利用如洁齿器(scaler)或声波或超声波设备等去除牙结石对 于防治牙周疾病是非常重要的，牙周疾病是指如骨头B、齿龈G、韧带 等围绕牙齿的组织的疾病。积累在牙齿表面上的牙菌斑钙化成牙结 石。由于牙结石是包含细菌并易于在其表面上积累这些病原菌的多孔 物质，必须去除龈上结石和龈下结石S(参见图2)。
在健康的牙周组织(参见图1)中，不存在牙周袋。但是，当出 现牙周疾病时，则由齿龈G的内表面O和牙齿T的根部R形成了这种牙周 袋P，其顶端靠近于牙周韧带L。从而，可以在这种牙周袋P中发现龈 下结石S。
因此，为了预防可以导致严重健康问题的牙周问题，重要的是， 在牙结石形成时，将其从牙齿表面去除；另一方面，牙结石的去除很 困难，而且以一种摸索的方式进行，由于龈下结石为齿龈所覆盖，在 常规条件下，人眼通常是看不到龈下结石的。为了去除龈下结石(即， 位于齿龈后面)，操作者必须利用探针、通过触觉来试图定位牙结石， 但如果不借助侵入性外科手术，不可能实际观察龈下结石，以确保龈 下结石的完全去除。
由美国专利No.5,230,621和No.5,326,365知道了将内窥镜方 法和设备用于龈下结石的去除。在这种系统中，将内窥镜探针插入龈 袋或龈沟中，以便内窥显现其他操作器械所进行的龈下根面平整术、 刮牙术或其他牙菌斑去除步骤的过程和/或效果。代替地，可以将内 窥镜观察设备并入其自身用于从龈下牙齿表面去除沉积物质的操作器 械中，借此，操作者可以在使用牙菌斑去除器械本身的同时观察和/ 或引导器械。从而，操作者观察提供了内窥镜观察的图像的监视器， 而且操作者通过观察监视器，检测龈下结石的出现。这种系统是有效 的，但对于使用有些麻烦，因为为了观察监视器，操作者必须停止观 察病人的嘴。此外，由于其需要监视器和相关的硬件，此系统相对较 为昂贵。
因此，需要一种齿科器械，其可以利用牙结石去除器械等自动 地检测龈下结石的出现，不需要使用监视器，而且由于不必观察监视 器、而使病人的嘴离开操作者的视线，允许操作者将其工作集中在病 人的嘴里。这种器械将通过提供一种在操作者使用牙结石去除器械的 同时、帮助操作者进行诊断的系统，促进操作者去除龈下结石的工作。

因而，本发明的一个目的是提供一种用于检测包括龈下结石在 内的牙结石的新型系统。
本发明的又一目的是提供一种用于检测牙结石的新型系统，该 系统根据其光谱反射特性，自动检测牙结石。
本发明的另一目的是提供一种系统，在该系统中，在检测到龈 下结石之后，将视觉、基于声音的、触觉或其他信号提供给操作者或 牙结石去除设备(在提供给牙结石去除设备的情况下，由所述信号控 制该器械)，其中，通过在龈下区域所进行的测量得到这种检测，而 且所述测量在适合于区分构成了牙结石出现的特征的光谱反射特征的 一个或多个预定的波长范围内进行。
因此，依照本发明，提供了一种牙结石检测和去除设备，包括： 牙结石去除器械，适合于沿牙齿移动；照明装置，以入射光照亮牙齿 上要检查的区域或与牙齿相邻的区域；检测装置，用于收集反射光； 以及分析系统，当对于一个或多个预定波长范围内的反射光的测量落 入作为牙结石的特征的任何第一预定数值范围内时，或者当所述测量 未落入作为除了牙结石之外的其他人工产物的特征的任何第二预定数 值范围内时，向所述牙结石去除器械的操作者，或者向所述牙结石去 除器械提供信号，从而响应所述信号，可以操作所述牙结石去除器械， 来去除所述区域或其相邻区域的牙结石。
同样，依照本发明，提供了一种用于检测和从牙齿上去除牙结 石的方法，包括以下步骤：(a)与检测设备一起，提供照射在牙齿区 域上的入射光和自然光源之一；(b)利用所述检测设备收集并测量从 牙齿的所述区域反射的光；(c)分析所述反射光，确定所述反射光是 否表示牙结石的出现；(d)当在步骤(c)中检测到牙结石的出现时， 向牙结石去除器械的操作者或牙结石去除设备提供信号；以及(e) 在所述检测设备基本上保持在所述区域中的位置上的同时，利用所述 去除设备从所述区域去除牙结石。
动力牙结石去除设备或牙结石去除设备可以包括声波洁齿器、 超声波洁齿器、旋转洁齿器、压电洁齿器、任何手动器械(如，刮匙) 或适合于牙科操作者去除牙结石的任何类型的设备。
附图说明
已经总体上描述了本发明的特征，现在将给出通过本发明的优 选实施例的描述所示出的附图，作为参考，其中：
图1a是牙齿及其周围组织的示意性垂直剖面图；
图1是图1a的圆圈1-1的放大图；
图2是与图1相类似的示意图，但示出了牙根和齿龈之间的牙周 袋和容纳在牙周袋中的龈下结石；
图3是依照本发明具有检测牙结石的系统的牙结石去除器械的示 意图；
图4和图4a是图3中的连接器系统的示意性放大局部细节图；
图4b是图3的箱体的一些部件的示意性细节图；
