DE10133451B4

DE10133451B4 - Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen

Info

Publication number: DE10133451B4
Application number: DE10133451A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hennig Thomas
Original assignee: Ferton Holding SA
Current assignee: Ferton Holding SA
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: EP1330179A2; DE10133451A1; WO2003005892A3; US20030156788A1; JP2004521714A; WO2003005892A2

Abstract

Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen und/oder bakteriellem Befall an Zähnen, umfassend: – eine oder mehrere Lichtquellen (1) zum Erzeugen einer Strahlung (9), welche auf einen zu untersuchenden Zahn bzw. Zahnoberfläche (4; zwei Wellenlängenbereiche umfasst, einen ersten Wellenlängenbereich und einen zweiten Wellenlängenbereich, wobei diese Wellenlängenbereiche voneinander getrennt sind, also sich spektral nicht überschneiden, und wobei die Strahlung (9) eine Fluoreszenzstrahlung des zu untersuchenden Zahns bzw. der Zahnoberfläche (4; 5) anregt, – eine Erfassungseinrichtung (8), die geeignet ist zum Detektieren der Fluoreszenzstrahlung und der reflektierten Strahlung (10), die vom zu untersuchenden Zahn (4) bzw. vom zu untersuchenden Bereich (5) der Zahnoberfläche reflektiert wird, und – eine Auswerteeinrichtung, die geeignet ist, die Intensitäten der reflektierten Wellenlängenbereiche zueinander ins Verhältnis zu setzen als charakteristischer Wert darüber, ob Karies, Plaque, Konkremente und/oder bakterieller Befall am zu untersuchenden Zahn (4) bzw. am...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen, bakteriellem Befall usw. an Zähnen.
Es ist bekannt, Karies an Zähnen durch visuelle Untersuchung oder durch Verwendung von Röntgenstrahlung zu entdecken. Mit Hilfe einer visuellen Untersuchung bei Weißlichtbeleuchtung lassen sich jedoch häufig keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielen, da sich beispielsweise Karies im Frühstadium oder an schwer einsehbaren Zahnbereichen, wie Zahnzwischenräume und Zahnfleischtaschen und Furkationen, nicht oder nur schwer feststellen lässt. Bisher in der Zahnmedizin verwandte Verfahren ermöglichen keine umfassende und einfache Beurteilung der Lokalisation von Konkrementen. Einzige Ausnahme stellt hier die chirurgische Eröffnung der Zahnfleischtasche dar, da hier unter direkter visueller Kontrolle gearbeitet werden kann. Diese Methode ist für den zu behandelnden Patienten jedoch äußerst schmerzhaft. Obwohl sich andererseits Röntgenstrahlen als sehr wirksame Art zur Feststellung eines Kariesbefalles oder anderer Zahnkrankheiten herausgestellt haben, ist auch dieses Untersuchungsverfahren aufgrund der schädigenden Wirkung der Röntgenstrahlung für die menschliche Gesundheit nicht optimal, insbesondere werden Frühstadien nicht erkannt. Es bestand daher das Bedürfnis nach der Entwicklung einer neuen Technik, um das Vorhandensein von Karies und Konkrementen an Zähnen feststellen zu können.
In der DE 30 31 249 C2 wurde ein berührungsloses Untersuchungsverfahren zum Feststellen von Karies an menschlichen Zähnen vorgeschlagen, wobei der Zahn mit nahezu monochromatischem Licht bestrahlt wird. Die annähernd monochromatische Lichtstrahlung regt an dem Zahn eine Fluoreszenzstrahlung an. Dabei wurde entdeckt, dass das von dem Zahn emittierte Fluoreszenzspektrum deutliche Unterschiede zwischen kariösen und gesunden Zahnbereichen aufweist. So ist im roten Spektralbereich des Fluoreszenzspektrums des Zahns, d. h. zwischen 550 nm und 650 nm, die Intensität deutlich höher als bei einem gesunden Zahn bezogen auf ein Fluoreszenzsignal bei 450 nm. In der DE 30 31 249 C2 wurde daher vorgeschlagen, den Zahn mit einer Wellenlänge von 410 nm zu bestrahlen und mittels zweier Filter die Fluoreszenzstrahlung des Zahnes für eine erste Wellenlänge von 450 nm sowie eine zweite Wellenlänge von 610 nm, d. h. im blauen und roten Spektralbereich, beispielsweise mit Hilfe von Fotodetektoren zu erfassen. Die durch diese Anordnung erfassten Fluoreszenzstrahlungsintensitäten werden subtrahiert, so dass aufgrund der dadurch gewonnenen Differenzintensität ein gesunder Zahnbereich von einem kariösen Zahnbereich unterschieden werden kann.
