CN101426420B - 龋齿的光检测 - Google Patents

Abstract

一种用于龋蚀检测的方法通过照射牙齿以激发荧光发射，使用图像捕捉装置(30，32)从牙齿(20)获得荧光图像数据。随后，通过在第一入射角照射牙齿，从牙齿组织获得背向散射反射图像数据，并且组合背向散射反射图像数据与荧光图像数据，获得牙齿的第一增强图像。随后，通过在第二入射角照射牙齿，从牙齿组织获得背向散射反射图像数据，并且组合背向散射反射图像数据与荧光图像数据，获得牙齿的第二增强图像。随后，分析第一和第二增强图像以选择和显示对比度最佳的图像。此方法提供了所有牙齿表面的龋蚀部位(58)的高对比度图像。

Description

龋齿的光检测

技术领域

本发明一般涉及用于牙科成像的方法和设备，并且更具体地说，涉及通过使用荧光和光反射，在包括邻间的所有表面上用于龋蚀检测的改进方法。

背景技术

尽管在检测、治疗和防止技术上有了改进，但龋齿仍是极为盛行的状况，影响着所有年龄组的人们。如果得不到适当和及时的治疗，龋蚀会导致永久性牙齿损坏，甚至缺牙。

龋蚀检测的传统方法包括视觉检查和使用尖的牙探针装置进行的触觉探查，经常辅助以x摄影(x线)成像。使用这些方法的检测有一定的主观性，准确性由于许多因素的影响而会变化，包括医生技能、受患部位置、感染程度、查看条件、x线设备和处理准确性及其它因素。常规检测技术也存在相关联的危险，包括使用触觉方法可能损坏变弱的牙齿和扩散感染及暴露在x线辐射下。等到在视觉和触觉检查下龋蚀明显时，病情一般是在晚期，需要进行补牙，并且如果未得到及时治疗，可能导致缺牙。

为响应对改进的龋蚀检测方法的需要，人们在不需要采用x线的改进成像技术方面已投入了大量的关注。已商业化的一种方法采用在使用高强度蓝光照射牙齿时产生的荧光。这种称为定量光导荧光(QLF)的技术的作用原理是，完好、健康的牙齿釉质在一些波长激发下产生的荧光强度比已被龋蚀感染的脱钙釉质高。脱矿(mineral loss)与蓝光激发荧光损失之间的强关联随后用于识别和评估牙齿龋蚀区。对于红光激发发现了不同的关系，光谱的某个区域由龋蚀部位的细菌和细菌副产物吸收，并且发出的荧光比健康部位更显著。

下面是提议用于龋蚀光检测的一些解决方案：

美国专利4515476(Ingmar)公开了使用激光器提供激发能量，生成用以定位龋蚀区的某个另外波长的荧光。

美国专利6231338(de Josselin de Jong等人)公开了一种使用荧光检测识别龋齿的成像设备。

美国专利申请公布说明书2004/0240716(de Josselin deJong等人)公开了对从发荧光组织获得的图像改进图像分析的方法。

美国专利4479499(Alfano)描述了一种使用透射法基于牙齿结构的半透明属性检测龋蚀的方法。

在使用荧光行为进行牙科成像的市售产品中有荷兰阿姆斯特丹Inspektor Research Systems BV的QLF Clinical System。伊利洛伊州Lake Zurich的KaVo Dental Corporation生产的Diagnodent Laser CariesDetection Aid使用不同的方案检测龋蚀活跃性，监视红光照射下细菌副产物的荧光强度。

美国专利申请公布说明书2004/0202356(Stookey等人)描述了荧光谱变化的数学处理，以检测不同时期的龋蚀，并改进了准确性。获知使用光谱荧光测量时早期检测的困难，Stookey等人的′2356号公开描述了用于增强所获得的光谱值的一些方法，可实现适用于获得荧光图像的相机光谱响应的光谱数据变换。

虽然公开的方法和设备显示了在为龋蚀检测提供非侵入式、非离子化成像方法方面的希望，但仍有改进的空间。与采用荧光成像的现有技术有关的一个认识到的缺陷涉及到图像对比度。诸如QLF等荧光生成技术提供的图像由于在健康与受感染区之间的对比度较差，因而难以评估。如Stookey等人的′2356号公开所述，初期龋蚀的光谱和强度变化很小，这使得难以将非病性牙齿表面不规则性与初期龋蚀区别开。

一般公认采有荧光技术时，获得的图像对比度与病情的严重性相对应。使用这些技术准确识别龋蚀，往往要求病情处于初期或早期龋蚀之外的晚期阶段，这是因为在龋蚀早期，龋蚀与完好牙齿结构之间的荧光差别很小。在这种情况下，荧光技术的检测准确性并不会比常规方法有明显改进。由于存在此缺点，荧光效应的使用似乎受到一些实际限制，这阻碍了初期龋蚀的准确诊断。因此，龋蚀病情可能变得较严重时(例如需要补牙前)才被检测到。

龋蚀的极早期检测尤其受到预防口腔学的关注。如上所述，常规技术一般无法在病情可逆转的时期检测到龋蚀。最主要的是，初期龋蚀是对牙齿釉质渗入还不大的损害。若在此类龋损威胁到牙齿的牙质部分前识别龋损，则通常可实现再矿化，从早期损害复原且无需补牙。但更晚期的龋蚀则变得更难以治疗，大多数情况下经常要求某种类型的补牙或其它干预。

