用于牙龈炎检测的大动态范围检测器的制作方法

1.本公开总体上涉及用于使用漫反射光谱技术来检测组织炎症，特别是牙龈炎的前端。


背景技术：

2.目前，使用漫反射光谱法(drs)的牙龈炎检测利用小型、成角度的探针来执行，由于口腔中的有限空间，该探针围绕传输光的一个或多个光纤配置。这种小探针对于在牙龈炎通常起源于该处的邻间区域处测量有用。然而，当接触时，这种小探针可能在组织上施加较大压力，推开血液，从而破坏了对血液性质的drs测量。因此，drs测量优选以非接触模式进行，并且除了所需的漫反射分量之外，所需的非接触模式还导致检测镜面反射光。由于漫反射光(即，通过组织传播的光)被高度衰减，因此这些镜面反射分量可以变得相对较大。
3.此外，探针的重要性质是源
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检测分离，因为它会影响探针的采样深度(即，被测量光起源于组织中的深度)。然而，源
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检测分离增加了照亮和/或检测到来自非牙龈组织(例如牙齿和/或牙齿植入物)的光的风险。例如，由于乳头(papilla)末端为小尖端状，因此由于光纤分离，期望的乳头信号可能至少部分被牙釉质信号污染。由于牙齿和/或牙齿植入物/修复物主要显示白色/淡黄色，因此错误的牙齿反射将向drs信号添加类似于直流(dc)的偏移，该偏移不包含关于牙龈炎检测(即血红蛋白浓度)的信息。该错误信号占据了动态范围的一部分。通常，在放大和/或需要大动态范围并且需要模数转换器分辨率的模数转换之后，通过适当的信号处理来移除这种错误信号。
4.因此，在本领域中需要创造性的口腔保健系统和方法，以使得能够使用在放大和/或模数(ad)转换之前移除大偏移部分的drs前端，来进行组织炎症，特别是牙龈炎的准确检测，从而放宽了对电子设备的要求。


技术实现要素：

5.本公开涉及使用漫反射光谱法(drs)来检测组织炎症，特别是牙龈炎的创造性系统和方法。本文的各种实施例和实施方式涉及一种包括前端的牙龈炎检测系统，该前端提供大动态范围并且直接移除(即，在传感器处，在传感器前端电子设备之前)镜面反射分量和dc分量。牙龈炎检测系统包括光发射器、四个以上波长敏感光电检测器和组织炎症检测系统的专门配置。
6.通常，在一个方面，提供了一种用于检测组织炎症的系统。系统包括：光发射器，被配置为在用户嘴内的组织区域处发光；至少四个波长敏感光电检测器，被配置为检测通过组织区域漫反射的光学信号，至少四个波长敏感光电检测器中的每个波长敏感光电检测器包括滤波器和光电二极管，其中光电二极管堆叠在彼此之上，以生成用于与光电二极管相对应的放大器的电流差分信号，其中电流差分信号的生成在放大之前从光学信号中移除不期望的分量；以及炎症检测单元，被配置为接收来自对应的放大器的输出，并且检测在组织区域处的组织炎症。在各种实施方案中，组织炎症是牙龈炎。
7.在一个实施例中，光发射器和至少四个波长敏感光电检测器被实施在drs探针中，drs探针具有在300μm
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2000μm之间的源
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检测距离。
8.在一个实施例中，系统还包括分离器，该分离器被配置为将反射光分配在至少四个波长敏感光电检测器之上。
9.在各种实施例中，分离器是熔融光纤分离器、色散分离器或光导歧管。
10.在一个实施例中，光发射器是经磷光体转换的白色led。
11.在一个实施例中，用于至少四个波长敏感光电检测器中的每个波长敏感光电检测器的滤波器是带通滤波器。
12.在一个实施例中，针对光电二极管的电流差分信号的幅度正在递增。
13.在一个实施例中，针对光电二极管的电流差分信号分别包括用于光电二极管的第一电流差分信号、第二电流差分信号和第三电流差分信号，其中第二电流差分信号大于第一电流差分信号和第三电流差分信号。
