用于菌斑检测的设备和方法与流程

本申请要求2014年9月29日提交的美国临时申请号62/056797的权益。

技术领域

本实施例大体涉及口腔保健设备和方法，并且特别地涉及菌斑检测设备和用于菌斑检测的方法。

背景技术：

口腔保健对于支持良好的牙齿卫生和健康是重要的。特别地，良好的口腔保健包括牙菌斑的去除。牙菌斑在临床上被限定为牢固地粘附到包括可移除和固定的修复物在内的口内硬质表面的结构化的、弹性的、黄灰色物质。另外，牙菌斑包括以由多个细菌和流体填充通道构成的组织化结构为特征的口腔生物膜。菌斑主要由唾液乙二醇-蛋白和细胞外多糖的基质中的细菌组成。此外，一克菌斑含有近似10¹¹个细菌。在牙菌斑中发现了超过500完全不同的微生物物种。此外，基于其在牙齿表面上的位置，牙菌斑被分类为龈上菌斑或龈下菌斑。

口腔菌斑包括数百物种的细菌的复杂性。口腔菌斑的成熟是非常可变的，取决于在口中的定位、年龄、时间、口腔环境和其他因素。尽管这种可变性，口腔菌斑的分析已表明它根据可再现的模式发展。牙菌斑中的大多数可培养细菌是变形链球菌、血链球菌和轻型链球菌(Streptococcus miteor)。

关于龈上菌斑，牙菌斑遵循典型的生长模式，其中初始生长沿着牙龈缘和齿间空间，其进一步在牙冠方向上延伸。粗糙的表面，像在牙齿、义齿基部和牙冠中的槽，保留更多菌斑。关于齿系内的变化，当与上颌相比时，在下颌中和在臼齿区域中菌斑形成发生得更快。另外，个体变量(像刷牙习惯、吸烟、饮食、唾液和薄膜的化学成分)也影响菌斑形成。

因此，期望在用户清洁他们的牙齿时通过告知他们是否确实正在从他们的牙齿上去除菌斑和他们是否完全去除了菌斑来帮助他们。以这种方式，除了将用户教导成良好的口腔卫生习惯之外，还向用户提供了保证。优选地，信息应在刷牙期间实时提供，否则消费者接受度很可能会低。例如，如果牙刷向用户提供用户当前正在刷牙的位置没有菌斑的信号时，用户可以移动至待清洁的牙齿的下一个刷牙位置，则将是有用的。这可以减少用户的刷牙时间，以及还导致更好的、更有意识的刷牙例程。

具有在存在干扰物种的情况下(例如在用牙膏泡沫包围的振动刷系统中)检测菌斑的能力的电动牙刷或其他口腔保健用具将是期望的。检测系统应提供具有可移除的菌斑层的表面与清洁薄膜/结石/牙填充物/牙齿表面之间的对比。然而，已知现有的电动牙刷不能检测菌斑的存在或不存在。

于是，期望一种用于克服本领域中的问题的改进的方法和设备。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，设备和方法有利地提供了在刷牙例程期间实时检测菌斑的方式。设备和方法是基于菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个的形状实施菌斑检测。特别地，菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个的非线性允许通过周期性地改变探测光源的波长生成吸收和发射谐波。这些谐波的同步测量允许抑制大量背景信号的菌斑检测。

根据其他实施例，用于检测牙菌斑的光学探针和方法可以集成在牙刷中。菌斑检测方法是基于归因于菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个的非线性形状生成的谐波和这些谐波中的一个的随后的检测。检测在吸收光谱(反射光)和/或发射光谱(荧光发射)中进行。

根据一个方面，菌斑检测设备包括激发源、光检测器和控制器。激发源被配置用于将波长调制光(λ_ex)输出至评价部位，波长调制光在波长调制频率处被调制成：具有周期性改变波长，所述周期性改变波长以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心。选取的菌斑展现出与(i)未选取的菌斑和(ii)除选取的菌斑之外的干扰物种中的一个或多个的光谱特性不同的光谱特性。光检测器被配置用于检测从评价部位接收的光(λ_site)，其中检测到的光(λ_site)包括(i)部位反射光(λ_refl)和(ii)部位发射光(λ_em)中的一个或多个。控制器可操作地耦合至激发源和光检测器，用于(i)控制激发源输出波长调制光，并且(ii)根据检测到的光(λ_site)和波长调制频率的高于基波的至少一个高次谐波检测菌斑。

根据另一方面，控制器包括：激发控制模块，用于经由至少一个激发控制信号来控制激发源输出波长调制光，和谐波分量检测模块，用于检测在(i)包括部位反射光(λ_refl)的吸收光谱和(ii)包括在部位发射光(λ_em)中的荧光发射的激发光谱中的至少一个内所包含的波长调制频率的高于基波分量的至少一个谐波分量。在进一步的方面中，谐波分量检测模块包括至少一个锁定放大器，被配置成检测波长调制频率的至少一个高次谐波分量并拒绝以其他频率调制的信号。