要争取时机，通过非侵入式牙科技术阻止龋蚀，则必需在龋蚀开始时便检测到。许多情况下，如Stookey等人的′2356的公开中所述，人们发现此级别的检测难以使用诸如QLF等现有荧光成像技术实现。因此，早期龋蚀仍无法检测到，这样，等到获得肯定的检测时，通过低成本的预防措施来恢复的机会已消失。

龋蚀检测的一个特定的困难区域涉及邻间龋蚀，即，在沿相邻牙齿之间间隔的表面上发生的龋蚀。与诸如舌部或颊部等牙齿表面其它部分相比，照射和查看邻间区的难度要大得多。为使用常规荧光成像查看邻间牙齿组织，已证明产生荧光的激发照射可从同一平面(即包含舌面、咬合面和颊面的法线的平面)内的任何角度范围射向牙齿，在一个角取向与另一角取向的照射之间可感知的改进很少或不存在。例如，在Buchalla、Lennon、van der Veen和Stookey所著，题为“使用定量光导荧光检测邻间龋蚀的最佳相机和照射角度”(“OptimalCamera and Illumination Angulations for Detection of InterproximalCaries Using Quantitative Light-Induced Fluorescence”in CariesResearch2002，pp.320-326)的论文中得出了此结论。此论文提出相机角度的重要性，但未考虑变化的照射角度对得到适合荧光图像的影响。它未考虑在包含舌面、咬合面和颊面的法线的平面外的照射角度变化。它也未考虑诸如反射等非荧光光信号的照射角度变化。

邻间龋蚀是极为普遍的难以检测的龋齿形式。虽然诸如使用荧光生成的那些成像解决方案显示了对较易查看的牙齿区检测龋蚀有一定用处，但这些解决方案对于检测邻间龋蚀的效果很差。因此，可见需要一种非侵入式、非离子成像的龋蚀检测方法，为更早期的龋蚀检测和邻间龋蚀检测提供改善的精确度。

发明内容

本发明提供了一种用于龋蚀检测的方法，包括：

(a)在面向牙齿的位置放置图像捕捉装置；

(b)通过照射牙齿以激发荧光发射并且从发射光获得荧光图像，从牙齿获得荧光图像数据；

(c)通过以下操作获得牙齿的第一增强图像：

(i)在第一入射角照射牙齿；

(ii)从背向散射光获得牙齿组织的背向散射反射图像数据；以及

(iii)组合背向散射反射图像数据和荧光图像数据以形成第一增强图像；

(d)通过以下操作获得牙齿的第二增强图像：

(i)在不同于第一入射角的第二入射角照射牙齿；

(ii)从背向散射光获得牙齿组织的背向散射反射图像数据；以及

(iii)组合背向散射反射图像数据和荧光图像数据以形成第二增强图像；

(e)分析第一和第二增强图像以选择对比度最佳的图像；以及

(f)显示对比度最佳的图像。

本发明的特性是它组合了荧光和反射图像数据以实现改进的牙科成像。

本发明的一个优点在于它在现有荧光成像技术上提供了增强，对包括邻间龋蚀在内的所有表面龋蚀检测有用。

本发明的又一优点在于它提供了用于检测邻间龋蚀的成像方法，具有比现有方法改进的对比度。

在结合示出并描述了本发明说明性实施例的附图阅读以下详细说明中，本领域的技术人员将明白本发明的这些和其它目的、特性和优点。

附图说明

在下面本发明的详细说明中，参照附图，其中：

图1是根据一个实施例的用于龋蚀检测的成像设备的示意框图；

图2是根据备选实施例的用于龋蚀检测的成像设备的示意框图；

图3是根据使用分束器的备选实施例的用于龋蚀检测的成像设备的示意框图；

图4A是根据使用偏振光的备选实施例的用于龋蚀检测的成像设备的示意框图；

图4B是根据使用偏光分束器提供偏振光的备选实施例的用于龋蚀检测的成像设备的示意框图；

图5是示出根据本发明的用于组合牙图像数据以生成荧光图像和反射增强的流程的视图；

图6是以并排比较方式示出本发明的对比度改进和常规视觉与荧光方法的组合图；

图7示出根据本发明的用于生成增强阈值图像的连续图像处理的框图；

图8A和8B是示出根据本发明的在两个不同照射角度获得邻间区图像的相机的透视图；

图9是用于从不同角度提供照射的相机布置的透视图；

图10是如图9所示的相机前端的平面图；

图11A和11B示出从相机一侧的有角度照射和结果得到的FIRE图像；

图12A和12B示出从相机另一侧的有角度照射和结果得到的FIRE图像；

图13A和13B示出从相机两侧的有角度照射和结果得到的FIRE图像；

图14是用本发明的方法进行龋蚀检测的工作流程图；

图15示出牙科医师用于进行龋蚀诊断的显示界面；以及

图16示出一个备选实施例，其中通过活动反射镜只用一个光源从两个角度提供照射光。

具体实施方式

本说明特别涉及形成根据本发明的设备一部分或与其直接协作的部件。要理解的是，未明确示出或描述的部件可采取本领域技术人员熟知的各种形式。

如前面背景技术部分所述，已知可用荧光借助于以下的两种特征响应中的任一个来检测龋齿：首先，由蓝光源形成的激发促使健康的牙齿组织发出绿光谱荧光。其次，由红光源形成的激发可促使诸如那些指示龋蚀的细菌副产物发出红光谱荧光。