图5a、5b和5c分别是本发明的牙结石检测和去除刮匙的透视图、 正视图和放大细节图；
图6是本发明的另一牙结石检测和去除器械的透视图；
图7a和7b分别是图4和图4a的牙结石检测和去除器械的纵向剖面 图和放大细节图；
图8是本发明的另一牙结石检测和去除器械的局部的透视图；
图8a是朝向和背向牙齿表面放置的图8的牙结石检测和去除器械 的示意图；
图9和图9a分别是具有一次性末端的本发明的另一牙结石检测和 去除器械的局部的透视图和细节放大图；
图9b和图9c分别是具有一次性末端的本发明的另一牙结石检测 和去除器械的局部的纵向剖面图和分解正视图；
图9d是具有一次性末端的本发明的另一牙结石检测和去除器械 的局部的纵向剖面与分解图；
图10是本发明的另一牙结石检测和去除器械的局部的透视图；
图11是本发明的另一牙结石检测和去除器械的局部的透视图；
图12是本发明的另一牙结石检测和去除器械的局部的正视图；
图13和图13a分别是本发明的牙结石检测和去除器械的局部的透 视图和放大细节图；
图14是本发明的另一牙结石检测和去除器械的局部的透视图；
图15a、15b和15c是用于组合多个光束并将其耦合到一根或多根 光纤中的三种方法的示意图；
图16a、16b和16c是描述了三种诊断顺序的示意图；以及
图17是本发明的另一牙结石检测和去除器械的局部的透视图。

本发明是一种具有适于用作内窥镜型设备的牙结石去除器械、 用于自动检测龈下结石S的系统10，使用如下的光学方法：该方法基 于牙结石的电磁谱反射特性，来区别牙齿上的结石和牙齿的健康区 域、齿龈、血以及事实上区分将上述的牙结石去除器械插入牙齿和齿 龈之间时、该器械所遇到的除了牙结石以外的任何其他人工产物。
更具体地，系统10包括三个主要的机械装置，分别为(1)包括 光学部件的牙结石去除系统；(2)牙结石检测系统，包括容纳光学部 件、光源和获取部件和信号处理电子装置的箱体、能够与供水系统或 水源30相连的进水口、在动力牙结石去除器械中(例如，在Cavitron 中或在刮匙中)通常可以发现的所有部件1000，还包括电缆线股，该 电缆线股包括光纤、在动力牙结石去除器械电缆中通常可以发现的所 有部件，并且将牙结石去除器械的插头与所述箱体相连；以及(3) 控制系统，在诊断时，能够激活牙结石去除系统的动力牙结石去除器 械，例如，该控制系统具有：(i)由操作者OP开动的手动控制或动力 踏板；或者(ii)开动与诊断相关的动力牙结石去除器械的模块(如， 电子部件或机电部件等)。
事实上，系统10包括动力牙结石去除器械插头12，在其末端包 含用于检测牙结石的光学系统，虽然这种光学系统可以设置在此末端 外部。这里的光学系统包括光纤，更具体地，包括用于照亮龈下区域 的一根或多根照明光纤14和用于接收所检查的位置或牙周位置的反射 光的一根或多根检测光纤16，反射光随后用于确定此区域的光谱反射 特性(虽然可以使用出光纤以外的其他装置，如，棱镜、镜子等)。 可以尝试将单一的光纤用于照明和检测功能。动力牙结石去除器械插 头12具有适于插入牙周袋P中的弯曲的端部60，在端部60中包含照明 光纤14和检测光纤16，延伸至端部60的封闭端或末端36，照明光纤14 和检测光纤16的末端均位于末端36。端部60可以非常尖，具有刮刀等 的形状。
动力牙结石去除器械插头12包括手柄18。动力牙结石去除器械 插头12还包括连接器46，例如，连接器46位于手柄18的近端。通过与 动力牙结石去除器械相同的系统将水注入或供应到龈下区域。用水冲 洗牙周袋P，以便提高检测效率。
与踏板同时开动冲洗系统(irrigation system)和动力牙结石 去除器械的传统动力牙结石去除器械不同，可以在不开动动力牙结石 去除器械的情况下，使用冲洗系统。
电缆线股32将动力牙结石去除器械插头12与设置在箱体34中的 电子系统相连，动力牙结石去除器械箱体可以具有适于与外部电源(如 图6所示，除非箱体34由放置在其内部的电池31供电)相连以及通过 供水管33与水源30(可以是与箱体34一体的便携式水池)的形状和大 小，从而得到便携式系统S。通过作为部分电缆线股32的光纤14和16 的近端，可以向或从箱体34传送通过动力牙结石去除器械插头12中的 照明和检测光纤14和16的末端部分传播的光。电缆线股32支持和保护 照明和检测光纤14和16以及在动力牙结石去除器械电缆中通常可以发 现的部件(包括部分供水管33和插头的电源)。电缆线股32可分离地 与设置在动力牙结石去除器械插头12的手柄18的近端33的连接器46相 连，从而，动力牙结石去除器械插头12可以与电缆线股32分离，允许 将动力牙结石去除器械插头12单独送往如高压消毒蒸锅、化学灭菌器 (chemiclave)等消毒设备。这里的连接器46用作光纤连接器，从而 允许插头12与电缆线股32分离，但也可以不具有这种光学连接器，只 要存在连接器，允许插头12或部分插头12与系统的其余部分分离，从 而能够对插头的相关部分进行消毒。代替地，动力牙结石去除插头12 也可以是一次性的，从而将其丢弃，而不进行消毒。