Die DE 42 00 741 A1 schlägt als vorteilhafte Weiterbildung vor, die Fluoreszenz des Zahnes durch eine Anregungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich 360 nm bis 580 nm hervorzurufen und die am bestrahlten Zahn hervorgerufene Fluoreszenzstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 620 nm und 720 nm auszufiltern. Durch diese Maßnahme wird erzielt, dass der Abstand zwischen der Wellenlänge der Anregungsstrahlung und der empfangenen Fluoreszenzstrahlung ausreichend groß ist, so dass die Anregungsstrahlung nicht die Auswertungsergebnisse durch Überlagerung der Fluoreszenzstrahlung verfälschen kann.
Den zuvor beschriebenen bekannten Untersuchungsverfahren bzw. Vorrichtungen ist gemeinsam, dass zur Anregung der Fluoreszenz an einem zu untersuchenden Zahn eine Anregungsstrahlung mit einer relativ kurzen Wellenlänge, d. h. kleiner als 580 nm, verwendet wird. Dadurch kann zwar einerseits ein verhältnismäßig hoher Wirkungsquerschnitt für die Erzeugung der Fluoreszenzstrahlung erzielt werden, insbesondere bei Verwendung von Wellenlängen im ultravioletten und blauen Spektralbereich, jedoch ist die absolute Fluoreszenzstrahlung von gesundem Zahngewebe im roten Spektralbereich des Fluoreszenzspektrums stärker als die von kariösen Läsionen.
In der DE 195 41 686 A1 wurde daher vorgeschlagen, zur Anregung der Fluoreszenz an einem zu untersuchenden Zahn eine Anregungsstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 600 nm und 670 nm zu verwenden. Zur Erfassung der an dem bestrahlten Zahn angeregten Fluoreszenzstrahlung wird eine Spektralfilteranordnung eingesetzt, welche Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 670 nm durchlässt, d. h. gemäß der DE 195 41 686 A1 wird nur Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 670 nm für die Erkennung von Karies, Plaque oder bakteriellen Befall an dem bestrahlten Zahn ausgewertet.
In der US 4 479 499 A wird weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Karies in menschlichen Zähnen unter Verwendung von sichtbarem Licht offenbart.
Den zuvor beschriebenen bekannten Untersuchungsverfahren, die auf der Auswertung von Fluoreszenzstrahlung beruhen, ist das Problem einer nur unzureichenden Auswertesicherheit gemeinsam. Entweder ist ein aufwendiger direkter Vergleich der in einem bestimmten Wellenlängenbereich von benachbarten gesunden und kariösen Bereichen emittierten Fluoreszenzstrahlen notwendig, was insbesondere bei punktweiser Messung zu weiteren Fehlerquellen führen kann, oder es müssen die Messsignale der in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfassten Fluoreszenzstrahlung aufwendig miteinander verglichen werden. Die auf Fluoreszenz basierenden Methoden haben eine nur geringe Signalintensität, die den Einsatz teurer Detektoren wie Photomultiplier nötig macht. Diese Geräte können aufgrund ihres komplizierten Aufbaus nicht ökonomisch produziert werden und konnten sich nicht im Markt durchsetzen. Falls nur ein einzelner Spektralbereich ausgewählt wird, der aufgrund vernachlässigbarer Hintergrundstrahlung gesunder Gewebe leicht zu detektieren ist, ist ein entscheidender Nachteil die zu geringe Information, die zu Fehldiagnosen führen kann, falls zahnärztliche Füllwerkstoffe innerhalb des Untersuchungsbereichs liegen. Aufgrund der Vielzahl der im Mund vorkommenden Gewebe und künstlichen Werkstoffe ist eine Diagnostik, die sich nur auf die Analyse von Fluoreszenzstrahlung mit einem oder zwei Spektralbereichen stützt, unzureichend.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen bekannten Stand der Technik hegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Auswertesicherheit zur Erkennung von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellen Befall an Zähnen weiter zu erhöhen. Insbesondere sollen Fehldiagnosen aufgrund fluoreszierender zahnärztlicher Füllwerkstoffe vermieden werden. Außerdem soll der apparatetechnische Aufwand für die Erkennung von pathologischen Veränderungen des Zahns vereinfacht werden, und ein einfacher Batteriebetrieb soll möglich sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ihrerseits zu einer verbesserten Empfindlichkeit oder zu einem möglichst einfachen und kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung beitragen.
Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass Reflektionssignale zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen verwendet werden können. Im Wellenlängenbereich oberhalb von etwa 650 nm ist die Reflektion von Zement, also von gesunder Zahnsubstanz, etwa gleich der Reflektion einer dünnen Konkrementschicht. Im Wellenlängenbereich unterhalb von etwa 650 nm ist dagegen die Reflektion von Zement größer als die Reflektion einer dünnen Konkrementschicht. Die Reflektion einer dicken Konkrementschicht ist dagegen im Wellenlängenbereich oberhalb von etwa 600 nm erheblich größer als die Reflektion von Zement. Im Wellenlängenbereich unterhalb von etwa 500 nm ist wiederum die Reflektion von Zement größer als die Reflektion einer dicken Konkrementschicht.
Reflektionssignale bieten gegenüber Fluoreszenzsignalen eine wesentlich höhere Signalintensität, so dass keine aufwendigen Beleuchtungs- und Erfassungssysteme notwendig sind. Falls das Fluoreszenzsignal aufgespalten und in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen beurteilt wird, besteht der Nachteil einer geringen Nachweisintensität in mindestens einem, nämlich dem roten Spektralbereich. Die vorliegende Erfindung umgeht diesen Nachteil, indem die Fluoreszenzemission über deren gesamten Spektralbereich oder zumindest in einem Bereich hoher Signalintensität detektiert wird und statt auf ein schwächeres Fluoreszenzsignal auf ein bzw. zwei wesentlich stärkere Reflektionssignale bezogen wird.
Die absolute Höhe der gemessenen Reflektion wird durch die Entfernung zwischen Sonde und Probe bestimmt. Ein Winkel zwischen Sonde und Probe führt zu einer Verminderung der gemessenen Reflektion vorzugsweise im langwelligen Spektralbereich. Da Reflektionssignale merklich durch die Oberflächengeometrie der Probe und den Einstrahlwinkel beeinflusst werden, ist es vorteilhaft reflektionsspektroskopisch mindestens zwei Wellenlängen vergleichend zu beurteilen, so dass eine Normierung erreicht wird.
Ergänzend wird eine Analyse einer hervorgerufenen Fluoreszenzstrahlung ausgewertet, um die Auswertung in kritischen Bereichen zu unterstützen.
Die geringe Photonenausbeute und damit das geringe Signal/Rauschverhältnis sind das Hauptproblem bei Autofluoreszenzmessungen. Um eine maximale Photonenausbeute zu erzielen, sollte unter Immersion gearbeitet werden. Für in vivo Messungen erscheint Wasser oder physiologische Kochsalzlösung geeignet (N. A. im sichtbaren Spektralbereich, 37°C > 1,33). Neben der geometrischen Optik und dem primären Sensormaterial wird die Signalqualität durch die geeignete Verstärkertechnik beeinflusst. Fluoreszenzanregung kann mit modulierter oder gepulster Anregung erfolgen. Ein Lock-In-Verstärker ist geeignet, um modulierte Signale in einer spezifischen Frequenz und Phase zu detektieren. Alles nichtsynchrone Rauschen z. B. Hintergrundbeleuchtung durch die Operationslampe wird effektiv eliminiert, was zu einer Wiederentdeckung von Signalen führt, die mehr als 60 dB im Rauschen begraben waren.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein Reflektionsspektrum von gesunder Zahnsubstanz, von einer dünnen Konkrementschicht und von einer dicken Konkrementschicht im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 730 nm, wobei der zu untersuchende Zahn mit Wellenlängen innerhalb des gesamten Bereichs bestrahlt wurde,
2 zeigt Intensitätsverläufe der von gesunder Zahnsubstanz und von einer Konkrementschicht im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 800 nm zurückgesandten Strahlung, wobei der zu untersuchende Zahn mit Wellenlängen um 370 nm und um 770 nm bestrahlt wurde,
3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen,
4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen,
5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen,
6 zeigt einen Querschnitt einer Sonde, die nicht Gegenstand der Erfindung ist,
7 zeigt eine Seitenansicht einer Sonde, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, und
8 zeigt eine Seitenansicht einer Sonde, die nicht Gegenstand der Erfindung ist.