为理解在本发明中如何使用光，重要的是更精确地定义通常在生物医学应用中使用，并且更具体地说在本发明的方法和设备中使用的术语“反射”和“背向散射”。在最广义的光学用法中，反射一般表示镜面反射和散射反射二者的总和。(镜面反射是与入射角在同一角度的牙齿表面反射的激发光分量。)但是，在许多生物医学应用中，如在本发明的牙科应用中一样，反射的镜面分量不受关注，并且实际上通常对从样本获得图像或测量不利。本申请关注的反射分量只是来自背向散射光的分量。镜面反射必须阻止或以其它方式从成像路径中去除。根据这种区别观念，术语“背向散射反射”在本申请中用于表示所关注的反射分量。“背向散射反射”定义为在大角度范围内被照射牙齿结构弹性地背向散射的激发光分量。“反射图像”数据在本发明中使用时，由于镜面反射被阻止或抑制到最低，因此，此术语指只从背向散射反射获得的图像数据。在科学文献中，背向散射反射也可表示为背向反射或者简单地表示为背向散射。背向散射反射与激发光在同一波长上。

人们发现，在完好的与龋蚀的牙部位之间的光散射特性不同。具体而言，对于正常区与龋蚀区，从照射区的光反射会处在可测量的不同级别。这种反射变化单独看来在根据其本身考虑时可能不具有充分显著的诊断价值，这是因为这种效应虽然可检测到，但极微弱。例如，对于晚期的龋蚀，背向散射反射作为指标可能比在早期更低。

但是，发明者发现，此背向散射反射变化可与荧光效应结合使用，以更清晰、更准确地查明龋蚀位置。另外，发明者观察到光散射活动性的变化在初期龋蚀区更显著，而无论何处有龋蚀病情，它通常都可检测到。此背向散射反射变化在即使荧光效应最不显著的龋蚀早期也明显。

本发明利用初期龋蚀观察到的背向散射行为，并且用此效应与前面背景技术部分中所述的荧光效应相结合，为牙科成像检测龋蚀提供了改进的性能。下文称为具有反射增强的荧光成像(FIRE)的发明技术不但有助于与早期方案相比提高图像对比度，而且能够在预防措施可实现再矿化的时期检测到初期龋蚀，在须采取更复杂的恢复措施前的某个阶段修复龋蚀感染造成的损害。有利的是，可在比使用单独测量荧光的现有荧光方案所展示的龋蚀感染的更早期，实现准确的FIRE检测。另外，在采用适合的照射设备和技术时，FIRE检测方法可用来实现比以前可用的方法更有效的邻间龋蚀检测。

要强调的是，如在美国专利4184175(Mullane，Jr.)、美国专利申请公布说明书2003/0156788(Henning)和PCT申请WO2003/094771(Karazivan等人)中所述，反射已用于区分龋蚀损伤和完好牙齿结构，它始终用作单独的数据；尚未认识到反射信号中另外的信息可与荧光组合，以便为龋齿检测提供更高对比度的图像。另外，在诸如使用QLF技术获得的那些测量等常规荧光测量中，反射本身是要避免而不是利用的效应。滤色器通常用于阻止所有激发光到达相机或其它检测装置。本发明中的FIRE方法通过图像处理来组合荧光和反射图像，提供了比单独或分开使用荧光或反射的现有技术方法改进的龋蚀检测性能。

成像设备

参照图1，它示出一个实施例中使用FIRE方法进行龋蚀检测的成像设备10。通过可选透镜14或其它光束调整部件，光源12将蓝光波长范围或其它适合波长范围的入射光射向牙齿20。光的两个分量随后由单色相机30通过透镜22检测到：具有与入射光相同的波长并具有可测量反射的背向散射光分量；以及已由入射光激发的荧光。对于FIRE成像，镜面反射会造成假阳性，因而不需要。

在图1的实施例中，单色相机30具有滤色器26和28。滤色器26和28中的一个在反射成像期间使用，另一个在荧光成像期间使用。处理设备38获得并处理反射和荧光图像数据，并形成FIRE图像60。FIRE图像60是可打印或可在显示器40上显示的增强诊断图像。FIRE图像60也可发射到储存器或者发射到另外的地点进行显示。

参照图2，它示出了使用彩色相机32的备选实施例。通过此布置，一般将不需要辅助滤色器，这是因为彩色相机32能够从牙齿20的全色图像的分色获得反射和荧光图像。

光源12一般围绕蓝光波长为中心，如在一个实施例中大约405nm。实际上，光源12可发射波长范围从更高的紫外线光范围到更深的蓝光，约300与500nm之间的光。光源12可以是激光器或者可用一个或多个发光二极管(LED)制成。备选的方式是，可使用诸如氙灯等具有用于通过所需波长的支持滤色器的宽带光源。透镜14或其它光学元件可用于调节入射光，如通过控制照射区的均匀性和大小。例如，如图2虚线所示的扩散器13可在透镜14之前或之后用将LED光束的热点(hot spots)消除。照射光的路径可包括导光或配光结构，例如，光纤或液芯光导管(未示出)。亮度等级一般为几毫瓦的强度，但可以更高或更低，视所使用的光调节和传感部件而定。