为了照明所述位置(即，牙周袋P)而设置的一根或多根照明光 纤14中的每一根均使其一端面向光源(可以设置有或不设置有光波长 选择滤波器)，而另一端位于动力牙结石去除器械插头12的末梢自由 端36。在电缆线股32和动力牙结石去除插头12之间的连接器46断开(或 切断)每根光纤14。
一根或多根检测光纤16中的每一根(可以是与用于“照亮”牙 周袋P的光纤14相同的一根光纤)均用于接收来自牙周位置的反射 “光”(电磁波：UV、可见光、IR等)。每根检测光纤16均使其一端位 于动力牙结石去除器械插头12的末端36，而另一端面向光电检测器(或 电光转换器)38(可以包括或不包括光波长选择滤波器)。在电缆线 股32和动力牙结石去除器械插头12之间的连接器46断开(或切断)每 根光纤16。可以在电或光路径上的任何位置设置电或光滤波器。
检测器38与装在箱体34中的电子系统相连。
在检测器或从检测器所传递的信号起，可以存在电子或物理(光 学)滤波系统，使检测更为简易，例如，从接收到的波长中去除那些 由非牙结石结构所引起的分量或检测不需要的那些分量，从而增强重 要的信号。滤波系统也可以将信号分为两个或多个不同的光谱区。
然后，由电子处理器对滤波之后的信号或未经滤波直接来自检 测器的信号进行分析，确定在动力牙结石去除插头12的末端36是否出 现了牙结石。
如果检测到牙结石，则启动指示器(发光、声音或任何其他操 作者可以感觉到的方式)，从而通知操作者，在动力牙结石去除插头12 的末端36所检查的区域中出现了牙结石。同时通知操作者或不通知操 作者，系统在检测到牙结石时可以通过启动控制箱400来启动牙结石 去除器械插头12，以便能够当时去除位于动力牙结石去除器械插头12 的末端36的牙结石。例如，指示器可以采用位于动力牙结石去除器械 插头12上的发光指示器42的形式，通过箱体34和动力牙结石去除插头 12的手柄18之间的一根或多根光纤44，向发光指示器42传送箱体34中 产生的光，从而终止于设置在手柄18上的指示器42(同样，参见图7a 和7b)，从而在检测到牙结石时，操作者可以看到光纤44传送过来的 光。同样，发光信号同样可以来自位于手柄18上并与位于相同34中的 开关电连接、而且在检测到牙结石时、自动触发的告警LED(发光二 极管)。
位于电缆线股32末端的连接器46也提供了动力牙结石去除器械 插头12的手柄18和电缆线股32之间的可分离连接机制(参见图4和图 4a)。电缆线股32也是照明和检测光纤14和16、在动力牙结石去除器 械电缆中通常可以发现的部件(包括供水管和电源)和可能存在的动 力牙结石去除器械插头12上的发光指示器42的光纤44的柔性护层。
箱体34可以包括：电输入电源48(电源可以是内部的或外部的)； 一个或多个光源50(卤素灯泡、二极管、激光器、激光二极管)，可 以由光波长选择滤波器对其进行滤波，也可以不进行滤波；光电检测 器38；电子处理器(至少一个晶体管)和存储器芯片，可以具有电子 卡40(例如，可以用于存储信息，或向计算机、打印机等电子系统传 送信息)的输入端等；继电器或开关54；按钮401，用于启动器械的 校准程序；可能的一个或多个按钮402，用于调整检测灵敏度；可能 的一个或多个按钮403，用于校准病人的牙齿和牙周特征；继电器404， 用于“打开/关闭”扬声器56；扬声器56具有发生器和放大器58，发 出声音，以通知操作者出现了牙结石，或者通知电子/电气系统在检 测到牙结石时，自动启动动力牙结石去除器械插头12(可以控制或不 控制功率强度与对应于牙结石的信号强度成正比，其中，较强的牙结 石信号将引起较高的功率输出给动力牙结石去除器械)。
从而，系统10可以通过照明光纤14将具有适当光谱组成的光传 输到牙周袋中，并通过与照明光纤14不同或相同的检测光纤16收回组 成牙周袋或出现在牙周袋中的组织和人工产物反射的光。然后由箱体 34中的光电检测器38检测此反射光，以便进行分析。根据通过出现在 牙周袋中或组成牙周袋的组织或人工产物对光的反射，对入射光的光 谱组成的改变，电子分析或机电分析(例如电子或信息算法)能够根 据光电检测器38的信号确定动力牙结石去除器械插头12的末端36是否 位于牙结石附近。因而，如果反射光的光谱组成落入事先针对牙结石 所确定的范围内，电子分析或机电分析向操作者发送感觉信号，和/ 或启动动力牙结石去除器械插头12，例如，启动手柄18上的发光指示 器42，通过光纤44向指示器42传送箱体34中产生的光，虽然也可以以 声音、振动等形式发出信号。
