用于光熱輻射測量和釋光測量的帶有集成光學系統的手持件的制作方法

專利名稱：用于光熱輻射測量和釋光測量的帶有集成光學系統的手持件的制作方法
用于光熱輻射測量和釋光測量的帶有集成光學系統的手持件相關申請的交叉引用本申請要求于2010年5月13日提交的標題為“用于光熱輻射測量和釋光測量的帶有集成光學系統的手持件(Handpiece with IntegratedOptical System forPhotothermal Radiometry and LuminescenceMeasurements)，，美國臨時申請 61/334，436的優先權，該申請的內容通過引用結合在此。
背景技術：
本披露涉及在口腔衛生保健中的檢測方法。由于氟化物的廣泛使用，齲齒的發病率已可觀地減少。然而，可以檢測并監控在牙·釉質、牙本質、根面上或下面，或在牙齒修復的邊緣周圍的早期脫礦質或小齲齒病變的非創傷性、非接觸的技術的發展對于該問題的臨床處理是基本的。在牙科中，近期的科研目標已是使用激光熒光檢測牙齒脫礦質和齲齒(例如牙釉質和/或牙根)、牙科沉積物、以及牙垢與病變深度和大小的定量分析、以及牙釉質的礦物成分[M. L.辛亞娃、Ad. A.馬梅多夫、S. Yu.瓦希爾奇科、A. I.沃爾科娃和V. B.羅切諾夫，2003，“在牙科中的熒光診斷法”，激光物理學，14，No.8，2004，pp. 1132 - 1140]。這些原理已用來發展數種基于熒光的技術，例如QLFTM和DIAGNOdentTM診斷裝置。UV輻射(488nm)已用來檢查牙釉質[蘇珊· M.海厄姆、尼爾·彭德、埃爾伯特 德·若斯蘭·德·容和菲利普·史密斯，2009。應用物理學雜志105，102048，R.希伯斯特和R.保盧斯，Proc. SPIE 3593，141 (1999)]。該研究表明健康牙釉質的自發體熒光峰值在533nm的波長，而齲齒組織的自發體熒光紅移40nm。還表明雖然實際上齲齒區的吸收度在激勵波長顯著更高，但齲齒區的自發體熒光亮度是低于健康牙釉質的自發體熒光亮度的數量級。在牙釉質脫礦質或齲齒病變已發展時熒光的減少已有助于在與聲牙釉質比較時提高齲齒病變的孔隙度。具有水的相關聯上升和病變的折射系數的降低，導致增加的散射與光路長度、吸收和自發熒光體的減少[H.伯杰克哈根、F.松德斯特倫、B.安格瑪-曼森和
H.萊德，瑞士鄧特.J. 6，1982]。在長激勵波長，齲洞的自發熒光體亮度可以比健康組織的自發熒光體亮度更高[R.希伯斯特等人]。對于640或655nm的激勵波長，齲齒病變的完整(在大于680nm的波長)自發熒光體亮度可以近似地是大于健康牙釉質的對應完整自發熒光體亮度的一個數量級。具有帶有這些波長的感應熒光從來自細菌代謝物的熒光團的激勵導致的某種指示。認為這些熒光團源于在一些細菌種類中發現的卟啉[S.M.黑海姆等人]。更近來地，基于激光感應熒光和光熱輻射的組合測量發展了新系統。該系統作為在2006年7月18日提交的標題為“使用紅外光熱輻射測量(PTR)和受調制激光釋光(LUM)診斷牙齒中的缺損的方法和設備(Method and Apparatus Using Infrared PhotothermalRadiometry(PTR)andModulated Laser Luminescence (LUM) for Diagnostics of Defectsin Teeth)”的美國專利申請No. 2007/0021670中所描述，在牙齒上檢查激光的釋光和光熱效應(PTR-LUM)的The Canary Dental Caries Detection SystemTM商業上可得。該激光是非創傷性的，并可以檢測在齒面下的大小幾分之一毫米并直到五毫米的牙齒腐爛。當激光脈沖在牙齒上聚焦時，牙齒產生并釋放熱。通過分析發射光和來自牙齒的熱特征，可以獲得包括牙釉質的早期脫礦質(病變)的信號的非常準確的信息[尼克萊德斯，L，曼德里斯，A.，艾布拉姆斯，S. H.，“使用同時頻域紅外光熱輻射測量和激光釋光的新穎牙齒動態深度輪廓測定法成像(Novel Dental Dynamic Depth ProfilometricImaging using SimultaneousFrequency Domain Infrared PhotothermalRadiometry and Laser Luminescence)，，，生物醫學光學雜志，2000年I月，第5卷，#1，31-39頁，瓊，R. J.