基于频域荧光寿命成像的牙釉质矿物质含量检测的方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于频域荧光寿命成像的牙釉质矿物质含量检测的方法和装置。经过光强调制的光入射到牙齿样本上，激发的荧光成像在光强增益器上，通过对增益器的同频调制和相位调节，按照算法重构荧光寿命值。由于牙齿的自体荧光寿命大小与外界激发光强度、探测器灵敏度及荧光基团的物质含量等因素无关，仅与荧光基团物质所处的微环境如PH值、氧离子浓度、钙离子浓度等因素有关，可以客观描述牙釉质的物质内部状态。本发明为定量检测牙齿矿物质含量提供了一种无损的光学检测方法，有望成为在体实时观测，定量描述牙齿健康程度的新工具，可广泛应用于临床口腔医学诊断和龋齿病变机理的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及口腔医学领域，尤其涉及一种基于频域荧光寿命成像的牙釉质矿物质含量检测的方法和装置。

背景技术

牙釉质的主要由羟基磷灰石构成，羟基磷灰石是一种荧光基团物质，在某特定波长激发下，会产生自体荧光。物质内部功能信息可以由出射荧光的时间分辨特性来表征，在PH值偏小导致牙齿脱矿的情况下，牙齿的自体荧光寿命会发生改变，因此，根据所获取的荧光寿命的大小即可以判断牙齿矿物质含量的大小。

随经济社会的发展，口腔保健意识的增强，需要客观，准确，无损的牙齿矿物质含量的检测方法，这样，可以在体监视牙齿矿物质含量的动态改变，在脱矿严重的开始通过预防性措施改变这种趋势，使矿物质含量恢复正常水平。

传统的牙齿矿物质含量的检测需要将牙齿切片，无法实现在体的测量。另外，虽然有根据荧光光谱或荧光光强的空间相对分布等现象诊断牙齿脱矿情况，但这些方法均与激发光的强度或探测器的灵敏度等因素有关，缺乏客观性，在临床诊断时容易出现假阳性或假阴性结果。荧光寿命的大小不会受外界因素的影响，仅与物质所处的环境有关，而且不会出现光漂白的现象。通过牙齿自体荧光寿命的测量可以反映牙齿内部结构和功能信息，为临床判断矿物质含量是否正常化提供了参考依据。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于频域荧光寿命成像的牙釉质矿物质含量检测的方法和装置。

利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的方法是：光源为激光器或者连续光源，通过内调制光强调制器或外调制光强调制器实现对光源发射光的光强调制，其调制频率取决于牙齿的自体荧光寿命；调制光经过扩束光学系统或非成像光学系统后，以光束形状入射，对于连续光源放置滤光片获得激发波长，入射到分束镜，光束反射到荧光激发和收集光学系统，最后作用在牙齿样本上，所激发出的荧光由于存在作用时间和量子效率问题，相比激发光信号，荧光信号存在相位差和调制深度的改变，其大小与荧光寿命具有确定的数学关系，荧光依次经过荧光激发和收集光学系统，分束镜，荧光成像光学系统，滤光片后成像在光强增益器的接收面上，通过调节射频器和相移器多次同频调制光强增益器的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器上获得一系列不同相位处的荧光强度值，在此，具有积分时间的探测器相当于低频滤波器，高频信号由于积分时间内多个周期而积分为零，最后由计算机按照重构算法重构出荧光寿命值。

一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括激光器、外调制器、扩束光学系统、分束镜，荧光激发和收集光学系统，牙齿样本，荧光成像光学系统，滤光片，高频调制光强增益器，射频器和相移器，探测器，计算机，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本、荧光激发和收集光学系统、分束镜、荧光成像光学系统、滤光片、高频调制光强增益器、探测器，激光器发出的光经过外调制器调制后通过扩束光学系统入射到分束镜上后进入荧光激发和收集光学系统，最后作用在牙齿样本上，在牙齿样本上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统和分束镜后进入荧光成像光学系统后，经滤光片成像在光强增益器的接收面上，通过调节射频器和相移器多次调节高频调制光强增益器的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机重构出荧光寿命值。

