时间分辨荧光方法中的牙菌斑位置检测以及用于牙菌斑检
测的系统
技术领域
[0001] 本公开涉及牙科清洁工具(诸如
牙刷)。更具体地，本公开涉及一种用于基于时间分辨荧光来检测牙菌斑的
电子牙刷。
背景技术
[0002] 牙刷被设计成通过从
牙齿表面和邻间区域清除
生物膜和食物残渣来清洁牙齿以便改善
口腔健康。已经产生了广泛多种的电子牙刷设计以通过增加牙刷头部的速度和使用
声波振动并且在一些情况下使用
超声波振动以提供改进的刷洗性能。现代的牙刷在清除牙菌斑方面非常有效。消费者只需在问题区域中刷洗几秒以剥离正在被刷洗的牙菌斑。然而，在没有反馈的情况下，消费者在牙菌斑已经完全被清除之前，可能移动到另一牙齿上。因此，牙齿上的牙菌斑
水平的指示非常需要。
[0003] 尽管在牙刷设计中有改进，但是问题仍然停留在现有电动牙刷不检测牙菌斑的存在与否。因此，对开发可以识别牙菌斑的牙科清洁工具的需求仍在不断增加。
发明内容
[0004] 下面提出了所要求保护的主题的简化描述以便提供对所要求保护的主题的某些方面的基本理解。该发明内容不是所要求保护的主题的详尽的概述。它既不旨在标识所要求保护的主题的关键或重要元素，也不旨在描绘所要求保护的主题的范围。其唯一目的是以简化形式提出所要求保护的主题的某些概念，作为稍后提出的更详细描述的序言。
[0005] 按照本公开的各方面，提出了一种牙菌斑、
牙结石和/或龋齿检测系统。该牙菌斑、牙结石和/或龋齿检测系统包括牙科工具和用于从多个
角度接收荧光的光学多模
波导或光导，该荧光以导致模式色散的不同路径长度沿着多模光学波导的芯行进。牙菌斑检测系统还包括检测器，被配置成接收荧光用于基于频域寿命测量检测牙菌斑并且传送牙齿的牙菌斑标识信息。光学波导的长度至少为20cm，由此模式色散用于检测牙齿上的至少一个牙菌斑荧光区域。
[0006] 根据本公开的方面，光学波导是多模光纤或渐变折射率光纤。
[0007] 根据本公开的又一方面，模式色散通过变化光学波导的长度进行调整。
[0008] 根据本公开的又一方面，用模式色散检测的牙菌斑荧光区域包括相对于牙菌斑荧光区域的中心点的不同水平的牙菌斑。
[0009] 根据本公开的另一方面，与荧光区域的外围相比，模式色散在荧光区域的中心点之间最不同。
[0010] 根据本公开的再一方面，牙菌斑检测
信号取决于离牙菌斑荧光区域的中心点的径向距离。
[0011] 根据本公开的又一方面，模式色散是调制
频率的常数。来自牙菌斑荧光区域的时间分辨荧光响应的
相移和解调基于模式色散和调制频率而变化。
[0012] 根据本公开的另一方面，当调制频率为40MHz时，光纤的数值孔径(NA)为0.48米并且长度为2米。
[0013] 根据本公开的再一方面，反馈机构被提供用于基于所检测到的模式色散来收集到操纵牙科工具的用户的实时反馈，和/或用可视指示在刷洗周期结束时向用户提供总结。
[0014] 根据本公开的又一方面，提出了一种经由牙科工具检测牙齿上的牙菌斑、牙结石和/或龋齿的方法。该方法包括以下步骤：提供用于从多个角度接收荧光的多模光学波导，该荧光以导致模式色散的不同路径长度沿着多模光学波导的芯行进；并且提供被配置成接收用于基于频域寿命测量来检测牙菌斑的荧光并且传送牙齿的牙菌斑标识信息的检测器。该模式色散用于检测到牙齿上的至少一个牙菌斑荧光区域的径向距离。
[0015] 本公开的进一步的适用性范围将从在下文中所给出的具体实施方式而变得明显。然而，应当理解，因为从该具体实施方式中，本公开的精神和范围内的各种改变和
修改对于领域技术人员将变得明显，所以在指示本公开的优选
实施例的同时，仅通过说明给出具体实施方式和特定示例。
附图说明
[0016] 可以参照以下附图对本公开的各方面进行更好地理解。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本公开的原理上。而且，在附图中，相同的附图标记在整个若干视图中
指定对应的部件。
[0017] 在附图中：
[0018] 图1图示了根据本公开的具有基于入射角接收耗费不同时间来传播的光的光纤或波导的牙菌斑检测系统；
[0019] 图2图示了根据本公开的牙菌斑灵敏度图案的示例；
[0020] 图3a图示了根据本公开的牙刷；