，韓，C.，曼德里斯，A.，桑切斯，V.，艾布拉姆斯，S. H.，“在人的牙齒中的齲齒和人工表面病變中的非侵入的、非接觸的頻域光熱福射測量和釋光深度輪廓測定法(Non-intrusive, Non-contactingFrequency-Domain Photothermal Radiometry an (!Luminescence Depth Profilometry ofCarious and Artificial Sub-surfaceLesions in Human Teeth)，，,生物醫學光學雜志，2004年7-8月，9，#4，809-81，瓊，R. J.，海倫· A.，馬特維尼克· A.，曼德里斯，A.，艾布拉姆斯· S. H.，阿曼奇· B. T.，使用紅外光熱輻射測量和受調制釋光的牙釉質和牙根齲齒的體外 檢測和量化(In vitro Detection and Quantification of Enameland Root Caries UsingInfrared Photothermal Radiometry and ModulatedLuminescence),生物醫學光學雜志 13
(3),048803,2008] 0隨著病變生長，具有信號的對應變化。隨著補充礦質進展，信號反轉表明牙齒狀況的改善。通過改變信號的頻率，可以探測直到齒面下面5_。低頻信號可以穿透齒面下面的缺陷和病變。上述系統的一個顯著缺陷是典型地需要復雜且昂貴的光學傳送系統。此外，一些系統包括經昂貴的纖維束裝置光學地連接到遠程檢測器和激光源單元的手持件。這導致眾多缺陷，包括成本、復雜性和由于包覆纖維束的線纜重量的不方便性。發明概述在此提供了一種用于在樣本例如齒面上執行光熱測量的設備。可以用一個手持件的形式提供的該設備容納了若干光學部件，包括一個激光器、一個紅外檢測器、一個二向色分光鏡、以及用于將激光束傳送到所測量樣本上并從該所測量樣本收集光熱輻射的聚焦和光束引導器件。這些光學部件中的一些可以在直接附裝到用于內部光學部件的被動散熱的導熱頂端部分的一個光具座上提供。該手持件可以包括一個光束采樣光學元件和用于檢測釋光的一個光檢測器，以及用于在一次測量期間獲得樣本的圖像的一個照相機。因此，在一個方面中，提供了一種用于從物體檢測光熱輻射的設備，該設備包括一個狹長外殼；一個激光器，該激光器用于在該外殼內產生一個激光束；一個聚焦元件，該聚焦元件被定位以便將該激光束聚焦通過在該外殼的遠端部分的一個孔徑并聚焦到該物體的一個表面上，并收集響應于該激光束在該物體內生成的光熱輻射；以及一個二向色分光鏡，該二向色分光鏡定位在該外殼內，以便將該光熱福射從該激光束空間地分離；以及一個紅外檢測器，該紅外檢測器在該外殼內提供以便檢測該光熱輻射。可以參考以下詳細說明和附圖
實現本披露的功能的和有利的方面的進一步理解。附圖簡要說明現在僅參考附圖舉例描述實施方案，在附圖中圖I提供了用于齒面的光熱輻射(PTR)和釋光(LUM)測量的口腔衛生診斷手持件的等距視圖。圖2提供了在圖I中所示出的口腔衛生診斷手持件的(a)平面、(b)側面和(C)橫向圖。圖3 (a)和(b)提供了在圖I中所示出的口腔衛生診斷手持件的剖面圖。圖4是其中詳細示出了光具座的口腔衛生診斷手持件的剖面圖。圖5 (a)- (d)示出了在圖I中所示出的口腔衛生診斷手持件的各種剖面圖，其中這些視圖在垂直于手持件的縱軸的平面中示出。圖6 (a)示出了與手持件一起使用的控制和處理單元的實施方案，并且圖6 (b)示出了手持件、控制和處理單元以及其他系統附件的照片。圖7展示了集成到手持件的頂端部分的照相機的操作。 圖8示出了在手持件的頂端部分上滑動接收的保護頂端。圖9示出了與手持件一起使用的校正裝置。詳細說明將參考在以下討論的詳情描述本披露的各種實施方案和方面。以下說明和附圖展示了本披露，并且不解釋為限制本披露。披露了眾多具體詳情以便提供本披露的各種實施方案的透徹理解。然而，在某些實施方案中，不描述眾所周知的或常規的詳情，以便以便提供本披露的實施方案的簡明討論。