一种基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置

摘要

本发明公开了一种基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置。本发明基于光学相干层析成像原理，探测不同深度组织的后向散射光与参考光束汇合产生的干涉光谱信号，通过傅里叶逆变换实现深度信息的并行探测。本发明将纵向层析能力与横向扫描功能相结合，提供了一种在非电离辐射、非侵入的条件下实时重建数据完整的、高分辨率的数字化口腔三维模型的口腔扫描装置。与传统印模技术相比，本发明实现了完全的数字化，节省了材料成本和操作时间，提高了患者舒适度和模型质量，数字化模型便于存储、传输及分析。本发明具有目前的数字化口腔印模技术不具备的有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医疗及光学成像技术领域，具体涉及一种基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置。

背景技术

在口腔正畸的临床诊疗中,模型分析是诊断错颌畸形的重要检查方法之一。正畸模型是患者牙、牙弓、牙槽、基骨、腭盖等形态及上下牙牙合关系的精确复制，包括工作模型和记存模型两种。工作模型可用于进行模型测量分析、牙排列试验，同时是各种矫治装置制作的载体。记存模型是矫治前、矫治过程中某些阶段及矫治完成后患者牙颌状况的记录，可用于治疗过程中的对照观察，治疗结束后的疗效评估，是病例展示的重要组成部分，也是司法鉴定时的重要法律依据。鉴于此，记存模型要求制作精准，且长久保存。

传统的模型制作首先采用藻酸盐或硅橡胶等印模材料制取患者口腔内结构的阴模，即印模技术；然后将石膏等模型材料灌注于上述印模内，得到与口腔内面形态完全一致的模型。由于传统模型的制作步骤较为繁琐，模型质量将受到医生的操作、患者的依从性、印模材料及石膏材料的形变等多种因素的影响，从而难以精确还原口腔组织的原貌。此外，在传统印模的制取过程中，托盘就位时可能引起患者的恶心不适、牙齿敏感，甚至导致呼吸困难等问题(BMC Oral Health.2014Jan 30；14:10.)。在模型制备完成后，由于传统石膏模型的质量重、体积大、易碎且不耐摩擦、可视化效果不好，模型的运输、存储及分析都将受到限制(Orthod Craniofac Res.2015May；18(2):65-76.)。

随着数字化口腔诊疗模式的发展，数字化口腔印模作为数字化诊疗的前提与基础，弥补了传统石膏模型的不足，以其易存储、精度高、测量方便等优点得到了广泛的应用。数字化口腔印模技术分为间接法和直接法两种。间接法即口外光学印模，通过扫描石膏阳模或精细阴模获取印模数据。但是，该方法仍需要制取印模、翻制石膏模型等步骤,不能做到完全数字化。制作石膏阳模的过程较为复杂，需要较长的时间；扫描印模虽然相对简单，但印模深处狭窄部分的数据容易缺失；印模变形、缺陷、温度及湿度影响等均可能影响数字化印模的精度(J Prosthodont.2016Jun；25(4):282-7.)。直接法即口内光学印模，采用探入式光学扫描探头，直接在患者口腔内对牙体和相关软硬组织进行扫描测量，实时获取数字化模型。与传统取模方式及口外扫描方式相比，数字化口内印模无需使用印模材料及托盘，无需灌制石膏模型，避免了托盘接触软腭引起恶心不适、托盘刺激导致口角炎、患者误吸印模材料等问题，提高了患者舒适度和诊疗安全性；避免了印模材料的收缩或变形、石膏模型的膨胀等造成的误差，提高了模型的精准性，并且节省了成本和操作时间。此外，口腔数字化模型的数据存储方式便捷，解决了传统石膏模型对物理存储空间的需求问题；医生可以快速访问三维诊断信息，通过网络方便地实现数据共享，避免了传统石膏模型在传输途中破损的风险；经扫描得到的口腔数字化模型三维可视化效果良好，并且可以与其他数字化影像资料直接对接，有望实现正畸诊断设计的完全数字化，提高诊疗效率(JProsthodont Res.2020Apr；64(2):109-113.)。