一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括激光器、内调制器、扩束光学系统、分束镜，荧光激发和收集光学系统，牙齿样本，荧光成像光学系统，滤光片，高频调制光强增益器，射频器和相移器，探测器，计算机，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本、荧光激发和收集光学系统、分束镜、荧光成像光学系统、滤光片、高频调制光强增益器、探测器，激光器发出的光经过内调制器调制后通过扩束光学系统入射到分束镜上后进入荧光激发和收集光学系统，最后作用在牙齿样本上，在牙齿样本上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统和分束镜后进入荧光成像光学系统后，经滤光片成像在光强增益器的接收面上，通过调节射频器和相移器多次调节高频调制光强增益器的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机重构出荧光寿命值。

一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括连续光源、内调制器、非成像光学系统、滤光片，分束镜，荧光激发和收集光学系统，牙齿样本，荧光成像光学系统，滤光片，高频调制光强增益器，射频器和相移器，探测器，计算机，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本、荧光激发和收集光学系统、分束镜、荧光成像光学系统、滤光片、高频调制光强增益器、探测器，连续光源经过内调制器调制后通过非成像系统和滤光片入射到分束镜上后进入荧光激发和收集光学系统，最后作用在牙齿样本上，在牙齿样本上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统和分束镜后进入荧光成像光学系统后，经滤光片成像在光强增益器的接收面上，通过调节射频器和相移器多次调节高频调制光强增益器的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机重构出荧光寿命值。

一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括连续光源、外调制器、非成像光学系统、滤光片，分束镜，荧光激发和收集光学系统，牙齿样本，荧光成像光学系统，滤光片，高频调制光强增益器，射频器和相移器，探测器，计算机，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本、荧光激发和收集光学系统、分束镜、荧光成像光学系统、滤光片、高频调制光强增益器、探测器，连续光源发出的光经过外调制器调制后通过非成像光学系统和滤光片后入射到分束镜上后进入荧光激发和收集光学系统，最后作用在牙齿样本上，在牙齿样本上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统和分束镜后进入荧光成像光学系统后，经滤光片成像在光强增益器的接收面上，通过调节射频器和相移器多次调节高频调制光强增益器的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机重构出荧光寿命值。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是可以通过光学方法实现在体无损、可定量化、动态监控的牙齿矿物质含量的检测，以荧光寿命作为评断牙齿矿物质含量的参数，建立二者的定量关系，为临床口腔医生对牙齿的健康情况提供诊断判据，在临床口腔医学领域具有应用潜力。

附图说明

图1外调制激光光源宽场频域荧光寿命成像测量装置示意图；

图2内调制激光光源宽场频域荧光寿命成像测量装置示意图；

图3内调制连续光源宽场频域荧光寿命成像测量装置示意图；

图4外调制连续光源宽场频域荧光寿命成像测量装置示意图；

图中，激光器1、外调制器2、扩束光学系统3、分束镜4、荧光激发和收集光学系统5、牙齿样本6、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、射频器和相移器10、探测器11、计算机12、内调制器13、连续光源14、滤光片15、非成像光学系统16。

具体实施方式

利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的方法是光源为激光器或者连续光源，通过内调制光强调制器或外调制光强调制器实现对光源发射光的光强调制，其调制频率取决于牙齿的自体荧光寿命；调制光经过扩束光学系统或非成像光学系统后，以光束形状入射，对于连续光源放置滤光片获得激发波长，入射到分束镜，光束反射到荧光激发和收集光学系统，最后作用在牙齿样本上，所激发出的荧光由于存在作用时间和量子效率问题，相比激发光信号，荧光信号存在相位差和调制深度的改变，其大小与荧光寿命具有确定的数学关系，荧光依次经过荧光激发和收集光学系统，分束镜，荧光成像光学系统，滤光片后成像在光强增益器的接收面上，牙齿的照射面和光强增益器的接收面相共轭。通过调节射频器和相移器多次同频调制光强增益器的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器上获得一系列不同相位处的荧光强度值，在此，具有积分时间的探测器相当于低频滤波器，高频信号由于积分时间内多个周期而积分为零，最后由计算机按照重构算法重构出荧光寿命值。并通过伪彩色对不同的荧光寿命大小进行标注。通过对待测样本二维空间的荧光寿命值的检测，可以判断牙齿样本的矿物质含量情况。