如在此所用，術語“包括”應解釋為包括的并開放的，并且非排斥的。具體地，當在本說明和權利要求中使用時，“包括”及其變體意思是包括具體特征、步驟或部件。這些術語不應解釋為排斥其他特征、步驟或部件的存在。如在此所用，術語“示例性”意思是“用作實例、例證或展示”，并且不應解釋為優于在此所披露的其他配置優選或有利。如在此所用，在連同顆粒的尺寸的范圍、混合物的成分或其他物理性質或特征一起使用時，術語“大約”和“近似地”意思是覆蓋可以在尺寸的范圍的上下限中存在的輕微變體，從而使得不排斥其中尺寸的平均大部分被滿足但其中統計上尺寸可以在該區域之外存在的實施方案。不旨在排斥實施方案例如來自本披露的實施方案。在一個實施方案中，提供了其中光學部件集成到光具座上的用于光熱輻射(PTR)和釋光(LUM)診斷測量的手持件。如在以下所討論，通過將光學部件直接集成進入手持件內到光具座上，提供了良好適應于常規臨床使用的緊湊、魯棒且便宜的手持件。圖I展示了如在外部等距視圖中所示出的PTR-LUM手持件100的實例實現方式，并且圖2提供了該手持件的邊緣、側面和平面圖。手持件100包括主體部分110和頂端部分120。頂端部分120在頂端部分120的近端固定到主體部分，并在遠端傳送和接收光輻射。頂端部分120滑動地接收沿頂端部分的軸向可移除地附裝的保護殼130。包括光源和檢測器的光學部件安裝在手持件100內容納的光具座上，如在以下進一步討論。手持件100通過電纜140連接到外部控制和處理設備(未示出)。任選地提供濾光器150以便阻塞已散射激光輻射并保護操作員的眼睛。濾光器可以搭扣配合到接收槽以便容易附裝和移除。通過將濾光器直接結合到手持件上，臨床醫生不需要在整個掃描或診斷程序戴保護性激光護目鏡，并可以通過移動手持件以便從直視視線移除濾光器，容易地觀察患者的口腔解剖學。因為對于臨床醫生來說觀察真實色彩的口腔解剖學以便幫助診斷或引導診斷程序經常是重要的，所以該特征是臨床上有用的。參見圖2，可以采用手持件100以便使用位于主體部分110的頂部上的按鈕160與控制和處理單元(在以下進一步描述)通信。例如，用戶可以按下按鈕以便發動和/或終止測量或系列測量。按鈕160或其他輸入和/或控制元件可以裝入手持件100，從而使得提供防止流體泄漏到手持件內部的流體緊封。如在圖2中所示出，頂端部分120可以由在頂端部分中提供的狹槽128(在圖2中僅示出了單個狹槽)中接收的緊固件122和124固定到主體部分110，并與主體部分中的螺紋孔配合。因此，頂端部分不需要通過內部光具座固定到主體部分，如在以下進一步示出。可以采用內部ο形環以便在主體部分110和頂端部分120之間提供密封。實例手持件提供了方便并良好適配于臨床使用的輕量的人機工學設計。通過在手持件的主體和頂端部分內容納所有光學部件(例如，激光二極管和檢測器)，移除了經光纖束到手持件的光傳送輻射和來自手持件的光傳送輻射的需要，因此允許該裝置經簡單的、柔軟的、便宜的且輕量的電纜(該電纜可以容納用于傳遞各種控制和已檢測信號和電力的·多條電線)連接到控制和處理設備，此外，與光纜相對的電纜的使用減小了最小線纜彎曲半徑，允許在臨床程序期間在較寬的運動和方向范圍上操縱手持件。可以在電纜上放置屏蔽以便在信號沿電纜傳輸時將與該信號的電氣干擾最小化。在一個實施方案中，手持件100具有足夠小以便允許在兒童或成人的口部之內掃描牙齒的大小。此外，手持件設計在正常使用期間保護了光學元件免于損壞。如在圖2中所示出，可以使用緊固件122和124將頂端部分120從主體部分110移除，這使得能夠高效制造和現場維修。圖3提供了容納在主體部分110和頂端部分120內的內部部件的詳圖。在主體部分110內容納了光具座200，該主體部分110還在應變消除設備210中接收電纜140 (沒有示出額外導線和到光學部件的電氣連接)。電纜140將檢測器和激光器與外部控制和處理設備電氣接合，以便向激光器供電并處理來自檢測器的信號。光具座200已附裝到將在以下進一步描述的數個光學部件。頂端部分120在其遠端包括光束聚焦和光束引導光學部件202，并還容納用于在診斷程序期間獲得牙齒的圖像的光學照相機230。在圖4中示出了容納在主體部分110和頂端部分120內的折疊光學設備的詳圖。