1 zeigt ein Reflektionsspektrum von gesunder Zahnsubstanz, von einer dünnen Konkrementschicht und von einer dicken Konkrementschicht im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 750 nm. Im Bereich oberhalb von etwa 650 nm ist die Reflektion von Zement, also von gesunder Zahnsubstanz, etwa gleich der Reflektion einer dünnen Konkrementschicht. Im Wellenlängenbereich unterhalb von etwa 650 nm ist dagegen die Reflektion von Zement größer als die Reflektion einer dünnen Konkrementschicht. In 1 ist ebenfalls dargestellt, dass die Reflektion einer dicken Konkrementschicht bereits im Wellenlängenbereich oberhalb von etwa 600 nm erheblich größer ist als die Reflektion von Zement. Im Wellenlängenbereich unterhalb von etwa 500 nm ist wiederum die Reflektion von Zement größer als die Reflektion einer dünnen Konkrementschicht. Diese Entdeckung macht sich die Erfindung zunutze, indem das unterschiedliche Reflektionsverhalten als Kriterium für das Vorliegen von Konkrement genutzt wird. Dabei hat sich gezeigt, dass die Reflektionssignale gegenüber Fluoreszenzsignalen eine wesentlich höhere Signalintensität aufweisen.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zahn mit Strahlung bestehend aus zwei Wellenlängen bzw. zwei Wellenlängenbereichen etwa im blauem bzw. ultraviolettem Lichtbereich von 320 nm bis 520 nm, insbesondere 370 nm, und mit rotem bzw. nahem infraroten Licht oberhalb von 600 nm, insbesondere 770 nm, bestrahlt, und die Reflektionsintensitäten derselben Wellenlängenbereiche werden gemessen.
In 2 sind Intensitätsverläufe des Reflektionssignals von gesunder Zahnsubstanz und von einer dicken Konkrementschicht im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 800 nm dargestellt, wobei der zu untersuchende Zahn mit Wellenlängen in den Spektralbereichen um 370 nm und um 770 nm bestrahlt wurde. Die Bestrahlungsintensitäten innerhalb der beiden Wellenlängenbereiche wurden so gewählt, dass die Signalhöhe des Reflektionssignals von gesundem Zement in beiden Wellenlängenbereichen in etwa gleich hoch ist, das heißt, dass die Bestrahlungsintensität im nahen UV Spektralbereich annähernd doppelt so hoch ist wie die Bestrahlungsintensität im NIR Spektralbereich. In Übereinstimmung mit 1 zeigt Konkrement im Verhältnis zu gesundem Zement eine geringere Reflektion im nahen UV Spektralbereich und eine höhere Reflektion im NIR Spektralbereich. Zement zeigt zusätzlich zu der reflektierten Strahlung eine Fluoreszenzstrahlung im blau-grünen Spektralbereich mit einem Maximum um 470 nm; eine Konkrementschicht zeigt dagegen nahezu keine Fluoreszenz.
Zur Auswertung wird die gemessene Reflektionsintensität bei einer Wellenlänge von 770 nm ins Verhältnis zur gemessenen Reflektionsintensität bei einer Wellenlänge von 370 nm gesetzt. Bei Verhältniswerten von größer als 2 kann eindeutig das Vorliegen von Konkrement bejaht werden. Bei Werten um 1 liegt eindeutig Zement vor, also gesunde Zahnsubstanz. Ergänzend wird der Fluoreszenzeffekt genutzt, um das Ergebnis der Reflektionsanalyse zu bestätigen bzw. in zweifelhaften Fällen als weiteres maßgebliches Kriterium für das Vorliegen von Konkrement zu dienen. Dabei kann die zur Analyse des Reflektionsverhaltens benutzte Bestrahlung wie im vorlegenden Fall auch zur Anregung der Fluoreszenz verwendet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Anregung der Fluoreszenz durch Strahlung mit einer Wellenlänge um 370 nm, so dass insgesamt nur eine Bestrahlung mit zwei Wellenlängenbereichen notwendig ist.
Die absolute Höhe der gemessenen Reflektion wird durch die Entfernung zwischen Sonde und Probe bestimmt. Ein Winkel zwischen Sonde und Probe, der von 0° abweicht, führt zu einer Verminderung der gemessenen Reflektion. Da Reflektionssignale merklich durch die Oberflächengeometrie der Probe und dem Einstrahlwinkel beeinflusst werden, ist es ebenfalls vorteilhaft, reflektionsspektroskopisch mindestens zwei Wellenlängen vergleichend zu beurteilen. Damit ist es durch eine Normierung möglich, unabhängig von der absoluten Höhe der gemessenen Einzelsignale eine hohe Auswertesicherheit zu erreichen.