根据又另一方面，控制器输出作为检测到的菌斑的函数并指示出在评价部位处的特性的至少一个信号，特性包括从由(i)存在菌斑、(ii)未成熟菌斑、(iii)成熟菌斑和(iv)不存在菌斑构成的组中选出的至少一个。在另一方面中，周期性改变波长包括使用如下波长：包括(i)与对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性对准的中心波长、(ii)比中心波长短的波长、和(iii)比中心波长长的波长。

根据进一步的方面，菌斑检测设备进一步包括：光学器件模块，其包括光学滤波器、光纤、收集光学元件和聚焦光学元件中的至少一个，光学地耦合在(i)从激发源到评价部位的波长调制光(λ_ex)和(ii)从评价部位到光检测器的检测到的光(λ_site)中的至少一个的路径上。

在一个实施例中，激发源包括用于在输出三个不同波长的光的三个LED，其中光检测器包括至少一个光电检测器，且激发控制模块包括序列发生器，用于输出被配置用于对三个LED的激发进行排序的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。

在另一实施例中，三个LED包括各输出窄光谱光的蓝色LED，并且三个不同的窄光谱光包括438nm、444nm和450nm。在又另一实施例中，三个LED具有足以覆盖三个不同的窄光谱光的要求范围的发射光谱，其中激发源进一步包括分别布置在三个LED的输出处的三个净化滤波器(clean up filter)，每个LED一个净化滤波器，其中三个净化滤波器中的每一个具有用于三个不同的窄光谱光中的相应的一个的通带。

根据另一实施例，激光源包括激光二极管，其中光检测器包括至少一个光电检测器，并且其中激发控制模块输出被配置用于激发激光二极管的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。

根据又另一实施例中，光检测器包括用于在检测部位反射光时使用的光电检测器，和一个带通滤波器，其中带通滤波器具有用于分出以对应于对于选取的菌斑的吸收光谱中的非线性的波长为中心的部位反射光的期望光带、同时拒绝部位反射光的其他光带的通带。

根据进一步的实施例，激发源包括宽发射光谱固定波长光源和布置在宽发射光谱固定波长源的输出处的可调谐滤波器，其中可调谐滤波器可操作用于在不同的波长之中调制可调谐滤波器的通带，其中光检测器包括至少一个光电检测器，并且其中激发控制模块输出被配置用于调谐可调谐滤波器的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。

在再进一步的实施例中，激发源包括波长可调谐光源，其中波长可调谐光源可操作用于在不同波长之间进行调制，其中光检测器包括至少一个光电检测器，并且其中激发控制模块输出被配置用于调谐波长可调谐光源的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。

根据另一方面，一种口腔保健用具包括根据本文中的实施例的菌斑检测设备。口腔保健用具进一步包括：手柄部分，用于容纳菌斑检测设备的至少第一部分；和远端部分，从手柄部分延伸并且经由光学器件模块与菌斑检测设备光学地耦合，菌斑检测设备用于经由远端部分评价部位是否存在菌斑，远端部分包括(i)牙刷刷毛和(iii)不存在牙刷刷毛的探针中的至少一个，并且其中光学器件模块包括光学滤波器、光纤、收集光学元件和聚焦光学元件中的至少一个，它们光学地耦合在(i)从激发源到评价部位的波长调制光(λ_ex)和(ii)从评价部位到光检测器的检测到的光(λ_site)中的至少一个的路径上。

根据进一步的方面，一种菌斑检测方法，包括：向评价部位提供波长调制光(λ_ex)，波长调制光在波长调制频率处被调制成：具有周期性改变波长，所述周期性改变波长以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心，其中选取的菌斑展现出与(i)其他菌斑和(ii)除选取的菌斑之外的干扰物种中的一个或多个的光谱特性不同的光谱特性；检测从评价部位接收的光(λ_site)，其中检测到的光(λ_site)包括(i)部位反射光(λ_refl)和(ii)部位发射光(λ_em)中的一个或多个；和根据检测到的光(λ_site)和波长调制频率的高于基波的至少一个高次谐波检测菌斑。

再进一步的优点和益处对于本领域技术人员来说将在阅读并理解以下详细描述时变得显而易见。

附图说明

本公开的实施例可以采取各种组成部件和组成部件的布置及各种步骤和步骤的布置的形式。于是，附图是出于图示出各种实施例的目的并且不应被解释为限制实施例。在附图中，同样的参考数字是指同样的元件。另外，应注意的是，附图可以未按比例绘制。

图1是对于拔出的人类牙齿和离体的未成熟和成熟菌斑样本中的每一个的归一化激发光谱的图形视图；

图2是对于拔出的人类牙齿和离体的未成熟和成熟菌斑样本中的每一个的、作为模拟荧光发射的样本数的函数绘制的锯齿调制波长响应的图示性视图；

图3是对于拔出的人类牙齿和离体的未成熟和成熟菌斑样本中的每一个的、作为模拟荧光发射的样本数的函数绘制的正弦波调制波长响应的图示性视图；

图4是根据本公开的实施例的图3的信号的快速傅里叶变换(FFT)频率分析的单侧振幅谱的图示性视图，其中用数字1标识的一次谐波包括基本谐波；

图5是根据本公开的实施例的对图4的单侧振幅谱的一次谐波放大的特写的图示性视图；

图6是根据本公开的实施例的对图4的单侧振幅谱的二次谐波放大的特写的图示性视图；

图7是根据本公开的实施例的菌斑检测设备的图示性框图视图；

图8是根据本公开的一个实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有三个LED的激发源的菌斑检测设备的框图视图；