光具座200支撐半導體激光器205和透鏡210，該透鏡210將已發射激光校準，隨后該已發射激光由反射鏡215向二向色分光鏡220重定向。半導體激光器205可以是具有約660nm的波長的激光二極管以便從齒面同時生成釋光和光熱輻射。 已校準激光束由已在該其上具有光學涂層的二向色分光鏡220重定向，該光學涂層在入射激光束的波長具有高反射率，同時使熱輻射經過。激光束在基本軸向的方向上沿光路225傳播到頂端部分120，繞開拾取棱鏡230，并在頂端部分120的遠端遇到反射鏡235。反射鏡235向聚焦元件240反射已校準激光束，該聚焦元件240在激光束從頂端部分120出現時將該激光束聚焦。應當理解的是激光束不需要在垂直于其內部傳播軸的方向上離開裝置。聚焦元件240可光學地傳輸在激光波長與在釋光和光熱輻射的波長的光。在一個實例中，聚焦元件在可見光譜中并在中紅外光譜中可傳輸。聚焦元件240具有適合將激光聚焦到所希望的光斑大小的焦距。例如，8. 6mm的焦距產生平均約50微米的光斑大小。聚焦元件240提供收集并充分校準響應于激光輻照從齒面發射的釋光和光熱輻射的額外任務。盡管聚焦元件240示作傳輸光學部件，但對于本領域普通技術人員將明顯的是聚焦元件240和反射鏡235可以用單個曲面鏡例如離軸拋物面反射鏡替換。已收集釋光由反射鏡235沿頂端部分120的軸引導，并且已收集釋光束的一部分遇到光束米樣兀件例如拾取棱鏡230 (或另一合適兀件,例如濾光器),并被引向濾光器245和光檢測器250。濾光器245移除不需要的已反射和已散射激光，并且光檢測器250被選擇以便具有適合于檢測已收集釋光的光譜響應。在一個實例中，光檢測器250可以是硅光電二極管，并且濾光器245可以是具有與激光波長和功率匹配的帶寬和光密度的便宜的彩色玻璃濾光器(例如RG 715長通濾色器)。如以上所提到，聚焦元件240還收集并校準由反射鏡235反射，并被引向二向色分光鏡220的已發射光熱輻射。二向色分光鏡220傳遞紅外輻射并反射已散射激光的大部分。二向色分光鏡220還可以充分反射已收集釋光。在一個實施方案中，光吸收元件例如吸收窗可以置于二向色分光鏡220和紅外檢·測器260之間，以便將已收集釋光和已散射和/或剩余激光衰減，并傳輸中紅外光譜區中的光熱輻射。在一個實例中，二向色分光鏡可以進一步結合吸收基體。用于吸收基體的合適材料是長通濾波材料，例如吸收波長小于約I. 85微米的光的鍺。在另一實例實施方案中，紅外檢測器260和激光器205的位置可以顛倒，并且二向色分光鏡220可以具有用于傳輸激光束和釋光輻射并反射光熱輻射的光學涂層。在這種實施方案中，包括在以上所描述的吸收窗以便衰減以其他方式由紅外檢測器260檢測的已反射激光功率和釋光輻射是有益的。二向色分光鏡傳輸已收集光熱輻射，該已收集光熱輻射隨后由透鏡255聚焦到紅外檢測器260上。紅外檢測器可以是靈敏的中紅外檢測器，例如帶有跨約2 μ m到5 μ m的靈敏光譜區的光電HgCdZnTe檢測器。紅外檢測器260可以為增強的性能和靈敏度安裝在熱電冷卻器上。如在圖4中所示出，在以上所描述的光學部件(除在頂端部分120中提供的光學部件之外)安裝在光具座200上。在一個實例實現方式中，以輕量且導熱的材料例如鋁形成光具座200。在圖4中所示出的實例實現方式中，當光具座容納在主體部分110內時，該光具座附裝到頂端部分120，由此使得能夠迅速且高效散熱進入頂端部分120。由此，頂端部分120也可以由輕量且導熱的材料例如鋁制作。這種實施方案使得頂端部分能夠為安裝在光具座200上的光學部件(主要是激光二極管，并且任選地是附裝到檢測器260的熱電(TE)冷卻器)充當高效氣冷散熱器。該特征對改善可以具有強烈取決于溫度的噪聲層的熱檢測器260的性能尤其有用(例如在以上所描述的實例HgCdZnTe檢測器情況下)。此外，通過將光具座直接附裝到堅硬的頂端部分120，可以獲得相對于將光學部件附裝到主體部分110改善的機械隔離。圖5提供了一系列剖面圖，其中每個圖都在垂直于手持件的縱軸的平面中。圖5(a)示出了穿過二向色分光鏡220和反射折疊鏡215的剖面，而圖5 (b)展示了在二向色分光鏡220和反射折疊鏡215后面穿過光具座200的剖面。圖5 (c)展示了穿過照相機300(在以下進一步討論)的剖面，并且圖5 (d)示出了穿過位于頂端部分120的遠端，包括聚焦元件240的收集光學器件的剖面。