参照图3，照射装置也可垂直入射地照射光，并且光通过分束器34转向。放置的颜色相机32随后将得到通过分束器34而射出的图像光。照射的其它选择包括从一侧或多侧以倾斜入射方式将多个光源射向牙齿。备选的方式是，可采用环形圈或诸如在圆环阵列中在中心周围分布的LED光源的照射布置，以从多个角度均匀地供光。照射也可通过光纤或光纤阵列实现。后面将描述最适用于邻间龋蚀检测的照射装置。

在图1-3中表示为透镜22的成像光学系统可包括任何合适的光学元件配置，从单透镜元件到多单元透镜的可能配置。牙齿表面(不是平整的，而是既具平滑轮廓又非常隆起的区域)的清晰成像，要求成像光学系统具有充分的焦深。要获得最佳分辨率，成像光学系统最好能提供大致填满相机的传感器单元的图像尺寸。远心光学系统对于透镜22是有利的，它提供了并不高度依赖于光线角度的图像承载光。

图像捕捉可通过单色相机30(图1)或彩色相机32(图2)执行。一般情况下，相机30或32采用CMOS或CCD传感器，并且是手持式。单色型式一般采用适用于所关注波长的可伸缩光谱过滤器26、28。对于具有蓝光波长的光源12，用于捕捉反射图像数据的光谱过滤器26将主要透射蓝光。用于捕捉荧光图像数据的光谱过滤器28将透射在不同波长的光，如主要为绿光。优选的是，光谱过滤器26和28可自动切换到位，以能够以极为接近的连续顺序捕捉反射和荧光图像。两种图像可从同一位置获得以能够准确记录图像数据。

光谱过滤器28将通过在适当波长范围内捕捉荧光数据的通带进行优化。使用在用于激发的光波长范围之外的发射光，已从牙齿20获得的荧光效应可具有在可视范围内较广的光谱分布。荧光发射一般在约450nm与600nm之间，通常在大致从大约510nm到大约550nm范围的绿色区域达到峰值。因此，对于光谱过滤器28，一般优选绿滤光器以在其最高能级获得此荧光图像。使用彩色相机32时，通常由于此相同原因而使用绿色图像数据。正如彩色图像捕捉领域的技术人员所熟知的，此绿色图像数据也通过绿滤光器获得，如滤色器阵列(CFA)中的绿滤光器。但是，在其它实施例中也可使用其它范围的可见光谱。

相机控制经适当调整以获得每种类型的图像。例如，在捕捉荧光图像时，由于此图像可能不强烈，因此，必需对增益、快门速度和孔径进行适当的曝光调整。使用彩色相机32(图2)时，由相机图像传感器上的滤色器阵列执行滤色。在蓝色平面中捕捉反射图像，同时，在绿色平面中捕捉荧光图像。也说是说，单次曝光可捕捉背向散射反射和荧光图像这二者。

处理设备38一般为计算机工作站，但在其最广义应用中，可以为任何类型的控制逻辑处理部件或系统，能够从相机30或32获得图像数据，并对该数据执行图像处理算法以生成FIRE图像60数据。处理设备38可以在本地，或者可通过网络接口连接到图像传感部件。

参照图5，它以示意图形式示出FIRE图像60如何根据本发明形成。牙齿20的两个图像即绿色荧光图像50和蓝色反射图像52均可获得。如上所述，必须强调的是用于反射图像52及其数据的反射光来自背向散射反射，而镜面反射被阻止或被抑制得尽可能低。在图5的示例中，有由每个图像50、52和60中以虚轮廓(phantom oulline)表示的龋蚀部位58，该部位在荧光中造成轻微的减小而在反射中造成轻微的增大。龋蚀部位58在荧光图像50或反射图像52中单独而言可能是觉察不到或几乎觉察不到。处理设备38对图像50和52均使用如下所述的图像处理算法对图像数据进行操作，结果得到了FIRE图像60。龋蚀部位58与完好牙齿结构之间的对比被突出显示，因此，使得龋蚀状态在FIRE图像60中更容易看到。

图6以并排比较方式示出本发明的对比度改进和可见白光图像54与常规荧光方法。对于在极早期的龋蚀，在直接通过眼睛观察或者如口腔内窥镜捕捉的白光图像54中，龋蚀部位58可能看上去与周围健康的牙齿结构不易区别。在现有荧光方法捕捉的绿荧光图像52中，龋蚀部位58可显示为极弱的难以注意到的阴影。与此相反，在本发明所生成的FIRE图像60中，相同的龋蚀部位58可显示为更暗、更易检测的点。显然，FIRE图像60及其对比度增强提供了更大的诊断价值。

图像处理

如上参照图5和6所述，图像数据的处理使用反射和荧光图像数据这二者以生成可用于识别牙齿龋蚀区的最终图像。有多种备选处理方法可用于组合反射和荧光图像数据以形成诊断用FIRE图像60。在一个实施例中，此图像处理为每个像素执行以下操作：

(m*F_value)-(n*R_value)     (1)