图9是根据本公开的一个实施例的用于图8的激发源的三个LED的激发序列的图示性时序图视图；

图10是根据本公开的一个实施例的包括菌斑检测设备的口腔保健用具的图示性框图视图；

图11是根据本公开的另一实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有三个LED的激发源的菌斑检测设备的框图视图；

图12是根据本公开的一个实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括激光二极管激发源的菌斑检测设备的框图视图；

图13是根据本公开的一个实施例的用于独自使用评价部位反射光来检测菌斑的包括控制器和光检测器的菌斑检测设备的框图视图；

图14是根据本公开的实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有宽发射光谱源和可调谐滤波器的激发源的菌斑检测设备的框图视图；和

图15是根据本公开的实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有波长可调谐源的激发源的菌斑检测设备的框图视图。

具体实施方式

参照在附图中描述和/或图示出的并在以下描述中详述的非限制性示例更充分地说明本公开的实施例和各种特征及其有利细节。应注意的是，附图中图示出的特征并不一定按比例绘制，并且一个实施例的特征如本领域技术人员将认识到的可以与其他实施例一起实施，即使本文中没有明确地指出。公知的装置、组成部件和/或处理技术的描述可以省略，以便不会不必要地使本公开的实施例模糊不清。本文所使用的示例仅仅旨在便于理解可以实践本公开的实施例的方式并进一步使得本领域技术人员能够实践它。于是，本文中的示例不应被解释为限制本公开的实施例的范围，其唯一地由随附权利要求和适用法律来限定。

应理解的是，本公开的实施例不限于本文所描述的特定方法学、协议、装置、设备、材料、应用等等，因为这些可以是变化的。还需理解的是，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制所要求保护的实施例的范围。必须注意的是，如本文所使用的并且在随附权利要求中，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。

除非另有限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本公开的实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。描述了优选的方法、装置和材料，但是在实施例的实践或测试中可以使用与本文所描述的那些类似或等同的任何方法和材料。

根据本公开的实施例，设备和方法有利地提供了在刷牙例程期间实时检测菌斑的方式。设备和方法基于菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个的形状来实现菌斑检测。特别地，菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个的非线性允许通过周期性地改变探测光源的波长来生成吸收和发射谐波。这些谐波的同步测量允许抑制大量背景信号的菌斑检测。如本文所讨论的，菌斑检测方法是基于归因于菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个的非线性形状而生成谐波，及随后的这些谐波中的一个的检测。检测在吸收光谱(反射光)和/或发射光谱(荧光发射)中进行。

菌斑的自发荧光性质一般是已知的并且可以取决于菌斑的类型二分成两个“颜色”：未成熟菌斑或成熟菌斑。在两者中，后者容易检测，因为当用蓝色光激发时其显示红色荧光。而，当实践良好的口腔卫生时，该类型的菌斑很少会遇到。因此，未成熟菌斑的检测更加重要。不幸的是，未成熟菌斑在蓝色激发上显示与牙硬组织相同的荧光性质、即绿色荧光(峰值在500nm至510nm)。这使得在釉质上进行未成熟菌斑的荧光检测不可行。更糟糕的是，复合牙填充物显示与未成熟菌斑类似的荧光性质。然而，在一方面菌斑和另一方面牙硬组织与填充物的激发光谱上存在有很大差异。

现在参照图1，示出了对于拔出的人类牙齿和离体的未成熟和成熟菌斑样本中的每一个的归一化激发光谱的图形视图10。在图1中，将归一化的相对荧光强度作为激发波长(nm)的函数绘制。归一化激发光谱对于牙齿用参考数字12标识、对于成熟菌斑样本用参考数字14标识并且对于未成熟菌斑用参考数字16标识。所有的光谱都是在爱丁堡仪器(Edinburgh Instruments)FLSP920时间分辨荧光光谱仪上记录的。对于激发和发射测量，应用了使用Xe900连续氙灯的稳态配置。另外，使用了如下设置。用激发和发射单色器的1.1mm狭缝开口记录了光谱，给出1nm激发分辨率、1nm发射分辨率和0.5×4mm激发光斑尺寸。所使用的检测器是具有从200nm至近似870nm的光谱覆盖度的FLSP920标准光电倍增管(Hamamatsu，R928P)。将检测器操作温度主动控制在-20℃。在对于暗电流、激发强度和检测器灵敏度的校正的状态下记录光谱。

在图1中，在未成熟菌斑的归一化光谱16的相对荧光强度中，在450nm附近(即，更接近444nm)可以清楚地观察到在相对荧光强度上的峰值(用参考数字18指示)。在450nm附近(例如，440nm至460nm)的相同波长处，在成熟菌斑的归一化光谱14的相对荧光强度上存在有一定的非线性，而人类牙齿的激发光谱12在那里是局部线性的。

