼する、アブレーションレーザを示す。ステップ５では、アブレーションレーザは、オフにされ、新しい測定が、ステップ４のアブレーションの後に取得される。アブレーションは、ステップ６で継続することができ、概して、交互に行うアブレーション／輪郭判定ステップを含む、治療プロセスは、選択された治療が完了されるまで継続される。

一実施形態では、走査の間、検流計ミラーは、レーザアブレーションの間は使用されない「パーク」位置の中に回転してもよく、制御された様式で、フラッタリング、すなわち、運動してもよい。これは、制御された照射を用いて治療部位（例えば、歯の表面）を走査するために、ジグザグパターンおよびスパイラルパターン等の規定の走査パターンに従って、構造化光を選択された形状（円、楕円、および長方形等）内の歯科治療部位に指向させることができる。

図４は、光測定のための焦点調節および認識を使用して、交互に行うアブレーションおよび測定ステップを含む、治療プロセスの別の実施形態を例証する。走査は、調節可能焦点距離システムにおいて要求されない。この実施形態では、アブレーションは、検流計によって誘導されるレーザビームを使用して実施され、２Ｄ測定は、調節可能焦点を伴う「軸上」カメラを使用して実施される。「軸上」は、概して、少なくとも、画像を捕捉するために使用される光の部分的伝搬と、少なくとも、実質的に一般的な軸（例えば、光軸１３）に沿って生じるそれらの画像を表し得る、治療領域から反射される光の部分的伝搬とを意味する。

ステップ１では、画像センサ２２Ａが、治療部位から反射され、光軸１８を介して受信され、転回ミラー１７にわたって反射され、実質的に光軸１３に沿って伝播し、実質的に軸２４に沿ってビームスプリッタ２５によって再指向される、光を使用して、歯２８を撮像することができる。代替として、または加えて、いくつかの実施形態では、図３を参照すると、センサ２２Ｂは、治療部位から反射され、光軸２７を介して受信され、転回ミラー２６にわたって反射され、実質的に光軸３５Ｂに沿って伝播する、光を使用して、歯２８を撮像することができる。再度、図４を参照すると、ステップ２では、アブレーションレーザは、アクティブ化され、アブレーションレーザビームは、光軸１３に沿って進行し、転回ミラー１７に反射し、光軸１８に沿ってハンドピース４から発光する。レーザビームは、パターン３０に従って、治療の部位内の歯２８の一部を焼灼してもよい。

ステップ３は、ステップ２のアブレーションの後に、歯２８の表面を撮像するセンサ２２Ａを示す。ステップ３では、レーザビームは、オフにされる。ステップ４およびステップ６は、アブレーションレーザが、再アクティブ化され、したがって、アブレーション領域３０が、より大きくなり得ることを例証する。ステップ５では、レーザビームは、オフにされ、測定が、ステップ４のアブレーションの後に、取得される。交互に行う測定およびアブレーションステップを含む、この治療プロセスは、選択された治療が完了されるまで継続することができる。

軸上撮像システムの１つの利点は、オペレータが撮像および測定のためのシステムを整合することができ、次いで、ハンドピースを移動させずに、レーザアブレーションを容易に切り替えることができる。３Ｄ測定／走査システムの種々の実施形態が、短被写界深度が達成されることができるように、モータシャフトに搭載されるレンズスタックに結合される、ＣＭＯＳチップ等の撮像デバイスを含んでもよい。モータは、コントローラと増幅器との両方を含んでもよく、レンズスタックモータ制御は、システムプロセッサに連結されることができる。中央制御システムを通してレンズスタックモータ位置を制御することによって、画像は、ハンドジョイスティックまたはフットペダル、あるいは別の入力デバイスを使用して、集束される、あるいは自動的または遠隔に移動されることができる。フットペダルは、例証にすぎず、下記に説明される任意のパラメータの制御は、マウス、キーボード、ジョイスティック、タッチスクリーンパネル、およびスライダスイッチ等の任意の好適な入力デバイスを使用して、達成されることができる。

モータおよびレンズスタックは、歯アブレーションが、いくつか画像のスライス（例えば、徐々に増加する深度における画像）が捕捉されることができるように継続するにつれて、画像センサの最短被写界深度位置が調節されることを可能にする。いったん画像が取得されると、これらの画像を含むデジタルファイルが、合焦している捕捉画像の部分を判定するように、ハードウェアおよび／またはソフトウェア構成要素を使用して、処理されることができる。そのような判定に基づいて、各スライスの深度が、判定されることができ、画像スライス毎の歯科治療領域の輪郭は、対応深度を使用して、算出されることができる。深度判定はまた、ジッタ等のハンドピースの任意の非意図的移動を考慮することができる。