其中，m和n是适合的乘数(正系数)，并且F_value和R_value是分别从荧光和反射图像数据获得的代码值。

对于龋蚀部位中的图像像素背向散射反射更高(更亮)，从而产生了比周围像素更高的这些像素的反射值R_value。同时，荧光在龋蚀部位中的图像像素更低(更暗)，从而产生了比对周围像素更低的这些像素的荧光值F_value。对于龋蚀部位中的像素，荧光在强度方面与反射相比要弱得多。在将荧光和反射分别乘以标量倍数m和n，m>n后，所有像素换算后的荧光值变得超过或等于对应的换算后的反射值：

(m*F_value)>或＝(n*R_value)。    (2)

随后，从每个像素换算后的荧光值减去换算后的背向散射反射值可得到处理后的图像，其中，在龋蚀部位中像素与完好部位中像素的强度值之间的对比更明显，产生了可容易显示和识别的对比度增强。在一个实施例中，用于反射值R_value的标量倍数n为1。

遵循如前面参照表达式(1)示例所述的荧光和反射值初始组合，另外的图像处理也可受益。使用成像领域技术人员熟知的图像处理技术执行的取阈值操作，或用于FIRE图像60的组合图像数据的一些其它适合的调节均可用于进一步增强龋蚀部位与完好牙齿结构之间的对比度。参照图7，它以框图形式示出了根据一个实施例用于生成增强阈值FIRE图像64的连续图像处理。如上所述，荧光图像50和反射图像52先组合以形成FIRE图像60。随后，执行取阈值操作，提供更清晰定义所关注区龋蚀部位58的阈值图像62。随后，阈值图像62与原FIRE图像60组合以生成增强的阈值FIRE图像64。类似地，阈值检测的结果也可在白光图像54(图6)上执行以最终画出龋蚀感染位置的轮廓。

适当系数m和n的选择取决于光源的光谱容量(spectral content)和图像捕捉系统的光谱响应。例如，从一个LED到下一个LED中心波长和光谱带宽存在变动性。类似地，不同图像捕捉系统的滤色器和图像传感器的光谱响应中存在变动性。这种变动影响被测量反射和荧光值的相对等级。因此，作为初始校准过程的一部分，可能必须为每个成像设备10确定不同的m和n值。成像设备10制造期间使用的校准过程随后可优化m和n值，以在形成的FIRE图像中提供可能的最佳对比度增强。

在一个校准顺序中，获得了用于反射成像的光源12的光谱测量。随后，为从牙齿激发的荧光发射进行光谱测量。此数据提供了在所关注的每个波长范围内可用光能相对量的概括。随后，按已知基准对相机30(具有适当的滤色器)或32的光谱响应进行量化。这些数据随后例如用于生成一组优化倍数m和n值，以便由用于形成FIRE图像60的特定成像设备10的处理设备38使用。

容易理解，也可用任何数量的更复杂的成像处理算法来组合反射和荧光图像数据，以获得更清晰识别龋蚀部位的增强图像。对图像数据使用多种不同的成像算法以获得最有用的结果，这可能是有利的。在一个实施例中，操作员可选择使用一组不同的图像处理算法用于调节获得的荧光和反射图像数据。这将允许操作员检查在以多种不同方式处理时的图像数据，并且有助于优化具有不同形状相关特征或者在牙齿表面不同区出现的龋损检测。

要强调的是，由于本发明采用荧光和反射两种数据，因此，在本发明中实现的图像对比度增强优于只使用荧光图像数据的常规方法。常规上，在只获得荧光数据的情况下，使用图像处理来优化数据，如基于相机或相机滤色器的光谱响应或其它适合特征来变换荧光数据。例如，上述的Stookey等人的′2356号公开的方法执行这种类型的优化，基于相机响应来变换荧光图像数据。但是、这些常规方案忽视了由背向散射反射数据获得的额外图像信息而增加的益处。

备选实施例

本发明方法允许多种备选实施例。例如，可使用偏振元件改进反射和荧光图像之一或二者的对比度。人们发现，具有高度结构化成分的釉质对入射光的偏振很敏感。偏振光已用于改进牙科成像技术的灵敏度，例如，见诸于Fried等人的文章“通过偏振敏感的光学相干断层扫描技术为龋损和龋损进展成像”(“Imaging Caries Lesions and LesionProgression with Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography”in Journal of Biomedical Optics，Vol.7No.4，October2002，pp.618-627)。

镜面反射往往保留入射光的偏振状态。例如，在入射光为S偏振时，镜面反射光也是S偏振。另一方面，背向散射往往将入射光的偏振去偏振或随机化。在入射光为S偏振的情况下，背向散射光具有S和P偏振分量。通过使用偏光器和检偏器，这种偏振处理方面的差别可有助于从反射图像中消除不需要的镜面反射，以只得到背向散射反射。

参照图4A，它示出了在照射光路径中采用偏光器42的成像设备10的实施例。偏光器42以线性方式使偏振的入射光通过。可选的检偏器44也可设在来自牙齿20的图像承载光路径中，作为将镜面反射分量降到最低的部件。通过此偏光器42/检偏器44组合而成的偏振元件组合，相机30或32感测到的反射光主要为背向散射光，即根据本发明与荧光图像数据组合所需的那部分反射光。