正畸治疗的目标是平衡、稳定和美观，错颌畸形经过治疗后，不仅要实现牙冠排列整齐，而且牙颌颅面形态和功能也应取得新的平衡和协调关系。因此，在口腔正畸的临床诊疗过程中，需要患者牙体和牙周组织的完整三维信息配合诊断及治疗方案的制定。然而，无论是传统取模方式还是数字化口腔印模技术，所获取的牙颌模型仅包含牙冠的结构，而未能显示牙根、牙槽骨等三维影像信息。口腔CBCT(Cone beam Computed Tomography)图像重建的模型可包含完整的口腔结构三维信息，但其扫描精度相对较低，并且在正畸治疗的不同周期多次反复的扫描可能对患者造成电离辐射损伤。有学者提出，对CBCT数据进行三维重建，获得包含牙根信息的独立牙齿模型，再将其与数字化口内扫描重建的牙列模型配准，重建出牙冠和牙根均清晰显示的全牙列牙颌模型(J Craniofac Surg.2018Nov；29(8):2241-2246.；CN201510890689.4；CN201710328325.6；CN201810252814.2；CN201510946681.5)。虽然这种方法在一定程度上解决了牙冠扫描精度及牙冠牙根整体成像的问题，但口内扫描模型与CBCT重建模型对齐配准的过程容易出现重叠偏差，并且仍存在电离辐射损伤风险。针对这一现状，迫切需要开发一种采用非电离辐射的方式重建数据完整的、高分辨率的口内数字化模型的装置及方法。

发明内容

本发明提供一种基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置及方法，利用参考光束和不同深度组织的后向散射光进行干涉，通过对干涉信号的采集和数据处理，在非电离辐射、非侵入的条件下实时重建数据完整的、高分辨率的数字化口腔三维模型。考虑到时域光学相干层析成像系统在获取层析信号时需要移动反光镜，机械移动的方式限制了成像速度和成像质量，且机械装置的相对庞大降低了装置的便携性和系统的稳定性。因此，本发明的实施例基于傅里叶域光学相干层析成像系统建立，包括谱域光学相干层析成像系统和扫频源光学相干层析成像系统，不需要进行轴向机械扫描，所有后向散射光与参考光汇合共同产生干涉光谱信号，再通过干涉光谱的傅里叶逆变换获取深度信息，实现深度信息的并行探测，提高了成像速度、灵敏度及信噪比。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置，包括三维扫描模块、防雾隔湿模块、引流端口、控制端口和数据处理端口；

所述三维扫描模块包括光源、第一分束器、第二分束器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、平面反射镜、高速扫描振镜、偏转角监测组件、光穿透板件，延迟线组件、彩色照相系统和探测组件；所述防雾隔湿模块包括风热加热装置和负压吸唾装置；

负压吸唾装置与引流端口相连，将负压吸引的唾液引流至外部连接的排流组件；三维扫描模块和防雾隔湿模块中的部分部件通过控制端口连接外部的控制组件；

由光源发出的光照射到第一分束器，被分成参考光束和采样光束；参考光束经第一透镜准直，再从平面反射镜反射回到第一分束器；采样光束依次经第二透镜准直、高速扫描振镜反射、第三透镜聚焦，通过光穿透板件到达口腔内部组织；来自不同深度组织的后向散射光与返回的参考光束经过第一分束器在探测组件汇合并干涉，基于低相干干涉原理获得纵向层析能力，通过高速扫描振镜实现横向扫描，通过数据处理端口经外部连接的数据处理组件重建口腔内部组织结构的三维图像，通过显示组件实时显示扫描区域的影像。

进一步地，口腔扫描装置包括但不限于手持式设计。

进一步地，所述风热加热装置包括湿度监测组件、风扇、加热组件、风道、出风口；湿度监测组件实时监测扫描区域的湿度，并将监测结果传输至加热组件；加热组件根据该湿度信息反馈式地加热来自风扇的风，热风通过风道及出风口到达扫描区域，最大程度地降低口呼吸产生的雾气对扫描精度的影响；

所述负压吸唾装置包含负压产生装置、阀门、引流通道、过滤器；负压产生装置产生负压，通过引流通道引流排出唾液，最大程度地降低唾液润湿下的牙釉质表面高反光特征对扫描精度的影响。

进一步地，所述光源、高速扫描振镜、风扇、加热组件、负压产生装置均通过控制端口与控制组件连接；

负压吸唾装置中的引流通道与引流端口相连，将负压吸引的唾液引流至外部连接的排流组件；

所述偏转角监测组件、彩色照相系统、探测组件所采集的信息均通过数据处理端口与数据处理组件连接，数据处理组件连接显示组件，实时处理并显示摄像结果及三维重建的数字化口内模型。