圖5 (d)還示出了展示激光器的光束形狀的圓錐體270，以及穿過保護殼130 (在以下進一步描述)的剖面。為獲得激光感應的光熱輻射和釋光的靈敏檢測，手持件可以與相敏檢測系統例如鎖定放大器交互。在這種實施方案中，在所希望的頻率調制激光亮度，并且向鎖定放大器提供與已調制激光電流的相位有關的檢測器信號和參考信號。對于本領域普通技術人員將明顯的是可以使用其他調制方法。例如，在一個實施方案中，可以經集成到手持件的機械切割轉盤光學地切割激光功率光束，其中該切割轉盤經強制空氣對流提供檢測器的額外主動冷卻。鎖定放大器可以在控制和處理單元內容納的數據采集板上提供。用于提供鎖定功能的合適數據獲采集板是國家儀器NIUSB-6221-0EM板。替代地，可以在與控制和處理單元接合的額外系統中分離地提供鎖定放大器。圖6 Ca)展示了容納數據采集板和處理、用戶接合以及任選的外部聯網所需要的額外電子設備的控制和處理單元I的實例實現方式。控制和處理單元I可以包括處理器、 存儲器、數據總線，并可以包括存儲介質例如閃存存儲器或硬盤。示出了控制和處理單元I通過電纜2與手持件100接合。在被成形以便在手持件100不使用時固定手持件100的手持件支撐結構8和凹處5支撐手持件100，以便在固定手持件100時保護頂端部分120的遠端。控制和處理單元還可以包括操作鑰匙3和外部控制4。圖6 (b)示出了在與該系統一起使用的附件之間的控制和處理單元I、手持件100和外部計算裝置10的照片。可以將控制和處理單元I編程以便處理從手持件100獲得的診斷測量值。例如，控制和處理單元I可以執行許多功能，包括但不限于基于已測量信號生成與被檢查的齒面或齒面的部分相關聯的數值輸出、存儲和/或處理診斷數據、存儲和/或處理圖像數據、顯示圖像、信號或數值輸出、以及存儲涉及治療建議和患者信息的信息。在一個實施方案中，控制和處理單元I處理已接收光熱(PTR)和釋光(LUM)測量值，以便提供與已掃描牙齒的口腔衛生狀態相關的復合數值結果。在提供來自在給定位置的測量值的口腔衛生的單個統一數量表示的實施方案中，由控制和處理單元I將來自給定測量值的數據存儲為四個分離信號；PTR振幅和相位以及LUM振幅和相位。可以通過將這四個信號組合來獲得統一的診斷測量。在一個實例實現方式中，根據以下加權公式處理信號·以總值的45%加權的PTR振幅·以總值的15%加權的PTR相位·以總值的10%加權的LUM相位·以總值的30%加權的LUM振幅可以將該四個讀數與從健康牙釉質面和/或從一塊標準羥磷灰石發現的讀數比較。可以將已測量信號額外地或替代地與健康牙釉質面比較。來自這些比較步驟的結果可以為每個讀數在固定刻度上(例如在I到100的刻度上)提供(該刻度不需要為每個讀數類型相等)，表明狀況的嚴重性。可以然后如以上所描述將四個固定刻度結果加權，向操作員提供表明已檢查區域的健康的分級或范圍(例如，在從I - 100的刻度上)。在另一實例實施方案中，來自單個頻率的讀數可以用以下方式組合(PTR 振幅 xPTR 相位)/ (LUM 振幅 x LUM 相位)，以便創建一個單個讀數。
可以通過如下將來自每個讀數的標準差組合來執行檢錯LUM振幅xLUM相位xPTR振幅x PTR相位。然后可以檢查單個讀數/合并標準差的比率，并且如果該比率動態地提高，則這可以表明讀數錯誤，這可以然后向操作員傳達。可以將單個讀數與其與得自正在檢查的健康牙釉質和健康牙齒的單個讀數的差向操作員傳達。在另一實例中，可以通過如下將來自每個讀數的標準差組合成一個數字來執行檢錯IOOx { (PTR-A-std/PTR-A) ~ 2 + (PTR-P-std/PTR-P) ~2+ (LUM + std/LUM-A)~2+(LUM-P-std/LUM-P)'2}'1/2在另一實施方案中，在手持件中進一步提供用于獲得所選擇牙齒的圖像的照相機。在圖4中所示出的實例配置中，照相機300位于接近頂端部分120的遠端。將照相機·接近頂端部分的遠端定位提供了眾多益處。第一，這將照相機從光具座熱學地且機械地隔離，從而使得傳感器遠離紅外檢測器。因此，由照相機生成的熱主要由頂端部分的熱質量耗散，并且不傳播回到紅外檢測器260。第二，將照相機300接近頂端部分的遠端定位允許使用帶有短工作距離因此需要最少光學部件的便宜照相機。