图4B所示的一个备选实施例用偏光分束器18(有时称为偏振分束器)作为偏振元件。在此布置中，偏光分束器18有利地为图像承载光执行偏光器和检偏器二者的功能，从而提供了更紧凑的解决方案。跟踪照射和图像承载光的路径示出偏光分束器18如何执行此功能。来自光源12的照射基本上是非偏振光。偏振分束器18透射如图4B虚线箭头所示的P偏振，并反射S偏振，将此光射向牙齿20。在龋蚀患部，背向散射可将此光去偏振。偏光分束器18以此方式处理背向散射光，透射P偏振并反射S偏振。随后，在单色相机30(具有如参照图1所述的适合滤色器)或彩色相机32检测到结果得到的P偏振光。由于镜面反射光是S偏振，因此，偏光分束器18有效地从到达相机30、32的光去除此镜面反射分量。

如可从图4A和4B说明中看到的一样，偏振照射在图像对比度上得到进一步改善，但牺牲了亮度级。因此，在以此方式使用偏振光时，可能需采用更高强度的光源12。此偏振照射采用对获得反射图像数据特别有利，并且在获得荧光图像数据时也有利，增大了图像对比度并将镜面反射的效应降到最低。

在成像设备10中使用特别有利的一种偏光器42类型是线栅偏光器(wire grid polarizer)，如从犹他州奥勒姆Moxtek Inc.生产和美国专利6122103(Perkins等人)中所述的那些偏光器。线栅偏光器展示了优良的角度和颜色响应，在蓝光谱范围内有相对优良的透射。线栅偏光器可以是图4A配置中的偏光器42和检偏器44中的任一个或这二者。还有线栅分光分束器(wire grid polarizing beamsplitters)可用，并可在图4B的配置中使用。

本发明的方法利用牙齿组织响应足够强度入射光的方式，使用荧光和光反射指示牙齿龋蚀区，并且改进了准确性和清晰度。这样，本发明在用于龋蚀的现有非侵入式荧光检测技术方面提供了改进。如上面“背景技术”部分所述，已只使用荧光获得的图像由于低对比度原因而可能未清晰示出龋蚀。本发明的方法提供了具有改进对比度的图像，因此可更有利于识别龋蚀的诊断。

另外，不同于只使用荧光的早期解决方案，本发明的方法还提供可用于检测在极早期龋蚀的图像。这种增加的性能由于对极早期龋损可觉察的背向散射效应而成为可能，它扩展了荧光技术的用途，并且有助于在可恢复阶段检测到龋蚀，因而可能不需补牙或其它康复策略。

邻间龋蚀检测

如前面“背景技术”信息中所述，对于牙科成像，邻间龋蚀检测比在更易于看到的牙齿表面出现的龋蚀呈现了更难以克服的问题。为对在所有表面上的龋蚀检测中利用FIRE技术的对比度增强性能，必需提供一种实施方案，将诸如牙齿表面复杂外形和入射光到邻间区的可达性等因素考虑在内，以能够对包括邻间龋蚀在内的所有表面上的龋蚀进行高对比度检测。

用于实现FIRE的各种照射装置前面已论述，包括使用从垂直入射和从偏轴角(off-axis-angle)入射的单个或多个光源。这些照射装置提供舌面/唇面、颊面和咬合面龋蚀的高对比度FIRE检测，但它们并非全部适用于邻间龋蚀。垂直入射的光不能如适当偏轴角的光那样可到达邻间龋蚀。更具体地说，从相机角度而言，从相机右侧射出的光可更好地到达右邻间上的损害，而从相机左侧射出的光可更好地到达左邻间上的损害。但是，邻间龋蚀患部不是先验就已知的。要使用FIRE为邻间龋蚀检测提供最佳解决方案，传统的专家可能建议在不止一个角度用不止一个光源进行照射。但实际上，此类多角度照射产生了次佳的FIRE结果。图11到13示出FIRE检测对比度对照射装置的敏感程度。

图11A、11B、12A、12B、13A和13B通过示例给出在具有邻间龋蚀区58的牙齿20b上使用变化的照射角度及可获得的结果。图11A、12A和13A是俯视图，示出在各种角度布置将光导向牙齿20b的光源16a和16b。图11B、12B和13B示出对于在每个这些角度布置提供的照射，使用FIRE成像的对应结果。先参照图11A，光源16b从在邻间龋蚀区58所在牙齿20b侧相对的相机32侧照射；此在角度方向射出的光对邻间龋蚀区58的照射较差。由于相邻牙齿20a散射和反射光的原因，图11B中所示结果FIRE图像未示出大的对比度增强。此散射光会形成不必要的背景光，该背景光有效地“洗除”了否则可通过FIRE获得的对比度增强效果。

随后转到图12A，它示出了具有在更有利角度上的照射布置，也就是说，来自与邻间龋蚀区58所在的牙齿20b同侧的相机32侧射出的光源16a。从相邻牙齿20a散射的照射更少，因此，如图12B所示，在FIRE图像中得到了对比度增强。通过更高对比度FIRE图像，邻间龋蚀区58更清晰可见，因而可更好检测到。

图13A和13B示出牙齿12b同时由光源16a和16b照射的情况。虽然此类方案增大了总体光照等级，但如图13B所示的结果FIRE图像对比度增强实际上比只使用光源16a时实现的增强低。由于还使用光源16b照射，可能的对比度增强由于与如图11A和11B所示相同的原因而失去。