进一步地，所述第二分束器放置于第一分束器与第二透镜之间，来自不同深度组织的后向散射光经原光路返回，在其到达第一分束器之前，部分光束经第二分束器反射，经过延迟线组件，由彩色照相系统实时监测口腔内部的扫描区域；一方面可以捕获牙齿、牙龈的色彩等表面形貌特征，经数据处理组件处理，与同期采集的三维数据整合，获得真彩的数字化模型；另一方面可以与外部的显示组件同步显示的三维扫描结果进行实时比对，当发现存在盲区或数据稀疏区域时，及时对该区域进行二次补充扫描，提高扫描的实时性与灵活性。

进一步地，所述光源为低相干光源；当口腔扫描装置基于谱域光学相干层析成像系统建立时，所述光源为宽带光源，包括但不限于超辐射发光二极管；当口腔扫描装置基于扫频源光学相干层析成像系统建立时，所述光源为宽带扫频光源，输出波长随时间高速扫描；

所述高速扫描振镜在控制组件的驱动信号下改变其偏转角度，从而改变采样光束的反射角度，实现横向扫描；

所述偏转角监测组件实时记录高速扫描振镜的偏转角度，从而实时获取横向二维坐标信息。

进一步地，当口腔扫描装置基于谱域光学相干层析成像系统建立时，所述探测组件由光栅和线阵CCD相机组成；当口腔扫描装置基于扫频源光学相干层析成像系统建立时，所述探测组件为平衡探测器，通过两个光学输入信号的相减用作平衡接收器，从而消除共模噪声，并从干扰的噪声本底提取信号路径中的微小变化。

进一步地，所述延迟线组件包括但不限于反射镜组，通过调整光程，使采样光束同时到达彩色照相系统及探测组件，从而实现实时监测。

进一步地，所述阀门采用止回阀设计，防止引流唾液的回流；

所述过滤器用于过滤所吸唾液中的固体杂质，防止其阻塞引流通道。

本发明基于光学相干层析成像原理，探测不同深度组织的后向散射光与参考光束汇合产生的干涉光谱信号，通过傅里叶逆变换实现深度信息的并行探测。本发明将纵向层析能力与横向扫描功能相结合，提供了一种在非电离辐射、非侵入的条件下实时重建数据完整的、高分辨率的数字化口腔三维模型的口腔扫描装置。

与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

1.与传统印模技术相比，本发明实现了完全的数字化，节省了材料成本和操作时间，提高了患者舒适度和模型质量，数字化模型便于存储、传输及分析。本发明具有目前的数字化口腔印模技术不具备的有益效果。

2.与现有的数字化口腔印模技术相比，本发明基于光学相干层析成像原理，具有纵向层析能力，为口腔临床诊疗提供了数据更加完整的数字化口腔三维模型。而目前常用的口内扫描装置为iTero口内扫描仪和3shape口内扫描仪，两者均基于共聚焦显微成像原理构建，虽然扫描分辨率高，但成像深度受到了光学散射的限制。

3.与CBCT等医学成像技术相比，本发明采用非电离辐射宽带光源，利用光源的低相干特性实现了高分辨率成像。而CBCT等医学成像技术虽然可以实现深层组织结构的成像，但分辨率较低。此外，本发明具有非电离辐射成像的特征，而CBCT采用三维锥形束X线进行扫描，虽然单次CBCT检查的平均辐射剂量相对较小，但如果在口腔正畸治疗的不同阶段多次进行CBCT检查，将增加患者的电离辐射损伤风险，与放射防护的原则相悖。

4.与数字化口内印模与CBCT结合的技术相比，本发明避免了CBCT重建模型与口内扫描模型配准对齐过程中可能出现的重叠偏差。本发明不存在电离辐射损伤的风险。

5.本发明包含防雾隔湿模块，由风热加热装置和负压吸唾装置组成，最大程度地降低了口呼吸产生的雾气和唾液润湿下的牙釉质表面高反光特征对扫描精度的影响。

6.本发明包含但不限于手持式设计。手柄的设计遵循人机工程学原理，使操作者拥有最大的使用效率。探头的设计遵循保护原则，在确保扫描质量的同时，提高了诊疗安全性和患者舒适度。