为了适应其工作端(即，插入牙周袋12中、去除牙结石的牙结 石去除器械插头12部分)受到磨损的现有动力牙结石去除器械(洁齿 器、超声波、压电、手动刮匙及其他器械)，将本光学系统并入到工 作端的内部或外部要求设计此光学系统，使其本身适于这种磨损。另 一方面，也可以生产磨损非常小或根本不磨损的工作端。这可以通过 提供耐磨涂层(如，钻石)或通过使用非常坚硬的材料(如，陶瓷、 金属等)或者通过其他方法来实现。
如果在光学系统中使用光纤或任何光学装置80，可以将其粘接 或简单地并置于相邻的结构(如，位于末端或工作端60所限定的内腔 中，其中水可以用作垫层)。为了粘接光纤，可以使用环氧型胶水。 依赖于所选择的结构，胶水可以是生物相容的、杀菌的等。
此外，为了附加的精确性和更好地抵抗机械拉力，可以通过利 用银或其他合金进行的焊接，将光学装置固定在结构上。
为了能够使光学装置80进出工作端60，可以使用传统的机械加 工技术、模具等(如用于产生如3密耳等非常小直径的孔的EDM机械加 工)。
光纤可以具有25微米或更小的直径，而这提供了设计工作端60 的灵活性。
1)将如光纤等光学装置80并入工作端内部：
      i、中央：光学装置位于工作端的中心；
     ii、侧面：可以插入光学装置，具有侧对而不是通过底部看
         到的“捕获端”82(参见图17)，而且“捕获端”82可
         以位于弯曲端部60的两侧。因为这种结构在牙齿表面面
         对“捕获端”时更为有效，可以使工作端能够旋转；
    iii、多个：能够同时检查多个区域的多个光学装置(照明和
         收集)；
     iv、移动性：光学装置可以独立地从能够使光学元件移动的
         工作端移开(参见图12中的移动光学部件)。通常对动
         力牙结石去除器械的工作端存在一定的磨损，具有照明
         移动性是适应这种磨损的一种方式(参见图12)；
      v、位于捕获部件末端的光学装置(集成或非集成)：在“捕
         获端”的末端可以使用如透镜等光学元件。此元件可以
         用以按照想要的方式定向辐射(例如，收集更多的横向
         辐射而不是来自“底部”的辐射)。例如，可以使用能
         够扩展的可膨胀部件。该光学部件可以是柔性的；
     vi、涂层：可以在工作端上涂覆涂层，以防止磨损(如钻石、
         陶瓷、环氧树脂、塑料等)；
    vii、隧道：在受到磨损的工作端中的光学装置部分可以由能
         透过所需辐射的材料制成(参见图13和图13a中的参考
         数字122)，并能够以与工作端相同的速率磨损。例如，
         光纤可以担当工作端中的照明，但在最后3mm中；
   viii、多根光纤：多根光纤可以用作光学装置；
     ix、单一：单一的光纤可以用作照明和收集的光学元件；
     x、其他光学部件：光学装置可以由镜子和/或棱镜(参见
         图14中的参考数字124)或其他折射或反射光学部件制
         成。同样可以设计插头，从而延伸到齿龈，从而增强观
         察。
2)如光纤等光学装置80位于工作端60外部(参见图8和图8a)： 光学装置可以放置在工作端结构外部的独立部件中。使光学装置部分 位于外部能够使其不受工作端结构的可能的磨损的影响。例如，此外 部系统可以包括容纳光学装置的、具有非常小的内直径的管84。与工 作端60并行地插入此部件。工作端可以移动光学部件(参见图8)，以 观察牙齿表面TS(参见图8a)。这种类型的部件在定位捕获端60上提 供了更多的灵活性。也可以设计此系统，适用于任何动力去除器械， 这样可以称为通用的。此系统可以是一次性的。与上面相同，此光学 装置可以是多个、具有涂层、隧道结构的、多根光纤结构的、单一光 学结构的或使用其他光学部件。
3、可更换部分(一体化结构)
    i、独立或组合可更换部分：
      1、末端：工作端的末端可以是可更换部分，具有或不具
         有光学装置；
      2、工作端：工作端本身可以是一次性部分，具有或不具
         有光学装置。例如，工作端和光学装置可以都是一次
         性的(参见图9b和9c)，或者工作端可以是一次性的，