[0021] 图3b图示了根据本公开的用于图3a的牙刷的
控制器环境；
[0022] 图4是图示了根据本公开的基于
荧光寿命测量信号的模式色散来检测到牙菌斑位置的距离的方法的
流程图；和
[0023] 图5图示了根据本公开的所检测到的牙菌斑斑点(blob)的示例。
具体实施方式
[0024] 尽管在特定实施例方面对本公开进行了描述，但是对于本领域技术人员而言明显的是，在不脱离本公开的精神的情况下，可以进行各种修改、重新布置和替换。本公开的范围由所附的
权利要求限定。
[0025] 出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参照在附图中所图示的示例性实施例，并且采用特定语言描述这些实施例。然而，应当理解，不旨在由此限制本公开的范围。任何相关领域的和拥有本公开的技术人员能够想到的本文中所图示的本发明特征的更改和进一步的修改，以及本文中所图示的本公开的原理的任何附加的应用都要被认为是在本公开的范围内。
[0026] 本公开描述了用于特别地通过通知用户他们是否确实正在从他们的牙齿中清除牙菌斑并且如果他们已经完全清除了牙菌斑，则提供保证并且教练用户养成良好习惯来帮助用户清洁他们的牙齿的系统、设备和方法的各种实施例。优选地，在刷洗/清洁期间实时提供信息，否则消费者接受很可能是低的。例如，对于牙科工具(例如，牙刷或空气
牙线)，有用的是，当用户正在刷洗的牙齿被认为是清洁的时，提供用户信号，使得用户可以移动到下一牙齿上，其由于牙菌斑积聚可能需要附加的刷洗/清洁。这可以减少用户的刷洗/清洁时间，而且还引起使用户的注意
力集中到牙齿(例如，具有牙菌斑)的特定问题区域的更好且更有效的刷洗/清洁程序。
[0027] 按照本公开，用户能够用电子牙科清洁工具检测牙菌斑，即，在用牙膏
泡沫包围的振动刷洗/清洁系统中。牙菌斑检测系统被配置成在带有可去除牙菌斑层的表面和除垢器表膜(pellicle)/牙结石/牙科填充物/牙齿表面之间提供明显的
对比度。
[0028] 按照本公开，提供了一种在刷洗/清洁程序期间检测牙菌斑的方式。实时或基本上接近实时监测牙菌斑。本公开的示例性实施例基于时间分辨荧光实现了牙菌斑检测。
[0029] 按照本公开，提出了一种用于在仅使用一个光电检测系统及其相关联的部件的同时，使牙菌斑检测系统能够检测离牙菌斑残留的检测点的中心的径向距离的操作模式。因此，本公开提供了用于通过基于时间分辨荧光(特别是频域寿命测量)实现牙菌斑检测来在刷洗程序期间实时检测牙菌斑的方式的进一步改进。
[0030] 现在，将详细参照本公开的实施例。尽管将对本公开的某些实施例进行描述，但是应当理解，不旨在将本公开的实施例局限于那些所描述的实施例。与此相反，参照本公开的实施例旨在涵盖可以被包括如由所附权利要求所定义的本公开的实施例的精神和范围内的替换、修改和等同物。
[0031] 在参照附图的同时，下文将对实施例进行描述。附图仅仅是示例，并不旨在限制本公开的范围。
[0032] 图1图示了根据本公开的具有基于入射角接收耗费不同时间来传播的光112，114的光学波导110的牙菌斑检测系统100。该光学波导110可以是多模光纤或渐变折射率光纤。
[0033] 本公开利用了见于多模光纤或光导或波导的效果，这引起模式色散。这种效果在图1示出。本质上，光112，114可以从一个角度范围被耦合到光纤110中。设计光纤110以从大角度范围接受光112，114通常改善了光学耦合效率。然而，因为耦合角在每个反射事件保持不变，所以当以高角度进入的光沿着光纤110向下行进时，它具有更长的路径114长度。在光纤的长度内，这个不同路径长度114可以引起脉冲展宽，也被称为模式色散。
[0034] 对于模式色散，为了要展示，选择最小长度用于光学波导。为此，光学波导(110)的长度为至少20cm，其比在常规的牙科工具(诸如牙刷)中所采用的光学波导的长度明显更长。在后一种实例中，通常仅存在这样的波导以桥接探针(例如，牙刷的刷头处)和
手柄之间的距离。这样的牙刷的示例在WO 99/59462中图示。