有利地，本公开的实施例利用在450nm附近的激发光谱中的非线性来检测菌斑。特别地，通过在检测到的光中进行的谐波的同步检测，将背景信号(像牙硬组织、牙膏、牙龈(齿龈)和填充物)的信号有利地拒绝，而同时可以可靠地检测菌斑。本公开的实施例还有利地允许在成熟和未成熟菌斑之间进行区分。虽然本文所讨论的图示性示例的实施例考虑了在450nm附近的波长范围内发生的非线性，但是在可以利用的光谱中存在有附加的非线性范围。由于适用的光源、例如二极管激光器或LED的可用性，本文所讨论的示例集中在450nm区域(例如，Cree生产了在范围从445nm到465nm的2.5nm宽的箱中的450nm LED)。还有，450nm是用于菌斑荧光的良好的激发波长。然而，随着具有其他波长范围的光源在将来变得可用，也可以使用光谱中的其他非线性范围的利用。

使用了模拟来确定如果用来自探测牙齿部位的光源的光来激发各物体(即，牙硬组织、未成熟和成熟菌斑)的话将会发生什么，也就是在从440nm到470nm的波长上线性地扫描四个周期(即锯齿调制波长)。响应是图2的模拟荧光发射。

现在参照图2，示出了对于拔出的人类牙齿和离体的未成熟和成熟菌斑样本中的每一个的作为模拟荧光发射的样本数的函数的锯齿调制波长响应(用任意单位(a.u.)表达)的用参考数字20标识的图。对于拔出的人类牙齿、成熟菌斑和未成熟菌斑的锯齿调制波长响应分别通过参考数字22、24和26来标识。需注意的是，单独的响应22、24和26各被给予了偏移仅用于显示的目的，使得迹线不重叠。另外，扫描范围被放大，既用于显示的目的，又在未成熟和成熟菌斑中显示相反的效果。例如，在跨越样本数0至2000延伸的用参考数字28标识的间隔中，对于成熟菌斑的调制波长响应24显示面向上的曲线特性，而对于未成熟菌斑的调制波长响应26显示面向下的曲线特性。该相反的效果转换成两种类型的菌斑之间在光谱上的相位差。

仍然参照图2，清楚的是，牙齿响应22刚好跟随波长改变，即，没有变形可见。然而，成熟和未成熟菌斑两者的响应24和26分别清楚地显示非线性。该非线性引入了可以使用同步检测来检测的谐波。另一方面，未成熟菌斑的直接频率倍增能力从锯齿调制波长响应尚不清楚。这在涉及正弦波调制波长响应的下一图中将变得清楚。

现在参照图3，示出了对于拔出的人类牙齿和离体的未成熟和成熟菌斑样本中的每一个的作为模拟荧光发射的样本数的函数绘制的正弦波调制波长响应(用任意单位(a.u.)表达)的用参考数字30标识的图。对于拔出的人类牙齿、成熟菌斑和未成熟菌斑的正弦波调制波长响应分别通过参考数字32、34和36来标识。需注意的是，单独的响应32、34和36各被给予了偏移用于显示的目的，使得迹线不重叠。另外，扫描范围被放大，既用于显示的目的，又在未成熟和成熟菌斑中显示相反的效果。如图示出的，在跨越样本数0至200延伸的用参考数字38标识的间隔中，对于成熟菌斑的调制波长响应34显示正弦特征，并且对于未成熟菌斑的调制波长响应36显示频率倍增的正弦特征。仍然参照图3，激发源光输出的波长调制以对应于对于未成熟菌斑的荧光激发或发射光谱的非线性(例如，发射峰值)的波长为中心。

现在转到图4，示出有图3的信号的快速傅里叶变换(FFT)频率分析的单侧振幅谱的图示性视图40。更特别地，图4图示出图3的信号的FFT，其中纵轴│S(f)│代表作为频率的函数的光谱的量级，并且横轴代表谐波。一次谐波用数字1标识并且包括基本谐波。二次谐波用数字2标识，三次谐波用数字3标识，以此类推。FFT产生正和负频率两者；然而，单侧振幅谱基本上丢弃负频率同时校正振幅(即，将正频率振幅倍增以补偿负频率中的能量)。在图4中，对于人类牙齿、成熟菌斑和未成熟菌斑的单侧振幅谱分别通过参考数字42、44和46来标识。

在图4的单侧振幅谱40中，在一次谐波处，在一次谐波处的由人类牙齿产生的光谱贡献的量级标识在42₁处，并且在一次谐波处的由成熟菌斑产生的光谱贡献的量级标识在44₁处，其稍大于人类牙齿在一次谐波处的光谱贡献。然而，如将参照图5进一步讨论的，在一次谐波处的由未成熟菌斑产生的光谱贡献显著地小于成熟菌斑和牙齿的光谱贡献两者。仍然参照图4，进一步注意到，在二次谐波处，存在有在46₂处标识的由未成熟菌斑产生的光谱贡献的量级，而光谱贡献的量级较少来自成熟菌斑，而极少来自牙齿。类似地，三次谐波显示了在44₃处标识的来自成熟菌斑的贡献，并且虽然未标识，但三次谐波还包括来自未成熟菌斑的贡献，其小于成熟菌斑的贡献。以类似的方式，四次谐波显示了在46₄处标识的由未成熟菌斑产生的主要贡献。在五次和六次谐波处的贡献显著地更小，并且在该视图中不可辨别。