         而光学装置是永久性的(参见9d)，工作端为套接头
         形式，限定了滑动插入光学装置的内腔；
      3、光纤部件(例如，移动光纤)：光纤部件可以是一次
         性的，如，塑料、玻璃或其他材料的单光纤光学部件；
         例如，能够通过工作端的内腔或其外部的光缆，比如，
         利用连续光纤光学反馈系统的某些软组织或硬组织激
         光器械；
      4、覆层或涂层：可以用覆层76覆盖工作端(参见图11)
         以防止磨损。在集成了光学装置以及光学装置位于外
         部时，均可以使用这种覆层。这种覆层可以由金属或
       特氟隆制成；可以是柔性的(如迈拉、聚四氟乙烯等)、
       可硬化的。覆层可以限定允许辐射足以通过光学装置
       的捕获端的孔。也可以不具有这种孔，只要其由足以
       允许电磁波通过的材料制成。
ii、固定方法
    1、螺杆——压力：推动工作端的螺杆可以使其牢牢固定；
    2、摩擦、径向扣紧——普通的卡盘或轴环固定系统；
    3、压入配合；
    4、粘贴——例如，使用在高压消毒蒸锅中分解的粘合剂，
       以便能够去除可更换部分；可以利用辐射(蓝光、UV
       等)使其硬化；
    5、旋转拧紧——例如，空气声波设备：在工作端或在可
       更换部分上设置螺纹，从而能够将其固定在工作端的
       其他部分上或固定在插头的手柄中的振动部分上。 4、可以用于构成工作端并能较好地耐受磨损的材料：
  i、钛；
 ii、不锈钢，400系列，如420；淬硬的、锤锻硬化的、冷拉
     或冷轧的金属；
iii、其他不锈钢；
 iv、陶瓷制品；
  v、塑料；
 vi、其他合适的金属；
vii、其他合适的材料。
5、光学元件，包括：
  i、玻璃光纤；
 ii、由其他材料制成的光纤；
iii、塑料光纤(聚酯等)；
 iv、透明胶；
  v、多个；
 vi、单个；
 vii、一对；
viii、棱镜：使光偏离正确方向的棱镜构成了将光导向想要的
      方向的一种方法。这种光学装置可以专用于无线手柄
     (wireless-handpiece)的情况，其中，辐射直接聚焦
     在沿想要的方向偏离光的棱镜上。
  ix、镜子；
   x、透明陶瓷。
图9和图9a示出了两种不同的一次性末端90和92，可分离地紧固 于手柄18上，或者分别通过紧固件94(例如夹具、螺母等)或者其他 螺纹啮合、夹子、粘合剂、钎焊等紧固于手柄18上(参见图9a中参考 数字96的连接)。图10示出了另一种一次性末端98，可分离地或通过 夹具99紧固于手柄18上。
图9b和9c示出了另一种一次性末端132，可分离地紧固于手柄18 上，其中工作端和光学装置都是一次性的，而且在光学装置80的永久 部分和位于一次性末端132中的一次性部分之间存在光学连接133。
在图9d中，示出了另一种一次性末端134，其中工作端是一次性 的，而光学装置80是永久性的，工作端134具有套接头形式，限定了 滑动插入光学装置80的内腔136。
这里所描述的所有一次性末端其本身都不是一次性的，在返回 弯曲端部60重新使用前，可以简单地进行更换，以便进行消毒。
图5a到5c示出了一种改进的手动刮匙130，依照本发明，设置有 延伸到弯曲端部60并终止于捕获端82的光学装置80，使得刮匙130可 以检测牙结石的出现，然后按照其传统的去除功能，使用刮匙130去 除检测到的牙结石。
具体参照图4b，照明光纤14用于将来自具有不同发射光谱、位 于箱体34中的两个LED 62和64的光传播到动力牙结石去除插头12的末 端36。将两个LED 62和64发出的光耦合到照明光纤14中，为了这种耦 合，使用二向色反射镜，也被称为分色光束分离器，由于其在波长上 具有选择性，通过某个波长范围内的透射光，而反射另一波长范围内 的光。根据反射镜反射或透射的波长范围，这种二向色反射镜或分色 光束分离器也被称为热光镜或冷光镜。代替二向色反射镜或分色光束 分离器，也可以使用一组“Y”结构的透镜或其他合适的装置来组合LED 62和64发出的光束，并将其耦合到照明光纤14中。在描述了照明光纤 14中的耦合的图4b中，参考数字66表示透镜，而参考数字68表示大约 45度或其他合适角度的分色光束分离器，其透射LED 62所发出的波长 范围内的光，而反射LED 64发出的5波长范围内的光。