[0035] 在本发明中，光学波导的长度优选远大于上述最小值，例如至少50cm(0.5m)。波导的长度的上限将由设计考虑确定，也就是，该长度仍可以容纳在牙科工具中，例如，通过卷绕光纤型光学波导。对于给定的牙科工具，本领域技术人员将能够确定平衡一方面提供长度相对较大的光学波导用于展示模式色散、并且另一方面提供可以容纳在用户所期望的尺寸的牙科工具的光学波导的考虑。在有趣的实施例中，光学波导的长度为0.5m至5m。在另一有趣的实施例中，光学波导的长度为1m至3m。
[0036] 当它行进返回到光检测器时，针对从口腔中牙齿120和牙菌斑130收集的荧光，还出现了模式色散的效果。这可以用于确定牙菌斑130的位置。以下描述假设牙菌斑130位于离散点处，但本公开的方法还涉及大面积的牙菌斑，在该情况下，光检测器对应于牙菌斑位置的加权平均值。
[0037] 关于图1和图2，如果假设使用单频时间分辨荧光系统，则与牙齿120的
牙釉质/牙本质相比，牙菌斑130可以由其更快的荧光衰变检测。当考虑模式色散时，该模式色散导致位于检测器点或区域222的边缘或外围的牙菌斑给出延迟信号，因此出现更像牙釉质/牙本质。位于靠近信号的中心220的牙菌斑130不经历显著的模式色散，并且因此给出了更强的信号。模式色散效果的强度可以通过变化所用的光纤110的长度进行调整，所以作为示例，即使
传感器和
检测区域222之间的距离仅为例如几厘米，也可能期望使用若干米长度的光纤110。这根据离检测区域222的中心220的径向距离以与当居中于目标之上时金属检测器给出最强信号方式类似的方式给出牙菌斑检测信息。这可以用于方便非常直观的用户交互，其中，对于用户，很容易的是理解并检测牙菌斑位置以清除它。
[0038] 图2图示了根据本公开的牙菌斑灵敏度图案200的示例。
[0039] 在图2中，牙菌斑图案210指示无模式色散的牙菌斑灵敏度图案，而牙菌斑图案212指示有模式色散的牙菌斑灵敏度模式。牙菌斑区域222包括中央牙菌斑点220。如本文中所描述的，图案210示出了可以被正常看见的敏感性图案(相当均匀)，而图案212示出了可以通过使用模式色散效果来实现灵敏度图案的示例。较暗的
颜色(中心区域)指示对牙菌斑的更大敏感性，而较浅的颜色(外围区域)指示对牙菌斑的较不敏感性。
[0040] 而且，因为模式色散是调制频率的常数，所以如果使用多个调制频率，则牙菌斑径向距离可以被独立地测量。然而，由于在牙菌斑和牙釉质/牙本质两者中观察到的通常复杂的多指数荧光衰减，所以荧光响应的相移和解调以不同的方式变化。
[0041] 图3a图示了根据本公开的牙刷300a。
[0042] 牙科工具300a包括本体部分310、刷头320、用户
接口330、反馈机构340、和
存储器单元或模
块350。该反馈机构340被配置成通过提供刷头320的实时引导来激励并教练牙科工具300a的用户以适应刷洗行为。该存储器单元350用于存储操纵牙科工具300a的至少一个用户的刷洗历史。刷头320还包括用于检测每颗牙齿上的牙菌斑的量的牙菌斑检测单元360(或检测器)。因此，反馈机构340基于所检测到的模式色散向操纵牙科工具300a的用户提供实时反馈，并且用可视指示在刷洗周期结束时向用户提供总结。
[0043] 本体部分310还包括用于与如智能电话、
平板电脑、个人电脑的外部设备(无线)通信的外部接口单元。外部设备可以用于设置牙科工具并且用于显示用户反馈和用户历史。
[0044] 图3b图示了根据本公开的用于图3a的牙刷的控制器环境300b。
[0045] 控制器环境300b包括与
用户界面(UI)313、存储器315、外部接口317、用户反馈机构340和检测器360电性地通信的控制器311。而且，控制器311可以促使来自牙科工具300a的LED或其它类型的发光元件发射光321(见图3a)。本领域技术人员可以设想控制器环境300b内的多个其它部件。
[0046] 图4是图示了根据本公开的基于荧光寿命测量来检测牙菌斑的方法的流程图400。
[0047] 流程图400包括以下步骤。在步骤410中，提供牙科工具。在步骤420中，光学波导被耦合到牙科工具。在步骤430中，从多个角度接收荧光，该荧光以导致模式色散的不同路径长度沿着光学波导的路径行进。在步骤440中，基于频域寿命测量来检测牙菌斑并且传送牙菌斑标识信息。在步骤450中，模式色散用于检测到牙齿的至少一个牙菌斑荧光区域的径向距离。然后，该过程结束。应当理解，本文中所描述的方法步骤不一定以所描述的顺序执行。进一步地，诸如“此后”、“然后”、“接下来”之类的单词并不旨在限制各步骤的顺序。这些单词仅用于通过描述方法步骤来指导读者。