现在参照图5，示出有对图4的单侧振幅谱的一次谐波放大的特写图示性视图50。在该视图中，如图4中那样，对于人类牙齿、成熟菌斑和未成熟菌斑的单侧振幅谱分别通过参考数字42、44和46来标识。如所预期的，从图中的基波或一次谐波1没有获得有用的信息。在图5中，迹线在一定程度上重叠，然而，对于牙齿的基波分量42₁和成熟菌斑的基波分量44₁近似相等地大，而对于未成熟菌斑的基波分量46₁几乎没有。

现在转到图6，示出有根据本公开的实施例对图4的单侧振幅谱二次谐波2放大的特写的图示性视图60。在该视图中，二次谐波显示了来自未成熟菌斑的最大贡献46₂(对于在图4中通过参考数字46₄和46₆图示出的四次和六次谐波也是如此)，而在二次谐波(和高次谐波)处的来自牙齿的贡献42₂低至少一个数量级(例如，很可能由FFT泄漏引起)。二次谐波2处的来自成熟菌斑的贡献的估计被指示在44₂处，其小于未成熟菌斑的贡献46₂。

因此二次谐波的同步测量使得菌斑检测与牙齿背景信号无关。另外，成熟和未成熟菌斑的分离可能来自(i)三次谐波或(ii)来自二次谐波处的相位。在一个实施例中，成熟和未成熟菌斑的来自二次谐波处的相位的分离与三次谐波处相比可能是优选的，以节省附加锁定放大器。换言之，检测二次谐波处的相位将消除对用以检测三次谐波处的信号的附加锁定放大器的需要。不过，应进一步注意的是，利用数字锁定放大器实现的实施例将仅要求用以检测三次谐波附加固件。

根据本公开的实施例，菌斑检测信号可以包括反射信号(即，吸收光谱)和/或发射光谱(即，荧光)的使用。使用荧光，凭借波长过滤，成熟和未成熟菌斑之间的分离也是可能的。

本公开的实施例进一步利用基于通过周期性地改变探测光源的波长而在接收的光中生成谐波的效果。在一些实施例中，包括具有两个或更多波长生成部件的光源、用以检测反射光的一个或多个光电检测器部件、和一个或多个同步检测部件(例如，锁定放大器)。

现在参照图7，示出了根据本公开的实施例的菌斑检测设备或装置70的图示性框图视图。菌斑检测装置70至少包括激发源72、光检测器74和控制器76。激发源72被配置用于将用参考数字78标识的波长调制光(λ_ex)输出至评价部位80(例如在牙齿82)上。本文将在下面参照图8和图11至图15来提供有关激发源72的附加细节。

在一个实施例中，激发源72的输出波长调制光78在波长调制频率处被调制成：具有以对应于对于选取的菌斑在吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长。选取的菌斑展示出与(i)未选取的菌斑和(ii)除选取的菌斑之外的干扰物种中的一个或多个的光谱特性不同的光谱特征。例如，选取的菌斑可以包括未成熟菌斑、成熟菌斑和/或未成熟菌斑和成熟菌斑两者。如果选取的菌斑被选择为未成熟菌斑，那么未选取的菌斑包括成熟菌斑。类似地，如果选取的菌斑被选择为成熟菌斑，那么未选取的菌斑包括未成熟菌斑。此外，如果选取的菌斑包括未成熟和成熟菌斑两者，那么未选取的菌斑是不适用的。此外，除选取的菌斑之外的干扰物种可以包括牙硬组织、牙填充物、牙膏及其任何组合。其他干扰物种也是可能的。

光检测器74被配置用于检测从评价部位80接收的用参考数字84标识的光(λ_site)，其中检测到的光(λ_site)84包括(i)部位反射光(λ_ref1)和(ii)部位发射光(λ_em)中的一个或多个。本文将在下面参照图8和图11至图15来提供有关光检测器74的附加细节。

控制器76经由通过参考数字86指示出的合适的信号线可操作地耦合至激发源72和光检测器74。控制器76被配置用于(i)控制激发源72以输出波长调制光，和(ii)根据检测到的光(λ_site)84和波长调制频率的高于基波的至少一个高次谐波检测菌斑。在一个实施例中，控制器76包括微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、集成电路、离散模拟或数字电路组成部件、硬件、软件、固件或其任何组合中的一个或多个，用于执行如本文所讨论各种功能、进一步根据给定的菌斑检测实现和/或菌斑检测应用的要求来执行。控制器76可以进一步包括各种模块、例如激发控制模块、谐波分量检测模块及其他中的一个或多个，如本文所讨论的。本文将在下面参照图8和图11至图15来提供有关控制器76的附加细节。