根据其中牙结石的反射特性与插入在牙齿和齿龈(牙齿和齿龈 的健康或不健康部分)之间的动力牙结石去除器械插头可能会碰到的 其他人工产物的反射特性不同的光谱带，选择LED 62和64，即使出血 时，仍然如此。事实上，在这些光谱带中，血对光谱透射具有极小的 作用。通过对400nm与1,000nm之间的电磁谱的波长范围内牙结石的反 射特性的光谱研究，确定对光谱带的选择。在有血和没有血的情况下， 分别进行了这种光谱研究。LED 62在光谱的红光区域发光，其发射谱 的峰值大约位于625nm，从600nm延伸至650nm。对于LED 64，其发射 谱在800nm和920nm之间延伸。LED 62和64或任何其他合适的光源也可 以利用适于区分牙结石的其他波长进行工作，如光谱的绿光区域。
对于用在本系统10中的检测原理，基于以下原理进行操作。由 检测光纤16接收组成牙周袋P或在牙周袋P中出现的人工产物所反射的 光，并传送给位于箱体34中的光电二极管，从而转换为电信号。以“同 步”检测原理，对由牙齿反射并由检测光纤16传输的光的电子检测(也 称为相位敏感检测)，虽然也可以采用其他信号处理方法。大体上， 此原理在于以给定和公知的调制频率(不应与光源的光学频率相混 淆)对光源的强度进行调制。将调制光发送到要检查的介质上，利用 将其转换为电信号的光电检测器检测通过与介质的相互作用所得到的 光。然后，对电信号进行解调，从而从中只提取出具有调制了光源的 频率的分量。此原理能够以很高的效率检测非常小的信号。
在系统10中，存在以不同频率进行调制的两个光源(即，LED 62 和64，虽然可以由更多或更少的LED，例如1个或3个LED)，从而，通 过以两个LED的调制频率对光电二极管的电信号进行解调，允许利用 单一的光电二极管，检测两个LED发出的光，获得在与LED 62和64相 关的两个光谱带中、由牙齿反射的光量的测量结果。在与LED 62和64 的发光信道相关的两个同步电缆的输出，这些电平分别表现为信号V1 和V2，并被电子分析或机电分析(如处理算法等)所使用。
这里同步检测用于两个目的：
(1)允许电分离(在检测时)碰撞在单一检测器上的两个选中 光谱带的光；以及(2)由牙齿反射并被检测的光的水平非常微弱， 由于同步方法的灵敏度，而采用同步方法。由与箱体34的其余电子部 件集成在一起的电子处理器实时处理位于同步电路输出处的信号V1和 V2。在此处理器中编制了处理算法(或其他)。处理算法(或其他) 产生这两个信号V1和V2的比，y＝V1/V2(此比例所采用的量级是无关 紧要的)。如果此比例位于与牙结石相关的数值范围内(已经利用校 准测量，事先建立了此范围)，则动力牙结石去除插头位于牙结石上。 在这种情况下，该算法(或其他)发送信号，启动告警声音(如果需 要的话，操作者可以关闭此声音)，并启动箱体34中的告警LED，通过 光纤44传输告警LED的光，而且可以通过位于动力牙结石去除器械插 头手柄18上的指示器42看到。
为了确定牙结石相关的比例y的数值范围，在牙齿上多个健康位 置和有牙结石的位置进行了大量的测量，而且伴随有不同程度的出 血。针对每次测量，通过已知其是在健康部分或出现牙结石的部分进 行，获得了这两种情况下的数据。通过在图表上绘出这些数据的直方 图，确定与牙结石相关的数值范围。利用这种检测方法获得的结果比 利用传统的触觉检测所得到的结果有效得多。
操作者(1)使用动力牙结石去除器械插头确定何处存在牙结石， 然后(2)通过启动位于已经检测到牙结石的区域中的动力牙结石去 除器械插头12，以传统的方式去除牙结石。然后，操作者(3)利用 动力牙结石去除器械插头确认完全去除了龈下结石，然后，重复步骤 (2)和(3)，直到没有检测到牙结石。操作者也可以通过调整水调 节阀28的位置，控制向牙周袋P的供水(参见图7b、8、9、13a和13b 中的进水口72和出水口74)。可以通过脚踏板对电磁阀105进行操作， 以便能够供水，或者利用设置在动力牙结石去除器械插头12的手柄18 上的控制器来控制。当操作者OP接收到来自电子系统的感觉刺激或信 号(例如，通过指示器42、来自光纤44的发光，或者可以代替指示器 42或除了指示器42之外的任何其他方式的指示，如蜂鸣器、振动等) 时，操作者知道在动力牙结石去除器械插头12的末端36的位置处存在 一些龈下结石，于是注意观察动力牙结石去除器械插头12的末端36的 位置，从而操作者可以进行步骤(2)，步骤(2)在于使用“启动的” 动力牙结石去除器械插头去除该位置处的残余牙结石。
动力牙结石去除器械插头12可以只用作牙结石检测装置。
动力牙结石去除器械插头12可以只用作牙结石去除器械。
可以对动力牙结石去除器械插头12连续供电，并更为明确地用 在检测到牙结石的区域中。