圖4和7展示了其中所使用的照相機300是帶有集成的NTSC視頻信號生成的微型CMOS成像傳感器的實例實施方案。該照相機有效地是“針孔”型成像系統(帶有小的孔徑和固定透鏡)，因此在沒有成像或光束重引導光學器件例如反射鏡和移動透鏡的添加復雜度和成本的情況下提供巨大的視場深度和視角。非常大的視場深度在相對于齒面的寬范圍距離調整針孔成像系統的放置。可以選擇工作距離310為約15-20mm，提供直徑約10_20mm的成像區。理解以上描述的針孔型照相機僅是照相機的一個實例，并且其他微型照相機可以代替針孔型照相機。如在圖7中所進一步示出，所采用的唯一光學部件是直角棱鏡305，這提供了魯棒且簡單的設計。可以通過使用直角照相機模塊來省略棱鏡305。在另一實施方案中，可以將照相機放置在距頂端部分120的遠端的增加的軸向距離(在315示出)，以便改善其中做出LUM測量的區域的操作員直視視線，如在圖7中所示出。成像平面的中心相對于頂端邊緣的偏移將因此增加。合適的偏移距離約為20mm。在圖7中所示出的實例實現方式中，照相機從激光在其被傳送的位置將是空間偏移320的空間區域采樣。因為照相機的光路不干擾PTR-LUM檢測系統的光路，所以空間偏移是有益的。盡管在替代實施方案中可能在掃描期間將牙齒區域直接成像，但這需要過濾由成像系統收集的光，由于濾光器排斥光譜成分因此這不能反映所成像牙齒的真實彩色圖像，所以這是有問題的。因此，該裝置可以操作從而使得在不測量診斷數據時向照相機供電，因此避免漫射激光的收集，并還在測量過程期間避免電氣和/或熱串擾。由于僅在使用期間向照相機供電限制了廢熱的生成，因此這種方案也是有益的。頂端部分120可以與在圖8中進一步詳細示出的外殼體130配合。殼體130包括圓錐段405，該圓錐段405帶有在其中提供的用于傳送激光束與收集光熱的和釋光的輻射的孔。可以選擇圓錐段的長度以便在頂端部分120維持相對于聚焦元件240的焦距的合適工作距離。殼體130還包括為集成照相機300提供光入口的孔徑410。殼體130可以例如經特征415和在頂端部分120中的對應突出特征搭扣配合到頂端部分120上。
殼體130可以是和用于保護手持件并消除病人之間的任何交叉污染的無菌的且透明的罩蓋，例如薄透明材料組合使用的可置換件。該罩蓋安裝在手持件的頂端部分120上，因此其不起皺或變形，由此避免信號的偏轉或照相機圖像的失真。實例罩 蓋材料是可以用具有適合于覆蓋頂端部分120的形狀的袋子、護套或軟護套的形式提供的透明聚合物層。該罩蓋可以是可置換的。首先將該罩蓋放置在頂端部分上，并且隨后將保護殼體130放置在罩蓋上，以便將其固定在保護殼體130和頂端部分120之間的適當位置。保護殼體130保護罩蓋免于無菌屏障的意外破壞(刺穿/撕裂)。該罩蓋在可見和近紅外光譜的至少一部分(其中傳送激光并且生成釋光的部分)和中紅外光譜(其中生成光熱輻射)上部分地或基本上透明。在一個實例中，罩蓋的透明度在感興趣的光譜區上是至少75%。在另一實例中，罩蓋的透明度在感興趣的光譜區上是至少90%。在一個實例實現方式中，可以提供具有聚焦元件240的不同工作距離(或焦距)的多個大小的頂端部分120。根據臨床情況，不同的工作距離可以是有用的。例如，可以使用與于用來掃描后牙的咀嚼面上的凹槽或牙間(在牙齒之間)的頂端部分不同的頂端部分來掃描平滑面。在這種情況下，還可以為每個不同的頂端部分120提供不同的殼體130，因此給定殼體130的圓錐部分405為對應的頂端部分120調節工作距離。同時，可以用通用長度使用一個圓錐，這提供來自寬范圍的齒面的最優信號。在一個實施方案中，進一步提供用于校正手持件的響應的校正裝置。在圖9中所示出的實例實現方式中，校正裝置500包括適配于接收頂端部分120的外表面的內部軸向孔510。校正裝置500包括校正參考材料520，例如適合于光熱和/或釋光信號的校正的羥磷灰石材料。還可以提供容納黑體參考材料(例如玻璃碳)的第二校正裝置。再次參見在圖9中所示出的實例裝置，在校正裝置500里面容納校正參考材料520，因此當在頂端部分120上固定校正裝置時，校正參考材料520位于或接近聚焦元件240的焦平面，由此當執行測量時促進參考信號的收集。