仍然参照图7，菌斑检测装置70可以进一步包括激发控制模块88、谐波分量检测模块90，例如经由信号线86可操作地耦合至至少控制器76。菌斑检测装置70可以又进一步包括光学器件模块92。在一个实施例中，光学器件模块92包括光学滤波器、光纤、收集光学元件和聚焦光学元件中的至少一个，它们光学地耦合在(i)从激发源72到评价部位80的波长调制光(λ_ex)78和(ii)从评价部位80到光检测器74的检测到的光(λ_site)84中的至少一个的路径上。本文将在下面参照图8和图11至图15来提供有关激发控制模块88、谐波分量检测模块90和光学器件模块92的附加细节。

菌斑检测装置70可以又进一步包括存储器94、用户接口96、功率源或电源98和通信模块100，所有这些部件都经由信号线86可操作地耦合至至少控制器76。在一个在实施例中，存储器94可以包括可操作地耦合至至少控制器76的任何合适的存储器装置，用于至少将基于至少一个或多个检测信号的信息存储于其上，并且进一步用于至少随后从其上检索信息。用户接口96可以包括可操作地耦合至至少控制器76的任何合适的用户接口，其中响应于检测到的菌斑检测信号，用户接口96至少输出至少指示出在评价部位处检测到存在菌斑的状态的用户可感知信号。例如，用户接口96可以包括从由输入/输出装置、触觉输出装置、触摸屏、显示装置、照明输出装置、听觉输出装置及其任何组合构成的组中选出的至少一个。

控制器76输出作为检测到的菌斑的函数并指示出评价部位处的特性的至少一个信号，特性包括从由(i)存在菌斑、(ii)未成熟菌斑、(iii)成熟菌斑和(iv)不存在菌斑构成的组中选出的至少一个。于是，用户可感知信号可以包括根据给定的菌斑检测实现和/或菌斑检测应用的要求选择的任何合适的用户可感知信号，其中用户可感知信号指示出评价部位处的特性，其包括从由(i)存在菌斑、(ii)未成熟菌斑、(iii)成熟菌斑和(iv)不存在菌斑构成的组中选出的至少一个。

功率源98可以包括对于给定的菌斑检测实现和/或应用的任何合适的功率源或电源。例如，对于包括电动牙刷的口腔保健用具，功率源98可以包括可再充电的功率源。功率源98还可以包括经由菌斑检测装置70外部的源或者来自不可再充电的功率源的电源。

通信模块100可操作地耦合至至少控制器76，其中响应于检测信号，通信模块100至少将检测状态信号输出至远程装置(102，104)，其中检测状态信号至少指示出评价部位处存在菌斑的检测状态。检测状态信号可以进一步指示出评价部位处的特性，其包括从由(i)存在菌斑、(ii)未成熟菌斑、(iii)成熟菌斑和(iv)不存在菌斑构成的组中选出的至少一个。在一个实施例中，远程装置(102，104)包括从由移动电话(未示出)、智能电话102、经由网络104通信的有线网络使能装置(未示出)、经由网络104通信的无线网络使能装置(未示出)及其任何组合构成的组中选出的至少一个。

现在参考图8，示出了根据本公开的一个实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有三个LED 106的激发源72的菌斑检测设备70的框图视图。三个LED106被以图9所示的作为时间的函数的序列108来激活。例如，现在参照图9，在第一周期110期间，激活序列如下：LED1 OFF、LED2 ON、LED3 OFF(如参考数字112处指示出的)、LED1 ON、LED2 OFF、LED3 OFF(如参考数字114处指示出的)、LED1 OFF、LED2 ON、LED3 OFF(如参考数字116处指示出的)和LED1 OFF、LED2 OFF、LED3 ON(如参考数字118处指示出的)。第一周期110的序列具有T＝1/1f的持续时间，其中1f是基频。

在一个实施例中，激发源72的输出具有周期性改变波长，其中波长跨越以中心波长为中心的一定范围而改变。中心波长与光谱中的非线性对准，如本文上面所讨论的。波长周期性改变所处的频率、即波长调制频率具有1f的值。于是，1f是图9的序列108被重复所处的频率。

例如，周期性改变波长的光输出包括这样的波长，其包括(i)与对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱的一个或多个中的非线性对准的中心波长(例如，在来自LED2的光输出的波长处)、(ii)比中心波长短的波长(例如，在来自LED1的光输出的波长处)和(iii)比中心波长长的波长(例如，在来自LED3的光输出的波长处)。在一个示例中，让我们假设非线性位于444nm处。444nm的波长是蓝色光的波长，并且蓝色光的频率是6.67×10¹⁴Hz，其中蓝色光的频率在本公开的实施例的上下文中不相关。在该示例中，被调制的是444nm的波长(即，颜色)—首先使颜色更加紫色、然后再次蓝色、更多青色并且最后再次蓝色。让我们假设颜色(即，波长)循环每秒重复1000次(即，1kHz)。因此波长调制频率为1kHz。那么二次谐波(例如，指示未成熟菌斑的信号)将会是2kHz。