操作者可以利用其触觉判断或其他信息来确定他/她是否与系统 10一致，如果需要的话，可以进行干预(例如，通过中断依赖于诊断 自动启动动力牙结石去除器械来进行干预)。
这里，为了耦合来自LED 62和64的光，利用二向色反射镜和透 镜展现了特定的方法，但是如“Y”结构等允许将来自LED的光耦合到 光纤中的任何其他结构都可以，基本点在于将光耦合到光纤16中。
例如，图15a描述了通过将两根光纤102和104熔合为单一光纤106 的耦合100。使用了两个LED 108和110，每个LED发出通过透镜对112 和114的光。参考数字116表示熔合区域。这种方法商业上称为WDM耦 合器。
图15b描述了利用“Y”结构耦合两束光的另一耦合200。更具体 地，两个LED 202和204每一个均位于透镜对206和208的后面，从而发 出通过透镜对的光。透镜206和208将光聚焦在光纤210的末端上。参 考数字212表示光纤210的光轴。
图15c描述了又一耦合300，也利用“Y”结构，但这里耦合了四 束光，这四束光有四个LED 302、304、306和308产生，每个LED均位 于透镜对310和312的后面，从而发出通过透镜对的光。透镜310和312 将光聚焦在光纤314的末端上。参考数字316表示光纤314的光轴。应 当注意的是，在另一耦合中，同样是“Y”结构，可以存在三个LED， 而不是图15b和图15c中刚刚描述的耦合200和300中分别发现的两个和 四个LED。
同样，对于上述检测原理(即，同步检测)，也可以使用其他原 理。可以考虑任何能够传送对噪声具有足够强度的信号、用于区分牙 结石和在牙周袋P中可以发现的其他人工产物的方法。此外，例如， 在数字系统中，可以使用具有不同波长的两个LED(但也可以是相同 频率的)，如红光LED和绿光LED，可以一个在一个之后、在二者之间 具有延迟地重复启动这两个LED。
作为这里所展示的处理算法(或其他)的替代，可以考虑除上 述比例y之外的信号V1和V2的组合。事实上，可以在二维空间中进行 将数据分入“是牙结石”和“不是牙结石”的分类，例如，通过绘出 V1对V2，或V1与V2的任何其他函数对与前述函数无关的V1与V2的另一 函数。同样，如果使用了多于两个LED或其他光源(如激光器、卤素 灯、光谱灯、滤光灯等)，可以按照二维或更多维度地对信息进行收 集和分析。
此外，作为刚刚描述的方法的替代，可以使用光谱仪来测量牙 齿所反射的光的光谱，然后可以利用算法(或其他)对此光谱进行分 析，以确定其对应于牙结石的光谱还是对应于另一人工产物的光谱。 可以使用任何其他合适的方法来分析所接收到的光谱，以检测牙结石 的出现为目的，将其与牙结石的光谱进行比较。
通过改变要检测的光谱，本系统可以用于定位具有不同光谱特 征、位于限制了进入的口腔位置中的其他结构(例如，龋齿、牙周韧 带、牙龈炎[高血容物]、牙菌斑、牙齿填充物、黑素瘤、具有痕量物 质的任何标记物质等)。例如，可以通过将对应于牙菌斑界限的参数 输入检测系统，检测牙菌斑。此外，基于赤藓红(erythrosyne)等 着色剂适于揭示牙菌斑的出现(其被用作病人的教育工具)，输入这 种着色剂的光谱参数可以提供一种检测牙菌斑的替代方式。由于牙周 治疗可能越来越倾向于有选择性地去除牙结石和牙菌斑，而不对牙齿 表面进行侵蚀性治疗以使表面光滑，牙菌斑检测系统将允许以有限的 力度去除牙菌斑，而与更大的力度去除牙结石，从而保护根表面(目 前，由于过度的刮擦，使其受到损害)。
系统10也可以包括重新校准功能。也可以设置告警信号，在动 力牙结石去除插头所检查的区域中出现了过多的血、系统10不能够进 行足够的读取、从而不能以足够的精度确定在这个区域内的牙齿上是 否出现了牙结石时，进行通知。
可以包括另一特征，指示动力牙结石去除器械插头，或更具体 地，其照明和/或检测光纤14和16是否磨损得太厉害而不能有效地使 用，从而应当进行更换。这种状态可以通过设置在箱体34中的电子系 统中未接收到足够的光来进行检测。
除了利用指示器(如所述的光纤44)向操作者提供指示牙结石 出现的发光(或其他)信号之外，系统10也可以包括监视器，向操作 者显示其他信息，例如，系统中能够帮助他/她进行诊断的电子信号。
也可以包括装置35，从电子系统(例如，通过计算机和软件， 包括电子卡40等)中收集数据，存储在任何种类的存储介质中，以便 允许对病人的病史进行跟踪。对于系统10的本实施例，已经对400nm 和1,000nm之间的范围内的牙结石的反射特性进行了研究，并使用了 此范围内的光源(两个LED 62和64)。但是，也可以使用低于400nm的 紫外(UV)范围内的光源或高于1,000nm的远红外范围内的光源。