如图11A到13B示例所示，仅在光从与受影响牙齿有龋蚀病情一侧的相同侧射出时，邻间龋蚀成像才受益于FIRE的对比度增强。更精确地说，相对于到受影响邻间面的法线，锐角照射提供了展示比钝角照射更佳的对比度增强的FIRE图像。此外，如图13A和13B示例中所示，在使用多角度的同时照射时，使用FIRE的对比度增强量实际上更低。

当然，龋蚀区58的位置事先是未知的。为确保以高对比度检测到在牙齿任一侧上的邻间龋蚀，必须在不同时间从相机两侧提供有角度的照射。

因此，为实施在包括邻间龋蚀的所有表面上龋蚀对比度增强检测的FIRE方法，本发明的方法在给定相机位置获得多个FIRE图像，通过为每个图像改变照射角度来调制照射特征。虽然舌面/唇面或咬合面龋蚀成像的对比度增强将对照射角度不是如此敏感，但邻间龋蚀将在通过照射角度而具有范围从差到优的不同对比度增强量的FIRE图像中示出。重要之处在于FIRE图像组将有一个图像以最佳对比度增强捕捉到邻间龋蚀。从捕捉的荧光和反射图像生成的FIRE图像组可全部显示以供诊断医生进行视觉分析。在优选实施例中，它们可由处理设备38(图1、2)处理，以选择和显示最佳对比度FIRE图像，供诊断医生进行龋蚀病情诊断。

参照图8A和8B，图中以透视图示出了在不同时间从两个不同方向照射成像的牙齿20a与20b之间的龋蚀区58。彩色相机32在直接面向牙齿20b的位置保持固定。在图8A视图中左侧的光源16a单独从第一角度照射牙齿20b时，捕捉到第一组荧光图像和反射图像。此第一组荧光图像和反射图像将组合以生成第一FIRE图像。随后，如图8B所示，在只使用在相对角度提供照射的光源16b时，捕捉到第二组荧光图像和反射图像。第二FIRE图像来自此第二组荧光图像和反射图像。

在一个备选实施例中，如图16所示，只有一个光源12用于从两个角度提供照射光。这种情况下，活动反射镜74在从一个角度照射时将光导向反射镜16(光线表示为虚线)，并在从另一角度照射时将光导向反射镜78(光线表示为实线)。活动反射镜74可通过装在例如旋转检流计或转换滑板上的反射镜实现。

图9和10分别示出一个具有相机32的成像设备10的实施例的透视与平面图，配备了相对于相机镜头36布置在不同位置的多个光源16a、16b、16c和16d(图中未示出)。光源16a、16b、16c和16d可如图所示作为彩色相机32的组成部分附接，或者可以是单独的设备。在一个实施例中，得到用于构成四个FIRE图像的四组荧光和反射图像，每组图像分别单独使用各光源16a、16b、16c和16d而获得。任选的方式是，也可采用光源16a、16b、16c和16d的组合。例如，一个FIRE图像从同时使用光源16b和16c，只从一侧照射捕捉的荧光和反射图像生成；随后，另一FIRE图像从同时使用光源16a和16d，只从另一侧照射而捕捉的另一组荧光和反射图像生成。通过只改变照射角度并保持彩色相机32固定，以此方式获得连续的FIRE图像，一个FIRE图像捕捉到具有最佳对比度增强的任何龋损，因而改进了诊断性能。这样，本发明提供了可为所有面上的龋蚀检测利用FIRER技术的对比度增强性能的改进技术。

在一个实施例中，各光源16a、16b、16c和16d是LED，与适合的光学系统一起提供以在适合的角度将光导向牙齿。任选的方式是，设置调节支架，以能够为成像而适当定向一个或多个光源16a、16b、16c和16d。备选的方式是，将具有两个或更多个发光元件的元件组用于一个或多个光源16a、16b、16c或16d。也可采用其它类型的照射器件，如激光器、灯或用光纤或其它类型的光导管射向牙齿20的光源。

光源16a、16b、16c和16d可在相同的波段发光，或者可提供不同波长的光。在优选实施例中，光源16a、16b、16c和16d发射相同波长的光。在一个备选实施例中，光源16a和16b提供用于激发荧光发射的适当能级和波长的光。光源16c和16d提供在最适用于背向散射反射成像的波长和能级上的光。对于其它实施例，可通过单独或同时使用光源16a、16b、16c和16d的多种可能组合，使用多种可能的成像顺序。在该优选实施例中，只在光来自单个照射角度或所有照射角度的情况下获得一次荧光图像；随后，使用来自不止一个照射角度的光获得反射图像。这种情况下，相同的荧光图像与每个反射图像组合以生成用于每个照射角度的独特FIRE图像。备选的方式是，可为每个照射角度捕捉荧光图像和反射图像。另一个备选方式是，用一个光源提供白光照射。