Die gemessene Intensität bei 770 nm dient also als relativer Bezugswert, so dass eine Normierung möglich ist. Dadurch wird ein Vergleich mit gesunder benachbarter Zahnsubstanz überflüssig, da bereits punktweise ein sicheres Ergebnis erhalten werden kann. Gerade aber die punktweise Messung ist von besonderem Vorteil, wenn der Zahnhalsbereich in Zahntaschen untersucht wird, da dort die Einführung einer Sonde mit möglichst kleinem Durchmesser zwischen dem Zahnhals und dem Zahnfleisch möglich sein soll, um ein Aufschneiden des Zahnfleisches für eine Untersuchung, ob der Bereich überhaupt krankhaft ist, zu vermeiden.
Eine kombinierte Erfassung von Streuung, Absorption und Fluoreszenz erfolgt nach der vorliegenden Erfindung jeweils in den signalintensivsten Bereichen: Hohe preferentielle Absorption im ultravioletten Bereich, hohe Fluoreszenzsignalintensität im blau-grünen Spektralbereich und nahezu ungeminderte Reflektion im nahen infraroten Spektralbereich. Die Verwendung von kurzwelligem Anregungslicht führt zu einem hohen Wirkungsquerschnitt für die Erzeugung von Fluoreszenzstrahlung im blaugrünen Spektralbereich und somit auch zu hoher Signalintensität. Gesunde Areale fluoreszieren in diesem Bereich wesentlich stärker als veränderte Zahnbereiche.
Einfache schmalbandige Beleuchtungsquellen, wie z. B. schmalbandige Leuchtdioden, können verwendet werden. Die Detektierung kann ebenfalls auf sehr einfache Weise durch handelsübliche 3-Element Farbsensoren erfolgen, die insbesondere Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau haben, also sogenannte RGB-Photodioden. Dabei kann innerhalb der drei Spektralbereiche Rot, Grün und Blau durch die entsprechende Bestrahlung jeweils der zur Auswertung informativste Bereich ausgewählt werden. Die drei Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau sind üblicherweise innerhalb eines Kreises angeordnet, wobei jedem Sensor für eine jeweilige Grundfarbe ein Kreissegment mit 120° zugeordnet ist.
Zur eindeutigen Diskrimination zwischen pathologisch veränderten Zahnbereichen und zahnärztlichen Füllwerkstoffen ist es vorteilhaft, mehr als zwei Wellenlängenbereiche für die Auswertung zu verwenden. Dabei können entweder zwei Wellenlängenbereiche für die Reflektionsanalyse und ein Wellenlängenbereich für die Fluoreszenzanalyse verwendet werden, wie dies im oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fall ist, oder es können drei oder mehr reflektierte Wellenlängenbereiche und/oder Fluoreszenzwellenlängenbereiche verwendet werden.
Im nahen infraroten Bereich ist die Absorption von Strahlung in biologischen Materialien vernachlässigbar. Es besteht ein sogenanntes biologisches Fenster, so dass die reflektierte Strahlung lediglich durch die Streueigenschaften und nicht durch die Absorption des untersuchten Zahnbereichs bestimmt wird. Die von der Zahnoberfläche reflektierte Strahlung von gesunder Zahnsubstanz ist in diesem Spektralbereich im Vergleich zu dünnen Konkrementen in etwa gleich (vgl. 1), so dass neben der Intensität der durch Absorption verminderten, reflektierten blauen bzw. ultravioletten Strahlung auch die Intensität der Fluoreszenzstrahlung auf diesen Wert normiert werden kann. Durch die erhöhte Transmission der tiefergelegenen gesunden Zahnbereiche im Vergleich zu tiefergelegenen bakteriell veränderten Zahnbereichen reflektierten tiefergelegene Schichten gesunder Zahnsubstanz kaum, wohingegen tiefergelegene Konkrementschichten noch einen deutlichen Beitrag zum Reflektionssignal hinzufügen.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen. Eine Lichtquelle 1 erzeugt eine Strahlung 9, die über ein Einkopplungslinsensystem 2 und einen zuführenden Lichtleiter 3 zu einem zu untersuchenden Bereich 5 eines Zahnes 4 geführt wird. Der Zahn 4 wird mit einer Strahlung 9 bestrahlt, die aus zwei getrennten Wellenlängenbereichen besteht. Der erste Wellenlängenbereich kann dabei etwa im blauen bzw. ultravioletten Lichtbereich von 320 nm bis 520 nm, insbesondere bei etwa 370 nm liegen. Der zweite Wellenlängenbereich kann vorzugsweise im roten bzw. im nahem infraroten Wellenlängenbereich liegen oberhalb von 600 nm, insbesondere oberhalb von 770 nm. Die Strahlung 9 verursacht am Zahn 4 eine Reflektionsstrahlung 10, die in denselben Wellenlängenbereichen liegt. Darüber hinaus wird eine Fluoreszenzstrahlung des Zahnes angeregt, die ebenfalls ausgewertet wird. Über einen abführenden Lichtleiter 6 kann die Reflektionsstrahlung 10 der Erfassungseinrichtung 8 zugeführt werden. Nach der Detektion der gemessenen Reflektionssignale schließt sich die oben erläuterte erfindungsgemäße Auswertung an.