返回参考图8，在一个实施例中，光检测器74包括两个光电二极管120和放大器，并且还可以包括收集和聚焦光学器件，像透镜、CPC(复合抛物面聚光器)或两者。光检测器74进一步包括两个带通滤波器122，其中两个带通滤波器将两种类型的菌斑(即，未成熟和成熟菌斑)的两个荧光带(红色和绿色)分离，并且拒绝从评价部位80反射的激发光78。

进一步关于图8的实施例，控制器76可以进一步包括激发控制模块88和谐波分量检测模块90。激发控制模块被配置用于经由至少一个激发控制信号来控制激发源72以输出波长调制光78。谐波分量检测模块90被配置用于检测在(i)包括部位反射光(λ_ref1)的吸收光谱和(ii)包括在部位发射光(λ_em)中的荧光发射的激发光谱中的至少一个内所包含的波长调制频率的高于基波分量的至少一个谐波分量。在一个实施例中，谐波分量检测模块90包括至少一个锁定放大器，其被配置为检测波长调制频率的至少一个高次谐波分量并且拒绝以其他频率调制的信号。

在一个实施例中，谐波分量检测模块90包括至少一个锁定放大器，锁定放大器被配置为检测二次谐波(2f)并且拒绝在基波(1f)处调制的牙齿荧光。在另一实施例中，谐波分量检测模块包括被低通滤波器跟随的同步整流器。在又另一实施例中，谐波分量检测模块包括高Q带通滤波器。

仍然参见图8，评价部位80经由自由空间与菌斑检测装置70分离。在进一步的实施例中，代替如菌斑检测装置70与评价部位80之间示出的自由空间，光学地耦合在检测装置70与评价部位80之间的纤维光学器件或光纤的使用也是可能的。

如图8所示，激发源72包括用于在输出三个不同波长的光的三个LED 106，光检测器74包括至少一个光电检测器(例如，可以使用两个光电检测器，每一个用于在检测两个波长带中的一个时使用)，并且激发控制模块88包括序列发生器，用于输出被配置用于对三个LED 106的激发进行排序的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出78。在另一实施例中，三个LED包括各输出窄光谱光的蓝色LED，并且三个不同的窄光谱光包括438nm、444nm和450nm。

现在参见图10，示出了根据本公开的一个实施例的包括菌斑检测设备70的口腔保健用具124的图示性框图视图。口腔保健用具124包括用于容纳菌斑检测设备70的至少第一部分的手柄部分126。远端部分128从手柄部分126延伸并且经由光学器件模块92与菌斑检测设备70光学地耦合，菌斑检测设备70用于经由远端部分对于菌斑的存在来评价部位80。远端部分128包括(i)牙刷刷毛130和(iii)不存在牙刷刷毛的探针132中的至少一个。在一个实施例中，光学器件模块92包括光学滤波器、光纤、收集光学元件和聚焦光学元件中的至少一个，它们光学地耦合在(i)从激发源72到评价部位80的波长调制光(λ_ex)和(ii)从评价部位80到光检测器74的检测到的光(λ_site)中的至少一个的路径上。远端部分128还可以包括合适的光纤134，其中光纤从菌斑检测装置70延伸至远端部分128的探针132。在一个实施例中，口腔保健用具124包括电动牙刷，其中手柄部分126容纳合适的传动系136，用于向远端部分128提供用于执行刷牙事件的期望的驱动能量，并且包括根据本公开的实施例中的一个或多个经由菌斑检测装置70进行的菌斑的检测。

现在参照图11，示出了根据本本公开的另一实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有三个LED 106的激发源72的菌斑检测设备70的框图视图。图11的实施例类似于图8的那个，具有以下差异。在该实施例中，三个LED 106具有足以覆盖三个不同的窄光谱光的要求范围的发射光谱。激发源72进一步包括分别布置在三个LED的输出处的三个净化(clean up)滤波器138，每个LED一个净化滤波器。三个净化滤波器138中的每一个具有用于三个不同的窄光谱光中的相应一个的通带。

现在转到图12，图示出根据本公开的一个实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括激光二极管激发源72的菌斑检测设备70的框图视图。图12的实施例类似于图8的那个，具有以下差异。在该实施例中，激发源72包括激光二极管140。另外，激发控制模块88输出被配置用于激发激光二极管140的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。例如，激发控制模块88可以包括合适的驱动电流发生器。

如图示出的，图12的实施例使用单个光源：众所周知，二极管激光器的发射随驱动电流而移位。该行为可以被利用以生成跨越未成熟菌斑的发射峰值的波长扫描。另外，检测路径应该被配置为补偿激光二极管输出的强度变化。这样的强度变化补偿可以通过锁定放大器或光电二极管放大器的时间相关增益补偿来完成。换言之，增益补偿被锁定到激光二极管的驱动电流。