校正裝置可以從機械加工的塑料生產，因此其在使用時不刮擦頂端部分120的外表面，并且用充足容差制造從而使得頂端正確對準校正參考材料。在一個實例中，在可移除地附裝到校正參考裝置500的主體以便移除和/或替換的分離部分530中容納校正參考材料520。為確保校正參考裝置500放置在頂端部分120上合適位置，定位機構(例如在頂端部分120上的凹口上搭鎖的彈簧鎖銷540或張力結構)可以添加到主體。盡管前述實施方案涉及關于口腔衛生診斷的應用，但應當理解本披露的范圍不限于牙齒的使用和應用。在此所披露的設備可以用于牙齒檢測之外的寬范圍的應用，包括其他生物學感測和診斷應用，以及各種材料的非破壞性試驗。以上所描述的具體實施方案已舉例示出，并且應理解這些實施方案可以是易受各種修改和替代形式的。應進一步理解權利要求不旨在被限于所披露的特別形式，而是覆蓋落入本披露的精神和范圍內的所有修改、等效和替代。
權利要求
1.一種用于檢測來自物體的光熱輻射的設備，所述設備包括 一個狹長外殼； 一個激光器，所述激光器用于在所述外殼內產生一個激光束； 一個聚焦元件，所述聚焦元件被定位以便將所述激光束聚焦通過在所述外殼的遠端部分的一個孔徑并聚焦到所述物體的一個表面上，并收集響應于所述激光束在所述物體內生成的光熱輻射；以及 一個二向色分光鏡，所述二向色分光鏡定位在所述外殼內，以便將所述光熱福射從所述激光束空間地分離；以及 一個紅外檢測器，所述紅外檢測器在所述外殼內提供以便檢測所述光熱輻射。
2.根據權利要求I所述的設備，其中在所述外殼內所述激光束的傳播軸與在所述外殼內經由所述激光束的光束路徑的一部分的所述光熱輻射的傳播軸基本上共線。
3.根據權利要求I或2所述的設備，其中所述激光束包括適合于在所述物體內生成釋光輻射的一個波長，并且其中所述聚焦元件被配置成除所述光熱輻射之外還收集所述釋光輻射，所述設備進一步包括 一個光學采樣元件，所述光學采樣元件在所述外殼內提供，其中所述光學采樣元件被定位以便將已采樣釋光福射重定向； 一個濾光器，所述濾光器被定位以便傳輸所述已米樣釋光福射并排斥已散射激光功率；以及 一個光檢測器，所述光檢測器被定位以便檢測所述已采樣釋光輻射。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述光學采樣元件是拾取棱鏡。
5.根據權利要求I至4中任意一項所述的設備，其中所述二向色分光鏡被配置成反射所述激光束并傳輸所述光熱輻射。
6.根據權利要求5所述的設備，其中所述二向色分光鏡被進一步配置成反射在所述物體內生成并由所述聚焦元件收集的釋光輻射。
7.根據權利要求I至4中任意一項所述的設備，其中所述二向色分光鏡被配置成傳輸所述激光束并反射所述光熱輻射。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述二向色分光鏡被進一步配置成傳輸在所述物體內生成并由所述聚焦元件收集的釋光輻射。
9.根據權利要求I至8中任意一項所述的設備，進一步包括一個光吸收元件，從而使得所述光熱輻射在遇到所述紅外檢測器之前遇到所述光吸收元件，并且其中所述光吸收元件被配置成傳輸所述光熱輻射并吸收剩余激光功率。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所述光吸收元件被進一步配置成吸收在所述物體內生成并由所述聚焦元件收集的釋光輻射。
11.根據權利要求9所述的設備，其中所述光吸收元件包括一個長通濾波器。
12.根據權利要求11所述的設備，其中所述長通濾波器包括一個鍺窗口。
13.根據權利要求9至12中任意一項所述的設備，其中所述光吸收元件與所述二向色分光鏡集成在一起。
14.根據權利要求I至13中任意一項所述的設備，其中所述外殼的所述遠端部分進一步包括一個反射元件，所述反射元件用于在所述外殼內沿基本上正交于所述激光束的傳播軸的方向將所述激光束外部地重定向。
15.根據權利要求I至14中任意一項所述的設備，其中所述外殼的所述遠端部分進一步包括用于將所述物體成像的一個照相機。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述孔徑是一個第一孔徑，并且其中所述照相機被配置成通過鄰接所述第一孔徑的一個第二孔徑將所述物體成像。