Die Lichtquelle 1 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Leuchtdioden, insbesondere schmalbandige Leuchtdioden, die Licht im Wellenbereich um etwa 370 nm bzw. um etwa 770 nm erzeugen. Es kann jedoch auch ein oder mehrere Laser verwendet werden. Wie in 4 gezeigt, ist es bei diesen Ausführungsformen möglich, einen oder mehrere Strahlenteiler 13 zu verwenden, um Strahlung von weiteren Leuchtdioden bzw. von weiteren Lasern punktgenau in den zuführenden Lichtleiter einzukoppeln. Weiter ist es möglich, eine Lichtquelle zu verwenden, die Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von etwa 320 nm bis etwa 900 nm erzeugt, insbesondere einen Wellenlängenbereich von weißem Licht. Dabei kann auch ein spektraler Filter 12 eingesetzt werden, um gewünschte Wellenlängenbereiche für die Strahlung 9 zu erhalten.
Die Erfassungseinrichtung 8 umfasst einen oder mehrere Sensoren, welche in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen jeweils ihre maximale Sensitivität haben. Besonders vorteilhaft ist es, die drei Sensoren zur Messung der Intensitäten des ersten reflektierten Wellenlängenbereichs, des zweiten Wellenlängenbereichs und des Fluoreszenzwellenlängenbereichs zu verwenden, wobei die Sensoren auf diese Wellenlängenbereiche angepasst sind. Es hat sich gezeigt, dass bereits handelsübliche RGB-Photodioden mit drei lichtempfindlichen Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau geeignet sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Vor der Erfassungseinrichtung 8 kann ebenfalls ein spektralselektives Element 7 angeordnet sein.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen dargestellt. In Abwandlung zu der in 3 gezeigten Vorrichtung wird ein Spiegel 11 eingesetzt, der in seiner Mitte eine runde oder elliptische Öffnung aufweist. Die Strahlung 9 wird über das Einkopplungslinsensystem 2 durch die Öffnung des Spiegels in einen Lichtleiter eingekoppelt, und die Reflektionsstrahlung 10 wird über den Spiegel 11 und über ein weiteres Einkopplungslinsensystem 12 zur Erfassungseinheit 8 weitergeleitet. Dadurch wird erreicht, dass nur eine einzige Lichtleitfaser verwendet werden kann.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen oder bakteriellem Befall an Zähnen dargestellt. Bei dieser Vorrichtung sind eine oder mehrere abführende Lichtleiter 6 mittig in einer Sonde platziert, und eine oder mehrere zuführende Lichtleiter 3 sind um die abführenden Lichtleiter 6 über den Umfang verteilt angeordnet. Diese Anordnung wird erst dadurch möglich, dass die Auswertung von Reflektionssignalen eine wesentlich höhere Signalintensität aufweist im Vergleich zu Fluoreszenzsignalen.
In 6 ist ein Querschnitt im Bereich einer Sonde dargestellt. Eine abführende Lichtleitfaser 3 ist in der Mitte angeordnet, wohingegen zehn zuführende Lichtleitfasern 6a um die abführende Lichtleitfaser 3 herum angeordnet sind. Die entsprechenden Strahlenverläufe sind in 7 dargestellt. Es ist aber auch möglich, die zuführenden und abführenden Lichtleitfasern entlang einer Linie anzuordnen, wobei die zuführenden Lichtleitfasern 6a seitlich an den abführenden Lichtleitfasern 3 angeordnet sind. Durch diese Anordnungen der abführenden Lichtleitfasern wird eine punktuelle Messung erreicht, so dass die Messgenauigkeit weiter erhöht wird. Denn bei einem vergrößerten Messbereich können gleichzeitig Bereiche mit gesunder Zahnsubstanz und Bereiche, in denen Konkremente vorliegen, vermischt werden und so zu weiteren Fehlerquellen führen. Außerdem kann die Sonde sehr kompakt konstruiert werden, so das sie geeignet ist, in die Zahnfleischtasche zwischen dem Zahnhals und dem Zahnfleisch eingeführt zu werden. Dadurch wird ein Aufschneiden des Zahnfleisches für eine Untersuchung überflüssig.