如图1所示，一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括激光器1、外调制器2、扩束光学系统3、分束镜4，荧光激发和收集光学系统5，牙齿样本6，荧光成像光学系统7，滤光片8，高频调制光强增益器9，射频器和相移器10，探测器11，计算机12，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本6、荧光激发和收集光学系统5、分束镜4、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、探测器11，激光器1发出的光经过外调制器2调制后通过扩束光学系统3入射到分束镜4上后进入荧光激发和收集光学系统5，最后作用在牙齿样本6上，在牙齿样本6上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统5和分束镜4后进入荧光成像光学系统7后，经滤光片8成像在光强增益器9的接收面上，通过调节射频器和相移器10多次调节高频调制光强增益器9的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器11上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机12重构出荧光寿命值。

如图2所示，一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括激光器1、内调制器13、扩束光学系统3、分束镜4、荧光激发和收集光学系统5、牙齿样本6、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、射频器和相移器10、探测器11、计算机12，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本6、荧光激发和收集光学系统5、分束镜4、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、探测器11，激光器1发出的光经过内调制器13调制后通过扩束光学系统3入射到分束镜4上后进入荧光激发和收集光学系统5，最后作用在牙齿样本6上，在牙齿样本6上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统5和分束镜4后进入荧光成像光学系统7后，经滤光片8成像在光强增益器9的接收面上，通过调节射频器和相移器10多次调节高频调制光强增益器9的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器11上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机12重构出荧光寿命值。

如图3所示，一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括连续光源14、内调制器13、非成像光学系统16、滤光片15、分束镜4、荧光激发和收集光学系统5、牙齿样本6、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、射频器和相移器10、探测器11、计算机12，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本6、荧光激发和收集光学系统5、分束镜4、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、探测器11，连续光源14经过内调制器13调制后通过非成像系统16和滤光片15入射到分束镜4上后进入荧光激发和收集光学系统5，最后作用在牙齿样本6上，在牙齿样本6上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统5和分束镜4后进入荧光成像光学系统7后，经滤光片8成像在光强增益器9的接收面上，通过调节射频器和相移器10多次调节高频调制光强增益器9的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器11上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机12重构出荧光寿命值。

如图4所示，一种利用频域荧光寿命成像检测牙齿矿物质含量的装置包括连续光源14、外调制器2、非成像光学系统16、滤光片15、分束镜4、荧光激发和收集光学系统5、牙齿样本6、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、射频器和相移器10、探测器11、计算机12，在同一光轴上依次顺序放置牙齿样本6、荧光激发和收集光学系统5、分束镜4、荧光成像光学系统7、滤光片8、高频调制光强增益器9、探测器11，连续光源14发出的光经过外调制器2调制后通过非成像光学系统16和滤光片15后入射到分束镜4上后进入荧光激发和收集光学系统5，最后作用在牙齿样本6上，在牙齿样本6上所激发出的荧光经过荧光激发和收集光学系统5和分束镜4后进入荧光成像光学系统7后，经滤光片8成像在光强增益器9的接收面上，通过调节射频器和相移器10多次调节高频调制光强增益器9的增益系数以及增益系数的初始相位，在探测器11上获的一系列不同相位处的荧光强度值，由计算机12重构出荧光寿命值。

本发明采用激光器如固体激光器或半导体激光器作为频域荧光寿命成像应用于牙齿矿物质含量检测的激发光源，功率的大小取决于牙齿自体荧光发射的需要，波长的选择根据牙齿的激发光谱测试，选取出射荧光强度最大的激发波长。采用连续光源，如LED，氙灯，氘灯等作为光源，利用非成像光学系统设计收集发射光能，达到入射光的能量和形状要求。采取外调制的方法实现光强的高频调制，实现高频外调制的器件有电光调制器、声光调制器、磁光调制器等。光强调制频率的大小取决于待测物质荧光寿命的大小。采用扩束光学系统使高频调制的激光光斑满足入射到样本上的光斑大小。采用分束镜将入射光反射到待测样本上，并将出射的荧光透射到后续的荧光接收装置。采用荧光激发和收集光学系统将激发光宽场作用于牙齿样本，并同时收集出射的荧光信号。采用在探测器前放置滤光片的方法排除激发光和外界环境干扰因素，仅获取特定的荧光信号。采用高频响应的光强增益器实现对微弱荧光信号的光强增益。采用射频器和移相器实现对光强增益器增益系数的高频调制和初始相位的改变。采用光电探测器CCD或CMOS等实现对光强的空间成像。