附图说明

图1为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置结构示意图；

图2为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置端口连接图；

图3为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的横向扫描原理图；

图4为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的纵向层析原理图，其中，图4a为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的纵向层析干涉图；图4b为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的纵向层析干涉图的傅里叶逆变换示意图；图4c为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的纵向层析反卷积干涉图的傅里叶逆变换示意图；图4d为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的纵向层析反卷积差分干涉图的傅里叶逆变换示意图；图4e为本实施例基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置的纵向层析模式图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例：

一种基于光学相干层析成像原理的口腔扫描装置，如图1所示，包括三维扫描模块3、防雾隔湿模块4、引流端口28、控制端口29和数据处理端口30；

所述三维扫描模块3包括光源5、第一分束器6、第二分束器15、第一透镜7、第二透镜9、第三透镜12、平面反射镜8、高速扫描振镜10、偏转角监测组件11、光穿透板件13，延迟线组件16、彩色照相系统17和探测组件18；所述防雾隔湿模块4包括风热加热装置和负压吸唾装置；

如图2所示，负压吸唾装置与引流端口28相连，将负压吸引的唾液引流至外部连接的排流组件31；三维扫描模块3和防雾隔湿模块4中的部分部件通过控制端口29连接外部的控制组件32；

由光源5发出的光照射到第一分束器6，被分成参考光束和采样光束；参考光束经第一透镜7准直，再从平面反射镜8反射回到第一分束器6；采样光束依次经第二透镜9准直、高速扫描振镜10反射、第三透镜9聚焦，通过光穿透板件13到达口腔内部组织；来自不同深度组织的后向散射光与返回的参考光束经过第一分束器6在探测组件18汇合并干涉，基于低相干干涉原理获得纵向层析能力，通过高速扫描振镜10实现横向扫描，通过数据处理端口30经外部连接的数据处理组件33重建口腔内部组织结构的三维图像，通过显示组件34实时显示扫描区域的影像。

本实施例中，口腔扫描装置采用手持式设计，口腔扫描装置的外形分为手柄1和探头2两个部分，手柄1位于探头2的后端，与探头相互垂直，连接处呈圆弧形，两者构成一体化结构；所述手柄1采用人机工程学设计，避免对手部造成过大的压力，防止局部血液循环障碍所导致的手部痉挛、麻木或疲劳感；通过握持手柄1，借助于探头2的工作长度，便于对后牙区进行扫描；而在扫描前牙区时，若探头2的工作长度影响手腕处于顺直状态，可以通过握持手柄1与探头2后端的圆弧形连接处进行扫描；

所述探头2为伸入口腔进行三维扫描的部分，表面光滑，转角处均采用圆弧形设计，避免对口腔软硬组织造成损伤；探头2的前端设计为斜面，一方面有助于减小其体积，另一方面便于将唇、颊、舌与牙齿及牙龈表面分离，防止其对扫描过程产生干扰。

所述光穿透板件13设置在探头2前端下侧为采样光束提供光穿透窗口。

如图1所示，所述风热加热装置包括湿度监测组件19、风扇20、加热组件21、风道22、出风口23；湿度监测组件19实时监测扫描区域的湿度，并将监测结果传输至加热组件21；加热组件21根据该湿度信息反馈式地加热来自风扇的风，热风通过风道22及出风口23到达扫描区域，最大程度地降低口呼吸产生的雾气对扫描精度的影响；

所述负压吸唾装置包含负压产生装置24、阀门25、引流通道26、过滤器27；负压产生装置24产生负压，通过引流通道26引流排出唾液，最大程度地降低唾液润湿下的牙釉质表面高反光特征对扫描精度的影响。

如图2所示，所述光源5、高速扫描振镜10、风扇20、加热组件21、负压产生装置24均通过控制端口29与控制组件32连接；

负压吸唾装置中的引流通道26与引流端口28相连，将负压吸引的唾液引流至外部连接的排流组件31；

所述偏转角监测组件11、彩色照相系统17、探测组件18所采集的信息均通过数据处理端口30与数据处理组件33连接，数据处理组件33连接显示组件34，实时处理并显示摄像结果及三维重建的数字化口内模型，供医生实时参考比对，并有助于与患者及其家属进行沟通。