In 8 ist eine weitere Sonde dargestellt. Am Ende der Lichtleiter ist an der Sonde ein Einkopplungslinsensystem 20 angeordnet, das in diesem Ausführungsbeispiel eine Linse in der Form einer Halbkugel ist. Vorteilhaft wird ein Abstandhalter 22 verwendet, damit der zu untersuchende Bereich nicht mit den Lichtleiterfasern beschattet wird. Dieser Abstandhalter 22 ist entweder hohl oder massiv aus Quarzglas hergestellt und kann um seinen zylindrischen Umfang mit einer spiegelnden Fläche versehen werden. Im Spitzenbereich der Sonde kann weiter eine Spiegelfläche (21) vorgesehen werden, um eine seitliche Ablenkung der Strahlung zu gewährleisten. Beim Einschieben der Sonde in die Zahnfleischtasche bei etwa paralleler Anordnung der Lichtleiter zur Zahnoberfläche wird dadurch eine optimale Bestrahlung der zu untersuchenden Zahnoberfläche erreicht, sowie eine optimale Einkopplung der reflektierten Strahlung bzw. der Fluoreszenzstrahlung in den abführenden Lichtleiter.
An der Sondenspitze kann außerdem eine Vorrichtung zur Zuführung einer Flüssigkeit vorgesehen sein, um die Sondenspitze mit dieser Flüssigkeit zu versorgen, insbesondere ein Spülkanal mit einer Austrittsöffnung. Dadurch wird einerseits erreicht, dass Blut von der Sonde weggespült wird. Andererseits kann so der Brechungsindex beim Austritt der Strahlung von der Sonde günstig beeinflusst werden.

Claims

Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque, Konkrementen und/oder bakteriellem Befall an Zähnen, umfassend: – eine oder mehrere Lichtquellen (1) zum Erzeugen einer Strahlung (9), welche auf einen zu untersuchenden Zahn bzw. Zahnoberfläche (4; 5) gerichtet werden kann, wobei die Strahlung (9) zwei Wellenlängenbereiche umfasst, einen ersten Wellenlängenbereich und einen zweiten Wellenlängenbereich, wobei diese Wellenlängenbereiche voneinander getrennt sind, also sich spektral nicht überschneiden, und wobei die Strahlung (9) eine Fluoreszenzstrahlung des zu untersuchenden Zahns bzw. der Zahnoberfläche (4; 5) anregt, – eine Erfassungseinrichtung (8), die geeignet ist zum Detektieren der Fluoreszenzstrahlung und der reflektierten Strahlung (10), die vom zu untersuchenden Zahn (4) bzw. vom zu untersuchenden Bereich (5) der Zahnoberfläche reflektiert wird, und – eine Auswerteeinrichtung, die geeignet ist, die Intensitäten der reflektierten Wellenlängenbereiche zueinander ins Verhältnis zu setzen als charakteristischer Wert darüber, ob Karies, Plaque, Konkremente und/oder bakterieller Befall am zu untersuchenden Zahn (4) bzw. am zu untersuchenden Bereich (5) der Zahnoberfläche vorliegt, und die geeignet ist, die Fluoreszenzstrahlung auszuwerten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) eine Strahlung (9) erzeugt, die einen dritten Wellenlängenbereich umfasst, wobei dieser dritte Wellenlängenbereich insbesondere von den beiden anderen Wellenlängenbereichen getrennt ist, sie sich also spektral nicht überschneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) eine Strahlung (9) erzeugt mit einem ersten Wellenlängenbereich, der unterhalb von etwa 550 nm liegt, insbesondere unterhalb von etwa 500 nm.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) eine Strahlung (9) erzeugt mit einem zweiten Wellenlängenbereich, der oberhalb von etwa 600 nm liegt, insbesondere oberhalb von etwa 700 nm, insbesondere oberhalb von etwa 770 nm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) eine Strahlung (9) erzeugt innerhalb eines Wellenlängenbereichs, der zwischen etwa 320 nm und 520 nm liegt, insbesondere zwischen etwa 370 bis 420 nm.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren der Strahlung mehrere Sensoren umfasst, welche in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen jeweils ihre maximale Sensitivität haben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren der Strahlung einen oder mehrere Sensoren umfasst, die etwa in dem oder in den Fluoreszenzwellenlängenbereichen, die von der einen oder von den mehreren Lichtquellen (1) erzeugt werden, jeweils ihre maximale Sensitivität haben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren der Strahlung geeignet ist, die reflektierte Strahlung (10) und/oder die Fluoreszenzstrahlung gleichzeitig zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren der Strahlung geeignet ist, die reflektierte Strahlung (10) und/oder die Fluoreszenzstrahlung zeitlich versetzt zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorhanden ist, um den zu untersuchenden Zahn (4) bzw. zu untersuchenden Bereich (5) der Zahnoberfläche