14.在一个实施例中，堆叠的光电二极管形成具有底部光电二极管的堆叠，并且底部光电二极管与在闭合回路中控制的电流源端接(terminate with)。
15.在一个实施例中，堆叠的光电二极管形成具有底部光电二极管的堆叠，并且底部光电二极管生成一水平处的光电流，以将要被最小化的最大差分信号最小化。
16.通常，在另一方面，提供了一种包括前端的、用于检测组织炎症的方法。方法包括：通过光发射器向用户嘴中的组织区域发射光；经由至少四个波长敏感光电检测器检测通过组织区域漫反射的光学信号，至少四个波长敏感光电检测器中的每个波长敏感光电检测器包括滤波器和光电二极管，其中光电二极管堆叠在彼此之上，以生成用于与光电二极管相对应的放大器的电流差分信号，其中电流差分信号的生成在放大之前从光学信号中移除不期望的分量；将放大器的输出输入到ad转换器；以及将ad转换器的输出输入到组织炎症检测单元。在各种实施方案中，组织炎症是牙龈炎。
17.在一个实施例中，检测步骤还包括：利用分离器将反射光分配在至少四个波长敏感光电检测器之上。
18.在一个实施例中，分离器是熔融光纤分离器、色散分离器或光导歧管。
19.如本文中出于本公开的目的所使用的，术语“控制器”通常用于描述与成像装置、系统或方法的操作有关的各种装置。可以以多种方式(例如，诸如利用专用硬件)来实现控制器，以执行本文所讨论的各种功能。“处理器”是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，该微处理器可以使用软件(例如，微代码)进行编程以执行本文中讨论的各种功能。控制器可以在采用或不采用处理器的情况下被实现，并且还可以作为执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关电路装置)的组合来被实现。可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(asic)和现场可编程门阵列(fpga)。
20.应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假设这些概念不相互矛盾)被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。
21.通过参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显。
附图说明
22.在图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记通常指代相同的部分。而且，附图不必按比例，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。
23.图1a是根据一个实施例的、以不同的探针
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目标角度测量的漫反射光谱法光谱的图。
24.图1b是根据一个实施例的、所计算的血液氧合血液值的图。
25.图2是根据一个实施例的、漫反射光谱法光谱的仿真改变的图，该改变由组织氧合从完全氧合改变为完全脱氧而引起。
26.图3是根据一个实施例的、组织炎症检测系统的示意表示。
27.图4示出了根据一个实施例的、包括四个波长敏感光电检测器的组织炎症检测系统的示意性框图。
28.图5是根据一个实施例的、用于检测组织炎症的方法的流程图。
具体实施方式
29.本公开描述使用漫反射光来改进对组织炎症，特别是牙龈炎的检测的系统和方法的各种实施例。更一般地，申请人已经认识并且意识到，提供一种在获取漫反射光谱信号之后尽早移除大偏移的系统将是有益的。因此，本文描述或以其他方式预期的系统和方法提供了被配置为获得牙龈组织的测量结果的口腔保健设备。口腔保健设备包括光发射器和四个或者四个以上波长敏感光电检测器，光电检测器被配置为检测漫反射光，以使相关联的放大器接收可能的最低电流差。通过在放大和/或模数(ad)转换之前移除大偏移部分，放宽了对电子设备的要求，并且使能更准确的牙龈炎检测。