17.根據權利要求15所述的設備，其中所述照相機是針孔型照相機。
18.根據權利要求I至17中任意一項所述的設備，其中所述紅外檢測器是一個(HgCdZn)Te 檢測器。
19.根據權利要求I至18中任意一項所述的設備，其中所述激光器是具有約660nm的波長的一個半導體激光器。
20.根據權利要求I至19中任意一項所述的設備，進一步包括可移除地附裝到所述外殼的所述遠端部分的一個殼體，其中所述殼體包括一個開孔，并且其中在所述殼體附裝到所述外殼時所述開孔與所述孔徑對齊。
21.根據權利要求20所述的設備，其中所述殼體進一步包括一個圓錐投影，并且所述開孔定位在所述圓錐投影的遠端。
22.根據權利要求21所述的設備，其中在所述開孔和所述聚焦元件之間的距離約等于所述聚焦元件的工作距離。
23.根據權利要求20至22中任意一項所述的設備，進一步包括在所述殼體和所述外殼的所述遠端部分之間提供的一種罩蓋材料，其中所述罩蓋材料對所述激光束和所述光熱輻射至少部分透明。
24.根據權利要求I至23中任意一項所述的設備，其中所述激光器、所述二向色分光鏡和所述紅外檢測器在一個光具座上裝配。
25.根據權利要求24所述的設備，其中所述光具座包括一種導熱材料。
26.根據權利要求24或25所述的設備，其中所述外殼包括一個主體部分和一個頂端部分，其中所述頂端部分包括所述外殼的所述遠端部分，并且其中所述光具座通過附裝到所述頂端部分在所述主體部分內定位。
27.根據權利要求26所述的設備，其中所述光具座和所述頂端部分每個都包括一種導熱材料，并且其中所述頂端部分為由附裝到所述光具座的光學部件所生成的熱提供了一個散熱器。
28.根據權利要求25或27所述的設備，其中所述導熱材料包括鋁。
29.根據權利要求I至28中任意一項所述的設備，進一步包括可移除地附裝到所述外殼的所述遠端部分的一個校正裝置，其中所述校正裝置包括一種校正參考材料，其中所述校正參考材料安置在所述校正裝置內，從而使得在所述校正裝置附裝到所述外殼時將所述激光束引導到所述校正參考材料上。
30.根據權利要求29所述的設備，其中所述校正裝置包括 一個內部軸向孔，所述內部軸向孔用于接收所述外殼的所述遠端部分的一個外表面；以及 一個內部凹處，所述內部凹處鄰接所述軸向孔，所述凹處支撐所述校正參考信號。
31.根據權利要求29或30所述的設備，其中所述校正參考材料包括羥磷灰石和黑體參考材料中的一種。
32.根據權利要求I至31中任意一項所述的設備，其中所述物體是牙齒。
33.一種系統,包括 根據權利要求I至32中任意一項所述的設備；以及 一個控制和處理單元，所述控制和處理單元連接到所述設備； 其中所述控制和處理單元被配置為向所述設備提供電力并處理由所述設備檢測的信號。
34.根據權利要求33所述的系統，其中所述控制和處理單元包括一種用于響應于所述激光的調制對與所述光熱輻射有關的信號進行檢測的一個相敏檢測系統。
35.根據權利要求34所述的系統，其中所述相敏檢測系統包括一個鎖定放大器，其中所述鎖定放大器具有與所述激光束的所述調制的相位有關的一個參考信號。
36.根據權利要求33或35所述的系統，其中所述控制和處理單元進一步包括用于支撐所述設備的一個支架，以及用于在所述設備依靠在所述支架中時保護所述設備的遠端的一個凹處。
全文摘要
在此提供了一種用于在物體上執行光熱測量的設備。可以作為一個手持件提供的該設備容納了若干光學部件，包括一個激光器、一個紅外檢測器、一個二向色分光鏡、以及用于激光束傳送到所測量樣本上，并從該所測量樣本收集光熱輻射的聚焦和光束引導光學器件。其中一些光學部件可以在直接附裝到用于內部光學部件的被動散熱的導熱頂端部分的光具座上提供。該手持件可以進一步包括一個采樣光學元件和用于檢測釋光的一個光檢測器，以及用于在一次診斷程序期間獲得該物體的圖像的一個照相機。該設備可以用來掃描牙齒以便確定該牙齒的口腔衛生狀態。
文檔編號G01N21/63GK102947682SQ201180030712
公開日2013年2月27日 申請日期2011年5月13日 優先權日2010年5月13日
發明者金-索科·喬恩, 安德里斯·曼德里斯, 史蒂芬·阿布拉姆斯, 安娜·馬特維延科, 科恩斯瓦蘭·西瓦古魯納坦, 喬希·錫爾弗敦, 亞當·海倫 申請人:昆特姆丹塔爾技術公司