zeitlich versetzt zu bestrahlen, insbesondere eine bewegbare Spiegelanordnung, eine bewegbare Prismenanordnung, ein Filterrad oder eine Schaltvorrichtung zum wechselnden Ein- bzw. Ausschalten der einzelnen Lichtquellen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere zuführende Lichtleitfasern (3) vorgesehen sind zum Zuführen der von der Lichtquelle (1) abgegebenen Strahlung (9) hin zum zu untersuchenden Zahn bzw. Zahnoberfläche (4; 5), wobei die zuführende Lichtleitfaser bzw. die zuführenden Lichtleitfasern (3) mit der oder mit den Lichtquellen (1) in optischer Verbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere abführende Lichtleitfasern (6) vorgesehen sind zum Abführen der von der zu untersuchenden Zahnoberfläche (5) abgegebenen Strahlung hin zur Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung, wobei die abführende Lichtleitfaser bzw. die abführenden Lichtleitfasern (6) mit der Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung in optischer Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der bzw. den Lichtquellen (1) und der einen oder den mehreren Lichtleitfasern (3) ein Spiegel (11) angeordnet ist mit einer insbesondere elliptischen Öffnung oder einem unverspiegelten Teil im Mittenbereich, wobei der Spiegel insbesondere eine plane, elliptische oder parabolische Form hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Strahlung (10) über ein Einkopplungssystem (12) zur Erfassungseinrichtung (8) geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) eine oder mehrere Leuchtdioden sind, insbesondere schmalbandigen Leuchtdioden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) eine oder mehrere monochromatische Lichtquellen sind, insbesondere Laser und/oder Diodenlaser, insbesondere in der Ausführung VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass an den Lichtquellen (1) ein oder mehrere Strahlenteiler (13) vorgesehen sind, um durch Überlagerung der erzeugten Strahlungen eine punktgenaue Einkoppelung in die Lichtleitfaser/n zu erreichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (1) einen Wellenlängenbereich von etwa 320 nm bis etwa 900 nm erzeugen, insbesondere einen Wellenlängenbereich von weißem Licht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung ein oder mehrere spektrale Filtermittel, insbesondere spektralselektive Elemente, Interferenzfilter, Bandfilter oder Gitter, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung ein oder mehrere Prismen und/oder ein oder mehrere Strahlenteiler angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung einen Farbsensor umfasst mit mindestens zwei lichtempfindlichen Sensoren zur Messung der Intensitäten des ersten, zweiten und/oder weiterer reflektierter Wellenlängenbereiche.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung einen Farbsensor umfasst mit drei lichtempfindlichen Sensoren zur Messung der Intensitäten des ersten reflektierten Wellenlängenbereichs, des reflektierten zweiten Wellenlängenbereichs und des Fluoreszenzwellenlängenbereichs oder des dritten reflektierten Wellenlängenbereichs, wobei die Sensoren auf diese Wellenlängenbereiche angepasst sind, insbesondere mit drei lichtempfindlichen Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau, insbesondere RGB-Photodioden, wobei die Auswerteeinrichtung geeignet sein kann, aufgrund der drei lichtempfindlichen Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau die Zahnfarbe zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung ein Spektrometer ist, insbesondere ein Mikrospektrometer.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung eine Vielzahl von Sensoren umfasst, die entlang einer Linie bzw. einer Kurve angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung eine Vielzahl von Sensoren umfasst, die innerhalb einer zweidimensionalen Fläche angeordnet sind, insbesondere einen CCD- oder CMDS-Chip, wobei Lichtleitfasern den jeweiligen Sensoren bzw. Pixelelementen zugeordnet sein können, um ein Bild des zu untersuchenden Bereichs zu erhalten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung einen Lock-In-Verstärker umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (8) zum Detektieren von Strahlung einen Strahlungskonverter umfasst zur Verschiebung des Wellenlängenbereichs der reflektierten Strahlung bzw. der Fluoreszenzstrahlung in einen Wellenlängenbereich, der für die Detektierung durch die Sensoren besser geeignet ist, insbesondere zur Verschiebung der Fluoreszenzstrahlung vom blau-grünen Wellenlängenbereich in den grünen Wellenlängenbereich.