同样，由于除了牙结石之外的多种人工产物的光谱响应是已知 的，如珐琅质、牙齿根面、齿龈、血、龋齿(龋)、牙齿填充物等， 可以调整如程序、系统10等，向操作者给出牙结石出现信号，作为未 检测到前述人工产物的光谱特征的结果。因此，如果系统10只检测到 这些人工产物(这里的术语“人工产物”不包括牙结石)的光谱特征， 则在所检查的区域中没有牙结石。
由于牙结石对于UV光的响应不如牙周袋P中出现的其他人工产 物，如果将UV光照射在牙齿上，没有荧光(或几乎没有)可能表示牙 结石的出现。
同样，可以使用将附着在牙结石上而不附着在其他人工产物上 的痕量物质(如，有机染料[赤藓红])。然后，通过以光源照射牙齿， 痕量物质将以特定波长发光，从而，如果检测到这种波长，则出现了 牙结石。同样可以使用与牙结石的成分反应的物质，从而发出特定波 长的自发辐射光。利用光学探针收集这种自发辐射光。如果检测到特 定的波长，则存在牙结石。不需要在病人的嘴里放入光源，就可以使 用此方法。
针对要检测的牙结石，也可以使用不发光的电磁波长或利用如 远红外、紫外、压电、超声波、磁谐振、阴影等其他类似的方法。
本发明的其他用途是检测与已知的痕量物质具有特殊的亲和力 的牙周或牙齿人工产物(例如，与牙菌斑一起的赤藓红标记的红色反 射)，已知的痕量物质具有特定的反射特征，可以用于检测对该物质 具有独特亲和力的预期物质。
可以使用除光纤之外的其他装置(如棱镜、镜子、透明管等) 照亮牙齿和收集从牙齿上反射的光，只要反射光具有足够的强度，以 便允许对其进行分析。
如上所述，在本系统中，水对于检测并不重要，虽然有时可以 提高检测过程的效率。用在本发明中的供水系统最好与用在选中的动 力牙结石去除器械的结构中的供水系统相同。在动力牙结石去除器械 不包括供水系统的情况下，可以在捕获端附近进行供水。可以通过外 部的管子、集成在工作端中的管子或其他合适的装置进行供水。
也可以使用紧凑型系统(参见图6)，其中，全部或至少大部分 检测系统位于手柄中，包括水箱70。这种结构能够减少对电缆线股中 具有光纤的需要，甚至根本不具有任何光纤，在这种情况下，直接使 用从照明系统发出的照明信号，并通过朝向工作端的末端的光部件离 开(参见图14a和14b)。这种紧凑型系统可以包含全部所需的部件。 水传送可以是内部或外部的。
本发明也可以包括牙周袋测量设备，能够测量牙周袋的深度， 而且可以将这些测量结果电传输给计算机等。
可以由显示屏幕或在操作者进行刮擦的同时传送工作区域的图 像的等价模式来代替自动检测系统。
虽然本发明提出了一种具有高灵敏度和特异性的检测系统，仍 然可以组合一个或多个检测系统，以获得更好或更为可靠的结果(例 如，利用依赖于分析电磁谱的不同区域中的响应或分析对于电磁谱区 域的不同强度的光所得到的响应的系统)。
可以使用与收集系统独立发光的照明系统来照亮牙齿及其牙周 位置(例如，通过牙齿咬合面)，而利用独立的收集系统收集来自照 亮位置的辐射。
在本发明中可以使用三种诊断方法。第一种，使用一种装置， 向操作者传送来自收集装置的视觉信息，从而，操作者可以根据所显 示的图像，做出诊断。第二种，使用一种装置，将收集到的辐射转换 为对操作者的刺激，从而，操作者可以对牙结石进行检测(例如，将 所收集到的IR辐射转换为与所收集到的第一辐射相对应的可见辐射， 或者将第一辐射转换为与第一辐射相对应的可听刺激)。第三种，使 用这里更为清楚地展示的系统，其中，对于所收集的辐射的电子电力 处理确定了辐射是否对应于牙结石。
使本发明发挥作用的最小需求是所收集到的辐射的特征。系统 基本上收集从所观察的位置的发光而得到的辐射的强度。因而，可以 通过将所收集到的辐射的总强度CR和与牙结石相对应的预定值(或数 值范围)相比较，来检测牙结石。也可以监视其他次要参数。
应当注意的是，可以直接或间接地进行对来自所观察的位置的 辐射的收集。从所观察的位置发出的辐射在被收集系统收集之前，可 以通过血、水、牙菌斑、引入牙周袋中的其他物质(荧光液体等)或 其他。
也可以通过一个或多个光学元件(例如，柔性透镜)对位于光 学装置的捕获端的末端的辐射进行修改，所述光学元件根据其与牙结 石或其他非牙结石物质的光学和机械相互作用，修改电磁辐射的特 征。
图16a到16c描述了如下三种诊断顺序。图16a示出了利用光学收 集和显示设备的诊断顺序，其中，由操作者做出诊断，例如，通过利 用位于光纤前面的放大透镜，从而显示所收集到的信号的颜色。在图 16b中描述了利用光学收集、电子转换和显示设备的诊断顺序，其中， 由操作者做出诊断，例如，通过将眼睛不可见的红外射线转换为光线。 图16c示出了利用光学收集的诊断顺序，其中，诊断由依照本发明的 系统做出，并传达给操作者和/或机器。