30.本文所公开的或以其他方式预期的实施例和实施方式可以与任何合适的口腔保健设备一起被利用，诸如牙刷、牙线设备、口腔冲洗器、舌头清洁器或其他个人护理设备。然而，本公开不限于这些口腔保健设备，因此本文公开的公开内容和实施例可以涵盖任何口腔保健设备。
31.牙龈炎(其是牙龈的炎症，以牙龈肿胀、浮肿和发红为特征)主要由斑块堆积引起，大部分在牙龈沟(口袋)中。这种牙龈疾病通常在难以触及的区域中被发现，诸如在牙齿之间的邻间区域和后牙周围。
32.实际上，据估计成年人口的50％
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70％受牙龈炎的影响。但是，消费者通常无法检测到牙龈炎的早期迹象。通常，牙龈炎会发展到个体在刷牙时发现他们的牙龈容易出血为止。因此，牙龈炎仅在疾病已经发展并且明显更难以治疗时才可以被检测。尽管牙龈炎可以容易地通过改善口腔卫生来逆转，但由于牙龈炎可以传播为不可逆的牙周炎，因此保持良好的口腔健康并且尽快检测牙龈炎很重要。
33.可以通过检测牙龈发红和肿胀来视觉地诊断牙龈炎。(参见rr.lobene等人，“a modified gingival index for use in clinical trials”,clin.prev.dent.8:3
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6，(1986)，其描述了基于牙龈的发红和炎症的非接触式牙龈炎指数)。然而，这具有有限的灵敏度并且高度依赖于所使用的光源的显色指数。因此，现代的经磷光体转换的led可能具有低cri，导致视觉判断较差。
34.牙龈的发红是对来自牙龈沟或沿牙龈线区域的牙菌斑的细菌生物膜毒素的急性
炎症反应。这种炎症反应在短期内引起血管舒张，其中小动脉中的平滑肌细胞松弛，并且使血管变宽，以增加向毛细血管床的血液供应。这导致牙龈的发红，并且可以导致难以测量的小的温度升高。另外，毛细血管变得更易渗透，这导致从毛细血管到间隙空间的流体损失增加，导致牙龈的肿胀。如果炎症是慢性的，则通过组织的血管化增加而出现附加的发红，其中可以形成附加的毛细血管以应对组织的附加血液需求。
35.这些因素使得能够基于漫反射光谱法(drs)进行牙龈炎的检测。drs是一种光学方法，其涉及例如向目标发射白光并且分析漫反射(而不是镜面反射)光的光谱性质。由于牙龈组织中的不同发色团，漫反射光的光谱性质明显不同于源光的光谱性质。如t.hanioka等人，“hemoglobin concentration and oxygen saturation of clinically healthy and inflamed gingiva in human subjects”,j.periodontal res.25：93
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98(1990)中所描述的，可以确定与牙龈炎检测有关的总血红蛋白浓度增加和血液氧合减少。该方法使用六个固定波长，并且计算脱氧、氧合和总血红蛋白浓度。后两个用于计算氧饱和度。
36.图1a和图1b示出了使用不同的探针
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目标角度的测量的drs光谱。在图1b中，血液氧合值根据hanioka等人描述的示例方法被计算。对于接近表面法线的角度，镜面反射变为大约是漫反射分量的十倍。因此，如图1b中所示，根据该方法计算的氧合值产生较大的变化。所检测的镜面反射光可以导致较大的误差。
37.参考图2，明显的是，drs信号中依赖于氧合的改变可能变得非常小(即使没有错误和/或镜面反射)，特别是在由于采样深度要求而被迫使用近红外(nir)波长时。图2示出了由组织氧合从完全氧合改变为完全脱氧(100％＝＝>0％)引起的drs光谱的仿真改变。实际上，改变将小得多：对于牙龈炎，预计氧合减少约10％。不存在镜面反射。
38.根据使用波长检测的实施例，一些系统包括光谱仪来分析所接收的光的光谱形状。其他系统包括在接收的光和/或发射的光上的可调滤波器(例如，mems fabry
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p