[0048] 参照图1-图4，在一个示例性实施例中，高数值孔径(NA)阶跃折射率光纤用于将检测收集器耦合到光检测器，并且当光电
二极管离光收集区域小于10cm时，这远远长于实际必需，例如大于1m长。多余光纤可以被盘绕，并且位于牙科工具的手柄中。还可以使用也展示模式色散的其它光学传输装置。如果该技术与刷头的
运动检测一起使用，则它可以用于建立其中牙菌斑位于口中的地图。而且，如果40MHz调制在时间分辨系统中使用，则可以使用NA为0.48的光纤，并且2m的长度在检测点的边缘处给出了大致抵消牙菌斑信号的
相位延迟。这可以实现在图2中示出的牙菌斑灵敏度地图。本领域技术人员可以设想多个不同的组合，以实现所预期的结果和/或结局和/或类似效果。
[0049] 图5图示了根据本公开的所检测的牙菌斑斑点500的示例。
[0050] 在一个示例性实施例中，当刷头沿多个牙齿中的单个牙齿移动时，牙菌斑斑点的大小和数量可以被记录。图5描绘了两个斑点。左边斑点指示所检测到的小的或薄的牙菌斑斑点510，而右边斑点指示所检测到的大的或厚的牙菌斑斑点520。该信息可以用于在某个刷头运动期间基于若干所检测到的参数(诸如但不限于牙菌斑斑点的尺寸、牙菌斑斑点的厚度、到
牙龈的接近程度、以及所检测到的牙菌斑的数量)向用户给出反馈。
[0051] 基于所检测到的参数，“签名反馈”可以被提供。这种“签名反馈”可以是听觉反馈或振动反馈，例如，与刷头的
电机运动稍有不同。还有，当超过一定
阈值(例如，如最小尺寸的牙菌斑斑点)时，即时用户反馈可以与“签名反馈”一起被给出。
[0052] 听觉反馈可以包括若干预先记录的音频线索，其中，每个音频线索可以给出所检测到的牙菌斑的程度、水平和/或量的不同的指示。比如，用于分散的小牙菌斑块或较大的牙菌斑斑点的不同的音频线索被更紧密地
定位在一起。音频线索可以包括可以传达所检测到的牙菌斑斑点的严重性的特别工业设计的音频图案。本领域技术人员可以基于所期望的应用来设想多个不同音频线索。
[0053] 而且，如参照图3b上文所描述的，反馈还可能经由外部接口单元提供给外部设备。例如，如图5所示，反馈可以采用与所检测到的牙菌斑斑点的尺寸相对应的一个或多个实时可视线索的形式。
[0054] 可替代地，在刷洗周期结束时，可视指示可以经由多色LED阵列给出。当更多的LED点亮时，所检测到的牙菌斑斑点的位置的数量较大，同时LED的颜色可以指示所检测到的牙菌斑斑点的平均(加权)尺寸。本领域技术人员可以基于所期望的应用来设想多个不同LED图案。而且，如参照图3b上文所描述的，可视指示还可能经由外部接口单元提供给外部设备。
[0055] 尽管已经就频域时间分辨荧光而言给出了本描述，但是它还可以在时域时间分辨荧光中实现。这些方法与公知的傅立叶或拉普拉斯变换有关，并且这两种方法之间的转换对于本领域技术人员而言是明显的。可以通过实现哪个更成本有效的方式来简单地确定选择。
[0056] 一般而言，本公开的示例性实施例具体涉及牙齿清洁工具，诸如牙刷或空气牙线。然而，本领域技术人员可以拓宽本公开的示例性实施例以包括专业牙科检查设备，由此牙菌斑存在可以通过图像、声音或振动频率和强度而被显露。这适用于诸如牙科、口腔卫生和牙齿美白之类的领域。
[0057] 前述示例图示了本公开的各种方面和本公开的各方法的实践。示例不旨在提供本公开的许多不同实施例的穷举描述。因此，尽管为了清楚和理解的目的，前述本公开已经通过图示和示例进行了相当详细的描述，但是本领域普通技术人员将容易认识到，在没有脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开所进行很多改变和修改。
[0058] 因为旨在本公开的范围应当与技术所允许的范围一样宽并且应当同样地阅读
说明书，所以尽管本公开的若干个实施例在附图中已经被示出，但并不旨在本公开局限于此。因此，上文的描述不应当被解释为限制，而仅作为具体实施例的范例。本领域技术人员将预见到在所附权利要求的范围和精神内的其它修改。