図５は、交互に行う走査（すなわち、輪郭判定）およびアブレーションステップと、最終の修復デジタルモデルの作成とを含む、例示的治療プロセスを示す。具体的には、ステップ１は、未治療の歯を描写する。ステップ２は、交互に行う手技の４回の反復を例証する。各反復では、実質的に２次元（２Ｄ）画像測定、すなわち、歯の輪郭判定があり、その後にアブレーションが続く。歯が焼灼されるにつれて、捕捉画像を分析することによって判定される２Ｄ画像スライスおよび対応輪郭５０２−５０８が、デジタル的に記憶される。これらのスライスが焼灼された組織を表すため、それらは、アブレーションの後、歯上に実際に存在しない。

ステップ３は、合計８個の実質的に２Ｄ画像スライス５０２−５１６を例証し、ステップ４は、１２個の実質的に２Ｄ画像スライス５０２−５２４を例証する。ステップ５は、ステップ２−４から取得された１２個のデジタル２Ｄ画像スライス５０２−５２４が、ステップ６に描写されるように、焼灼された、置換される必要がある、組織の立体３Ｄ表現（例えば、デジタル画像として）を作成するためにデジタル的に組み合わせられることができることを例証する。１２回の走査を含む修復は、例証にすぎず、概して、修復は、より少ない（例えば、２、３、および４等）またはより多い（例えば、５０、１００、および２００等）走査を含み得ることを理解されたい。

統合された走査およびアブレーションシステムの種々の実施形態の１つの利点は、修復がより正確であり得、従来の技術と比較して、元々の歯とより類似する可能性が高いことである。これは、従来の技術では、オペレータが、多くの場合、アブレーションシステムと走査システムとの間で切り替えることが必要であろうように、治療の間に付加的が画像を撮影することが、煩雑かつ／または治療される人に対して潜在的に有害であり得るため、画像が、典型的には、治療の前後のみに撮影されるためである。さらに、従来の走査およびレーザベースのアブレーションシステムは、これらのシステムが、概して、相互に互換性がない光学サブシステムを含むため、容易に統合されることはできない。

本明細書に説明されるいくつかの実施形態では、検流計制御ミラー等のアブレーションシステムの光学サブシステムも同様に、走査のために適合される。加えて、または代替として、走査およびアブレーションシステムは、別個の転回ミラー１７および２６（図２Ａに示される）等の異なる光学構成要素を使用してもよい。種々の実施形態では、その位置および相対角度等のこれらの構成要素の特定の幾何学形状は、治療される領域の輪郭を判定するように、走査される画像を分析する際に使用される。これは、走査およびアブレーション／治療システムを内外で交換することを必要とせずに、治療の前後に捕捉される画像に加えて、治療の間にいくつかの中間スライス（例えば、１０、５０、１００、またはそれを上回る）を取得することを可能にすることができる。２個の連続スライスの深度は、治療の間の切断の合計深度と比較して、小さい（例えば、０．０２ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、および０．５ｍｍ等）可能性があり、これは、最大約１ｃｍまたはさらにそれを上回る可能性がある。各スライスにおける輪郭が、実質的に２次元輪郭であることができ、３Ｄ画像が、図５のステップ５およびステップ６に描写されるように、２Ｄ輪郭を使用して、構築されることができる。

治療の間に取得されるスライスが、治療の前後の画像と関連付けられる深度の変化と比較して、深度のわずかな変化（すなわち、２つの連続的画像表面の間の距離）に対応するため、本明細書に説明される種々の実施形態では、わずかな程度の補間のみ、１つの撮像された輪郭から次の撮像された輪郭までの除去された組織の形状を判定するために必要である。これは、処理を簡略化する、および／またはその正確性を増加することができる。さらに、画像は、治療と撮像との両方を促進する単一のハンドピースが患者の口内に保持される間に、取得されることができる。したがって、配向情報および参照の欠如に関連する不正確性は、回避または軽減されることができる。

いくつかの実施形態では、２Ｄ輪郭を使用して３Ｄモデルを生成するプロセッサは、いくつかまたは全ての輪郭および／またはこれらの輪郭に対応するいくつかまたは全ての画像を分析することによって、これらの輪郭に対応するスライスの深度を判定する。この分析は、治療および／または走査の間、ハンドピースの任意の非意図的移動（例えば、ジッタ）を補償することができる。オペレータによって設定されたパラメータに基づいて、主システムコンピュータ／プロセッサは、各治療ステップから切断の深度を推定することができる。２Ｄ輪郭が、異なる治療ステップの間でインターリーブされた組織走査から判定されるため、プロセッサは、特定の走査で取得される画像の２Ｄ輪郭を正確に判定する際に、事前に実施された治療ステップのうちの１つまたはそれを上回るものの推定される深度を使用してもよい。プロセッサはまた、３Ｄモデルの再構成の推定される深度を使用してもよく、それによって、その正確性を増加させる。