é
rot滤波器)。尽管由于大量可用于处理的波长而期望使用光谱仪或可调滤波器，但是对于消费产品，当前可用的系统太大和/或太昂贵。备选地，可以将所接收的光分离成不同的路径，并且可以应用带通滤波器来实现所需的光谱带。前面提到的hanioka方法使用六个波长，并且只要在ad转换之前移除大的偏移，就可以使用分离光的实施例来轻松实现。如果未被移除，则需要巨大的动态范围和模数转换器分辨率。
39.由于牙龈炎的检测基于血红蛋白浓度的改变，因此，由这些改变产生的信号包括对由其他组织散射信号(牙龈和牙齿硬组织)和镜面反射引起的较大偏移部分的小调制。偏移部分由于移动而不是dc；例如，非常小的角度改变可以导致较大的镜面反射分量。因此，不能通过高通频率滤波来移除偏移部分。由于较大的偏移，前端放大器的动态范围和模数(ad)转换器分辨率的大部分被浪费。
40.基于以上内容，利用本公开的某些实施例的特定目标是提供一种drs前端，该drs前端可以尽早移除信号链中的浪费的大偏移。
41.参考图3和图4，在一个实施例中，提供了一种用于检测组织炎症的系统100。系统100被配置为在放大和/或ad转换之前移除大的偏移。系统100包括光发射器(例如，光纤)102、光检测器(例如，光纤)106和控制器130。在一个示例实施例中，光发射器包括光源103，例如，宽带光源103，诸如经磷光体转换的白光led。光源被耦合到源光纤中，以将发射的光递送到牙龈组织104。光检测器(例如，光纤)106被配置为拾取来自组织104的漫反射光并且
gap second derivative near
‑
infrared spectroscopy”,j.biomed.opt.,vol.10(3),(2005)中所描述的。在myers中，使用在680nm、720nm、760nm和800nm处的单个深度衰减测量描述了一种简单的连续波近红外算法。但是，如上所述的频谱检测器的差分电流配置不必递送与导数方法要求相同的差分。例如，如果该些方法需要在680nm、720nm、760nm和800nm处的衰减测量，则不一定必须将对应的检测器堆叠在彼此之上。由于底部电流已知，因此可以在内部计算所有电流并且因此计算新的差分。这意味着可以选择堆叠顺序，以使流入放大器的电流尽可能低。这使能更高的动态范围。
49.参考图5，在一个实施例中，图5是一种用于检测组织炎症的方法200的流程图，该方法包括用于直接移除镜面反射分量和dc分量的前端。换句话说，镜面反射和dc分量在传感器处以及在传感器前端电子设备之前被移除。在步骤s210中，提供了一种用于检测组织炎症，特别是牙龈炎的系统。该系统可以是本文描述的或以其他方式预期的任何设备或系统。例如，除了许多其他设备或系统之外，该系统可以是系统100。通常，该系统包括光发射器102、四个或四个以上波长敏感光电检测器106，以及控制器130，该控制器130被配置为实施本文所述的功能。许多其他组件和配置也是可能的。
50.在方法的步骤s220处，至少一个光发射器102发射光，该光的光束撞击组织。由光发射器发射的光可以包括两个或两个以上的波长。因此，光发射器可以包括一个或多个光源103。光发射器可以周期性地或连续地发光，或者可以仅响应于触发而发光。例如，系统检测到牙龈组织并且激活光发射器102以发光。
51.在方法的步骤s230处，反射光被分配在四个或四个以上波长敏感光电检测器106之上，四个或四个以上波长敏感光电检测器106各自具有不同的波长灵敏度。根据一个实施例，系统100包括被配置为分配反射光的分离器108。分离器108可以是熔融光纤分离器、光导歧管或任何合适的备选。每个波长敏感光电检测器的输出被输入到对应的放大器。
52.在方法的步骤s240处，放大器的输出被馈送到ad转换器中。如上所述，由于那些信号也没有携带大的偏移，因此有用的分辨率高得多。
53.在方法的步骤s250处，ad转换器的输出被输入到控制器130或处理器，该控制器130或处理器被配置为分析信号。根据一个实施例，控制器130接收信号，其中信号在被处理器132和/或牙龈炎检测单元136分析和/或被存储在存储器134中以供将来分析。