现在转到图13，示出了根据本公开的一个实施例的用于独自使用评价部位反射光来检测菌斑的包括控制器76和光检测器74的菌斑检测设备70的框图视图。图13的实施例类似于图8、图11、图12、图14和图15的其他实施例，具有以下差异。在该实施例中，光检测器74包括用于在检测部位反射光时使用的光电检测器142，和一个带通滤波器144，其中带通滤波器具有用于分出以对应于对于选取的菌斑的吸收光谱中的非线性的波长为中心的部位反射光的期望光带、同时拒绝部位反射光的其他光带的通带。

有关图13的实施例的一个观察结果是该实施例不是基于荧光，而是基于评价部位反射光的检测。检测分支包括一个带通滤波器(即，以吸收峰值为中心)和一个检测器。使用二次谐波2f检测未成熟菌斑，并且使用三次谐波3f检测成熟或旧的菌斑。

现在参照图14，示出了根据本公开的实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有宽发射光谱源146和可调谐滤波器148的激发源72的菌斑检测设备70的框图视图。图14的实施例类似于图8、图11、图12、图13和图15的其他实施例，具有以下差异。在该实施例中，激发源72包括宽发射光谱固定波长光源146和布置在宽发射光谱固定波长源的输出处的可调谐滤波器148，其中可调谐滤波器可操作用于在不同的波长之中调制可调谐滤波器的通带。固定波长源146提供适当的宽发射光谱。可调谐滤波器(或调制滤波器)148可以包括例如可调谐法布里-珀罗滤波器(Fabry-Perot filter)或液晶可调谐滤波器。激发控制模块88输出被配置用于调谐可调谐滤波器148的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。例如，激发控制模块88可以包括合适的滤波器调谐电路和/或模块。

现在转到图15，示出了根据本公开的实施例的用于使用评价部位发射和/或反射光来检测菌斑的包括具有波长可调谐源150的激发源72的菌斑检测设备70的框图视图。图15的实施例类似于图8、图11、图12、图13和图14的其他实施例，具有以下差异。在该实施例中，激发源72包括波长可调谐光源150，其中波长可调谐光源可操作用于在不同的波长之中进行调制。波长可调谐源可以包括例如具有来自ZnO纳米棒的可调谐颜色的发光器件或类似物。另外，激发控制模块88输出被配置用于调谐波长可调谐光源150的至少一个激发控制信号，以产生具有以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心的周期性改变波长的合成光输出。例如，激发控制模块88可以包括合适的波长调谐电路和/或模块。

在又另一实施例中，菌斑检测方法包括向评价部位提供波长调制光(λ_ex)。将波长调制光在波长调制频率处被调制成：具有周期性改变波长，所述周期性改变波长以对应于对于选取的菌斑的吸收和荧光激发光谱中的一个或多个中的非线性的波长为中心，其中选取的菌斑展示出与(i)其他菌斑和(ii)除选取的菌斑之外的干扰物种中的一个或多个的光谱特性不同的光谱特性。检测从评价部位接收的光(λ_site)，其中检测到的光(λ_site)包括(i)部位反射光(λ_ref1)和(ii)部位发射光(λ_em)中的一个或多个。方法进一步包括根据检测到的光(λ_site)和波长调制频率的高于基波的至少一个高次谐波分量检测菌斑。

虽然已大部分参照二次谐波描述了本公开的实施例，但是可以设想到其他谐波的使用。在一些情况下，二次谐波的独自使用是足够的。然而，做出了非线性具有偶次形状的假设。光谱的偶次形状将造成包括二次的偶次谐波。如本文所讨论的，二次谐波将具有最高振幅，并因此是最佳检测。然而，请注意，对于未成熟菌斑的444nm非线性不是纯偶次的，并因此，也将会引入其他谐波。另外，中心频率可能不是确切地位于非线性的顶部，这也将影响谐波的分布。在任何情况下，一个谐波足以用于菌斑检测，并且附加谐波可以进一步提供更稳健的菌斑检测。通过控制器实现的数字信号处理的使用允许同时地检测更多的频率，并因此能够在菌斑检测中获得更大的特异性。

尽管上面仅详细描述了几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易领会的是，在实质上不脱离本公开的实施例的新颖教导和优点的情况下，可以在示例性实施例中进行许多修改。例如，实施例可以有利地用在包括专业和/或专门设置的电动牙刷和/或其他口腔保健应用中。于是，所有这样的修改旨在被包括在如以下权利要求所限定的本公开的实施例的范围内。在权利要求中，部件加功能条款旨在覆盖本文在执行记载的功能时所描述的结构，并且不仅是结构性等同物，而且还包括等同结构。

另外，放置在一个或多个权利要求中的括号中的任何参考符号不应被解释为限制权利要求。词语“包括了”和“包括”和类似物不排除除任何权利要求或作为整体的说明书中列出的那些之外的元件或步骤的存在。元件的单数引用不排除这样的元件的复数引用，反之亦然。实施例中的一个或多个可以借助于硬件来实现、包括具有若干完全不同的元件的模拟和/或数字实现，和/或借助于合适编程的计算机来。在列举了若干部件的装置权利要求中，这些部件中的若干可以通过硬件的一个且相同的项来实施。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的纯粹事实不表明这些措施的组合不能有利地使用。