所述第二分束器15放置于第一分束器6与第二透镜9之间，所述来自不同深度组织的后向散射光经原光路返回，在其到达第一分束器6之前，部分光束经第二分束器15反射，经过延迟线组件16，由彩色照相系统17实时监测口腔内部的扫描区域；一方面可以捕获牙齿、牙龈的色彩等表面形貌特征，经数据处理组件33处理，与同期采集的三维数据整合，获得真彩的数字化模型；另一方面可以与外部的显示组件34同步显示的三维扫描结果进行实时比对，当发现存在盲区或数据稀疏区域时，及时对该区域进行二次补充扫描，提高扫描的实时性与灵活性。

所述光源5为低相干光源；当口腔扫描装置基于谱域光学相干层析成像系统建立时，所述光源5为宽带光源，包括但不限于超辐射发光二极管；当口腔扫描装置基于扫频源光学相干层析成像系统建立时，所述光源5为宽带扫频光源，输出波长随时间高速扫描；

所述高速扫描振镜10在控制组件32的驱动信号下改变其偏转角度，从而改变采样光束的反射角度，实现横向扫描；

如图3所示，本实施例中，当高速扫描振镜10处于不同的偏转角度时，经第二透镜9准直的采样光束将以不同的角度入射至高速扫描振镜10，再以不同的反射角反射至第三透镜12，最终聚焦到口腔内部结构XOY二维平面的不同位置，实现横向扫描。偏转角监测组件11实时记录高速扫描振镜10的偏转角信息，经数据处理端口30传输到数据处理组件33，经数据处理后可获得XOY二维平面的实时图像信息。

所述偏转角监测组件11实时记录高速扫描振镜10的偏转角度，从而实时获取横向二维坐标信息；

当口腔扫描装置基于谱域光学相干层析成像系统建立时，所述探测组件18由光栅和线阵CCD相机组成；当口腔扫描装置基于扫频源光学相干层析成像系统建立时，所述探测组件18为平衡探测器，通过两个光学输入信号的相减用作平衡接收器，从而消除共模噪声，并从干扰的噪声本底提取信号路径中的微小变化。

所述延迟线组件16包括但不限于反射镜组，通过调整光程，使采样光束同时到达彩色照相系统17及探测组件18，从而实现实时监测。

所述阀门25采用止回阀设计，防止引流唾液的回流；

所述过滤器27用于过滤所吸唾液中的固体杂质，防止其阻塞引流通道。

如图4所示，探测组件18实时采集参考光束和采样光束的干涉信号，将所获取的整个谱域的离散光强值信息经数据处理端口30传输到数据处理组件33。探测光强是关于波数k的函数，数据处理组件33通过傅里叶逆变换，将数据从关于波数的变量空间(如图4a所示)转换到关于深度的变量空间(如图4b所示)，基于低相干干涉原理获得Z轴方向上的纵向层析能力，如图4e所示。

但是，如图4b所示，除了口腔不同深度组织的后向散射光与参考光束返回光的干涉外，探测光强还包含固有直流分量和交流分量。固有直流分量是指参考光束返回光对探测光强的贡献，交流分量由口腔内部结构不同深度组织层的相互干涉产生，后者相对于固有直流分量来说强度很微弱。通过消除上述直流分量和交流分量的干扰，可以恢复真实的图像，可采用的方法包括但不限于以下方案：

1.通过数据处理组件33消除上述直流分量和交流分量的干扰，如图4c、图4d所示，反卷积使峰锐化，反卷积的差分干涉图经傅里叶逆变换可产生清晰的一维图像。

2.在图1所示装置的基础上增设对参考光路和采样光路的控制元件，分别阻断采样光路和参考光路，可分别获取固有直流分量和交流分量的信号，再通过数据处理组件33从探测光强中减去上述信号。

3.在图1所示装置的基础上对称性地增设第二信号采集通道，通过对两个通道的信号作差值，消除固有直流分量和交流分量的干扰。

所述数据处理组件33实时分析经数据处理端口30传入的数据，将XOY平面的二维信息与Z轴方向的一维信息结合，获取口腔内部组织的三维结构特征，并将其与彩色照相系统17同步捕获的表面形貌等数据整合，重建形成真实反映口腔内部组织结构的三维数字化模型，并通过显示组件34实时显示。

上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。