54.有利地，本文描述的创造性系统和方法在获取漫反射光谱信号之后尽早移除大的偏移，使得相关联的放大器接收最低的可能的电流差分。通过在放大和/或模数(ad)转换之前移除大的偏移部分，放宽了对电子设备的要求，并且使能更准确的牙龈炎检测。
55.如本文所限定和使用的所有限定应当被理解为控制字典限定、通过引用并入的文献中的限定和/或所限定的术语的普通含义。
56.如本文在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”应当被理解为意指“至少一个”，除非清楚指示相反。
57.如本文在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应当被理解为意指这样结合的元素中的“任一个或两个”，即在某些情况下相结合地存在且在其他情况下分开存在的元素。应当以相同的方式理解用“和/或”列出的多个元素，即这样结合的元素中的“一个或多个”。可选地除用“和/或”子句具体地标识的元素之外可以存在其他元素，无论与具体地标识的那些元素有关还是无关。
58.如本文在说明书和权利要求中使用的“或”应当被理解成具有与如上文限定的“和/或”相同的意义。例如，当在列表中分开项目时，“或”或“和/或”应当被解释为包括性的，即，包括许多要素或要素列表中的至少一个，但也包括一个以上，以及可选地，包括附加的未列出的项目。只有明确指出相反的术语，诸如“仅一个”或“仅有一个”或者当在权利要求中使用时，“由
…
组成”将指代包括对多个要素或要素列表的仅有一个要素的包括。一般而言，当前面为排他性的术语(诸如，“任一”、“一个”、“仅一个”或“仅有一个”)时，如本文所使用的术语“或”应当仅被解释为指示唯一的备选方案(即“一个或另一个但并非两个”)。
59.如本文在说明书和权利要求中使用的，提及一个或多个要素列表的短语“至少一个”应当被解释为意指选自要素列表中的要素的任何一个或多个的至少一个要素，但不一定包括在要素列表内具体列出的每个和每一个要素的至少一个，并且不排除要素列表中的要素的任何组合。这个限定还允许可以可选地存在除了短语“至少一个”对其提及的要素列表内具体标识的要素外的要素，无论与具体标识的那些要素有关还是无关。
60.还应当理解，除非明确地进行相反指示，在包括一个以上步骤或动作的在本文中要求保护的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定局限于用来叙述该方法的步骤或动作的顺序。
61.在权利要求以及上面的说明书中，所有过渡短语，诸如“包含”、“包括”、“运载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由
…
组成”等应当被理解为开放的，即意指包括但不限于。仅过渡短语“由
…
组成”和“基本上由
…
组成”应分别为封闭或半封闭过渡短语。
62.尽管已经在本文中描述和图示了几个创造性的实施例，但是本领域技术人员将容易地预期各种其他的方法和/或结构以用于执行功能和/或获得结果和/或本文描述的优点中的一个或多个，并且这种变型和/或修改中的每个被认为是在本文描述的创造性的实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地意识到，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置意在是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用了创造性教导的一个或多个具体应用。在只是使用例行的实验的情况下，本领域技术人员将意识到或能够发现本文描述的具体的创造性的实施例的许多等价物。因此，应当理解，前述实施例仅通过示例的方式来呈现，并且在所附权利要求和其等价物的范围内，创造性的实施例可以不同于具体描述和权利要求而实践。本公开的创造性实施例针对本文描述的每个独立的特征、系统、物品、材料、工具箱和/或方法。另外，如果这种特征、系统、物品、材料、工具箱和/或方法不互相矛盾，那么两个以上的这种特征、系统、物品、材料、工具箱和/或方法的任意组合被包括在本公开的创造性的范围内。