工作流程

成像设备10允许牙科医师对每个牙齿成像并自动处理每个图像，显示结果以供查看和诊断评估。图14示出在使用高度自动化顺序的一个实施例中用于成像工作流程的连续步骤。在一个图像捕捉步骤100中，牙医或技术人员将彩色相机32及其照射设备对准牙齿表面设置。牙科医师随后诸如通过按控制按钮或下压脚踏开关来指示成像设备10获得图像。彩色相机32在此位置拍摄连续的图像。图像捕捉顺序包括从第一侧为光源通电和捕捉荧光与反射图像，然后从另一侧为光源通电并捕捉荧光和反射图像。也可选择捕捉白光图像。随后，在图像处理步骤110中，处理设备38执行图像处理以从通过第一侧照射捕捉的荧光和反射图像生成第一FIRE图像，并从通过第二侧照射捕捉的荧光和反射图像生成第二FIRE图像。处理设备38随后运行算法，比较两个FIRE图像的对比度并选择具有最佳对比度的图像。随后，可执行龋蚀检测步骤120，在选定的最佳对比度FIRE图像70上使用图像分析算法检测可疑的龋蚀区，并可选择以某种方式评估龋损严重性。随后是显示步骤130，在该步骤，在显示器40上显示选定的最佳对比度FIRE图像70。在显示器上的选定FIRE图像70中，可疑的龋蚀区可能标出或突出显示，或者可能未标出或突出显示。荧光图像、反射图像、为两个照射配置生成的FIRE图像、选定的FIRE图像70及与牙齿特面相关联的白光图像均保存在数据库中；它们可检索显示以供进一步检查。随后执行循环逻辑步骤140，对每个所关注的牙齿表面执行步骤100、110、120和130。如果要拍摄所有牙齿，则为每个牙齿的舌面/唇面、颊面和咬合面执行步骤100、110、120和130。如果牙科医师想要不同的图像，可重复进行图像捕捉步骤100。

在为患者所有牙齿完成像捕捉后，显示器40接口可具有图15所示的显示。参照图15，单击牙图上的特定牙齿，并选择特定的牙齿表面按钮以检索出关联组的图像。例如，白光图像72可沿选定FIRE图像70侧显示，而后者显示了高对比度的舌面龋蚀66和邻间龋蚀68。需要时，诊断医生也可选择显示反射和/或荧光图像。诊断医生基于这些图像对牙齿状况做出诊断。

本文提供的是通过使用背向散射反射和荧光的组合效果来改进在包括邻间表面在内的所有表面上的龋蚀对比度检测的装置和方法。

部件列表

10   成像设备

12   光源

13   扩散器

14   透镜

16a  光源

16b  光源

16c  光源

16d  光源

18   偏光分束器

20   牙齿

20a  牙齿

20b  牙齿

22   透镜

26   滤色器

28   滤色器

30   单色相机

32   彩色相机

34   分束器

36   透镜

38   处理设备

40   显示器

42   偏光器

44   检偏器

50   荧光图像

52   反射图像

54   白光图像

58   龋蚀区

60   FIRE图像

62   阈值图像

64   增强阈值FIRE图像

66   舌面龋蚀

68   邻间龋蚀

70   选定的FIRE图像

72   白光图像

74   活动反射镜

76   反射镜

78   反射镜

100  图像捕捉步骤

110  图像处理和分析步骤

120  龋蚀检测步骤

130  显示步骤

140  循环逻辑步骤

Claims (8)

1.一种用于检测牙齿上龋蚀的系统，包括：

(a)设在面向牙齿的位置的图像捕捉装置，用以捕捉第一背向散射反射图像、第二背向散射反射图像和荧光图像；

(b)用于处理从所述图像捕捉装置获得的图像数据的图像处理器，用以组合所述第一背向散射反射图像和所述荧光图像以生成第一增强图像，组合所述第二背向散射反射图像和所述荧光图像以生成第二增强图像，并且还分析所述第一和第二增强图像以选择对比度最佳的图像；以及

(c)用于显示所述对比度最佳的图像的显示器，其中，

从第一入射角射向牙齿的第一入射光，其中所述第一入射光从牙齿生成背向散射光，形成所述第一背向散射反射图像；

从第二入射角射向牙齿的第二入射光，其中所述第二入射光从牙齿生成背向散射光，形成所述第二背向散射反射图像；

射向牙齿的第三入射光，其中所述第三入射光从牙齿生成荧光响应，形成所述荧光图像。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第三入射光与所述第一入射光相同。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第三入射光与所述第二入射光相同。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第三入射光是所述第一和第二入射光的组合。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一入射光和所述第二入射光来自同一光源。 

6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二入射光为一个波长，并且所述第三入射光为不同的第二波长。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一、第二和第三入射光为同一波长。

8.一种用于检测牙齿上龋蚀的系统，包括：

(a)设在面向牙齿的位置的图像捕捉装置，用以捕捉第一背向散射反射图像、第二背向散射反射图像和荧光图像；

(b)用于处理从所述图像捕捉装置获得的图像数据的图像处理器，用以组合所述第一背向散射反射图像和所述荧光图像以生成第一增强图像，并组合所述第二背向散射反射图像和所述荧光图像以生成第二增强图像；以及

(c)用于显示第一和第二增强图像的显示器，其中，

从第一入射角射向牙齿的第一入射光，其中所述第一入射光从牙齿生成背向散射光，形成所述第一背向散射反射图像；

从第二入射角射向牙齿的第二入射光，其中所述第二入射光从牙齿生成背向散射光，形成所述第二背向散射反射图像；

射向牙齿的第三入射光，其中所述第三入射光从牙齿生成荧光响应，形成所述荧光图像。

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