種々の実施形態では、ユーザインターフェース５（図１に描写される）を使用して、多様な硬組織および軟組織手技が、採用されることができる。限定としてではなく、実施例として、オペレータが、ハンドピース４を患者の口の中に挿入し、ユーザインターフェース５または別のモニタ上の硬組織または軟組織の画像を観察してもよい。歯を視認しながら、ハンドピース４は、具体的には、治療される部位等の着目部位を視認するために位置付けられてもよい。レーザビームガイダンスシステムは、光のパターンに従って、歯科治療部位を走査するために使用されることができ、および／または治療の間、レーザビームを誘導するために使用されてもよい。交互に行う走査および治療ステップの間に生成される輪郭を使用して、歯科治療部位から除去される組織の部分の３次元（３Ｄ）モデルが作成されることができる。３Ｄモデルに基づいて、修復が、治療された歯科部位にもたらされ、かつそれに適用されることができる。随意に、３Ｄモデルは、修復をもたらすステップに先立って、修正されることができる。修正は、除去された組織の部分が欠損部等の欠陥を含む（例えば、細断した歯に起因して）、または任意の点において不足がある場合、有益である可能性がある。これらの欠陥および不足は、随意の修正を使用して、排除または減少されることができる。置換片の製造または修復に先立って、システムモデルを修正するために、触覚ベースの相互作用モデルを含む、様々な３Ｄモデリングツールおよびシステムのいずれかが、採用されることができる。

本発明は、特に、具体的な実施形態を参照して、示され、かつ説明されているが、形式的かつ詳細における種々の変更が、添付の請求項によって定義されるように、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本明細書において行われてもよいことが当業者によって理解されるであろう。本発明の範囲は、したがって、添付の請求項によって示され、請求項の均等物の意味および範囲内にある全ての変更は、したがって、包含されるものと意図される。

Claims (17)

1. 歯科治療部位の輪郭を判定するためのデバイスであって、
   アブレーションレーザビームを生成するためのレーザ光源と、
   前記歯科治療部位の少なくとも一部を焼灼するために、ハンドピースを介して、前記アブレーションレーザビームを前記歯科治療部位に誘導するためのレーザビームガイダンスシステムと、
   前記歯科治療部位から反射される光線に基づいて、前記歯科治療部位の画像を取得する撮像システムと、
   制御システムであって、
   （ａ）前記撮像システムにおいて受信された第１の画像に基づいて、前記歯科治療部位の第１の２Ｄ輪郭を生成することと、
   （ｂ）前記歯科治療部位から組織の少なくとも一部を除去するために、前記アブレーションレーザビームを前記歯科治療部位に送達するように前記レーザビームガイダンスシステムに指示することと、
   （ｃ）前記歯科治療部位からの組織の前記一部の除去の後、前記撮像システムにおいて受信された第２の画像に基づいて、前記歯科治療部位の第２の２Ｄ輪郭を生成することと、
   （ｄ）治療が完了するまで、追加の２Ｄ輪郭を生成するためにステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返すことと
   を含む動作を行うようにプログラムされている制御システムと
   を備え、前記制御システムは、前記生成された第１の２Ｄ輪郭、第２の２Ｄ輪郭、および追加の２Ｄ輪郭を使用して、前記歯科治療部位から除去される組織の部分の３次元（３Ｄ）モデルを生成する、デバイス。
2. 前記撮像システムは、調節可能焦点レンズを備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記調節可能焦点レンズの焦点距離を調節するためのジョイスティックおよびフットペダルのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記調節可能焦点レンズは、電動のレンズスタックおよび液体レンズのうちの少なくとも１つを備える、請求項２に記載のデバイス。
5. 前記制御システムは、前記画像の合焦部を判定するために適合される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記制御システムは、少なくとも部分的に、前記レーザビームガイダンスシステムおよび前記撮像システムの構成要素のうちの少なくとも１つの幾何学形状に基づいて、前記第１の２Ｄ輪郭および前記第２の２Ｄ輪郭を判定するために適合される、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記アブレーションレーザビームと、前記歯科治療部位から反射される前記光線との両方は、共通光軸に沿って進行する、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記歯科治療部位から反射される前記光線を前記撮像システムに指向するためのスプリッタをさらに備える、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記撮像システムは、前記ハンドピース内に位置する、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記アブレーションレーザビームは、第１の軸に沿って前記歯科治療部位に誘導され、前記歯科治療部位から反射される光線は、前記第１の軸に対して傾斜する第２の軸に沿って進行する、請求項１に記載のデバイス。
11. 光を前記歯科治療部位に提供するための照射システムをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記照射システムは、パターンを有する光を提供するために適合される、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記パターンは、スポット、１次元パターン、および２次元パターンのうちの少なくとも１つを備える、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記レーザビームガイダンスシステムは、前記照射システムからの光を指向することによって、前記歯科治療部位を走査するために適合される、請求項１１に記載のデバイス。
15. 前記３Ｄモデルを使用して、修復をもたらすための手段をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記修復をもたらす前に、前記３Ｄモデルを修正するための手段をさらに含む、請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記修復は、前記歯科治療部位に適用される、請求項１５に記載のデバイス。

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