(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯科用装置であって、当該歯科用装置は：
ハンドルと；
該ハンドルに動作可能に結合された制御装置と；
該制御装置と動作可能に通信するサブシステムであって、該サブシステムは、周波数変調励起信号を発生して、放出された蛍光を前記サブシステムに及び前記制御装置に反射して戻し、放出された蛍光の少なくとも１つの特性を分析するように構成されており、前記少なくとも１つの特性は、前記放出された蛍光の減衰時間に対応しており、プラークから放出された蛍光が、歯から放出された蛍光よりも速く減衰する、サブシステムと；を備えており、
前記制御装置は、検出された放出蛍光を分析して、前記放出された蛍光が、プラークから放出された蛍光の減衰時間又は歯から放出された蛍光の減衰時間を示しているかを判定し、歯垢の存在を検出するようにプログラムされる、
歯科用装置。
【請求項２】
前記周波数変調励起信号は、単一の周波数又は複数の周波数で提供される、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項３】
前記サブシステムは、発光ダイオード、レーザーダイオード、フィルタ、光検出器、撮像センサ、増幅器、発振器、ミキサ、ビームスプリッタ及びアナログ／デジタル変換器のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項４】
前記フィルタは、励起クリーンアップフィルタであり、前記発振器は、単一周波数又はマルチ周波数変調発振器であり、前記ビームスプリッタは、ダイクロイック・ビームスプリッタである、
請求項３に記載の歯科用装置。
【請求項５】
前記サブシステムは、約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚ範囲の周波数で放出された蛍光を検出するように構成される、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項６】
前記制御装置と動作可能に通信しており、患者の歯に関連する位相遅延及び周波数依存性ゲインを較正するキャリブレーション・モジュールをさらに含む、
請求項５に記載の前記歯科用装置。
【請求項７】
電池が、前記ハンドル内に収容されており、前記電池は、前記ハンドル内に収容されたモータと、前記ハンドルから遠位方向に延びるシャフトに収容された前記サブシステムとを含む前記歯科用装置に電力を供給するように構成される、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項８】
少なくとも歯をブラッシングし且つ歯垢を除去するための、シャフトに取外し可能に結合するように構成された歯ブラシ組立体をさらに含む、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項９】
窓が、前記歯ブラシ組立体に設けられた複数の歯ブラシ用毛材に隣接して前記歯ブラシ組立体に位置付けされており、且つ前記シャフトに配置された前記サブシステムに位置合わせされ、それによって、前記励起信号及び前記放出された蛍光が、前記窓を通過可能となる、
請求項８に記載の歯科用装置。
【請求項１０】
前記放出された蛍光の少なくとも１つの特性は、前記放出された蛍光の位相シフトに対応し、前記プラークから放出された蛍光は、前記歯から放出された蛍光よりも低位相シフトを有する、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、周波数領域解析法及び時間領域解析法のいずれかを利用して、前記放出された蛍光の位相シフト及び前記放出された蛍光の振幅を分析するように構成される、
請求項１に記載の歯科用装置。
【請求項１２】
歯科用装置であって、当該歯科用装置は：
シャフト、並びに内部に収容された電池、モータ、及び制御装置を含むハンドルであって、前記シャフトは、前記ハンドルから遠位方向に延びる、ハンドルと；
前記シャフトに取外し可能に結合するように構成された歯ブラシ組立体と；
前記制御装置と動作可能に通信するサブシステムであって、該サブシステムは、周波数変調励起信号及び時間変調励起信号のいずれかを発生して、放出された蛍光を前記サブシステムに及び前記制御装置に反射して戻し、放出された蛍光の少なくとも１つの特性を分析するように構成されており、前記少なくとも１つの特性は、放出された蛍光の減衰時間に対応しており、プラークから放出された蛍光が、歯から放出された蛍光よりも速く減衰する、サブシステムと；を備えており、
前記制御装置は、検出された放出蛍光を分析して、前記放出された蛍光が、プラークから放出された蛍光の減衰時間又は歯から放出された蛍光の減衰時間を示しているかを判定し、歯垢の存在を検出するようにプログラムされる、
歯科用装置。
【請求項１３】
前記周波数変調励起信号は、単一の周波数又は複数の周波数で提供される、
請求項１２に記載の歯科用装置。
【請求項１４】
前記サブシステムは、発光ダイオード、レーザーダイオード、フィルタ、光検出器、撮像センサ、増幅器、発振器、ミキサ、ビームスプリッタ及びアナログ／デジタル変換器のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１２に記載の歯科用装置。
【請求項１５】
前記フィルタは、励起クリーンアップフィルタであり、前記発振器は、単一周波数又はマルチ周波数変調発振器であり、前記ビームスプリッタは、ダイクロイック・ビームスプリッタである、
請求項１４に記載の歯科用装置。
【請求項１６】
前記サブシステムは、約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚ範囲の周波数で放出された蛍光を検出するように構成される、
請求項１２に記載の歯科用装置。
【請求項１７】
前記制御装置と動作可能に通信しており、患者の歯に関連する位相遅延及び周波数依存性ゲインを較正するキャリブレーション・モジュールをさらに含む、
請求項１６に記載の歯科用装置。
【請求項１８】
窓が、前記歯ブラシ組立体に設けられた複数の歯ブラシ用毛材に隣接して前記歯ブラシ組立体に位置付けされており、且つ前記シャフトに配置された前記サブシステムに位置合わせされ、それによって、前記励起信号及び前記放出された蛍光が、前記窓を介して通過可能となる、
請求項１２に記載の歯科用装置。
【請求項１９】
前記放出された蛍光の少なくとも１つの特性は、前記放出された蛍光の位相シフトに対応し、前記プラークから放出された蛍光は、前記歯から放出された蛍光よりも低位相シフトを有する、
請求項１２に記載の歯科用装置。
【請求項２０】
前記制御装置は、周波数領域解析法及び時間領域解析法のいずれかを利用して、前記放出された蛍光の位相シフト及び前記放出された蛍光の振幅を分析するように構成される、
請求項１２に記載の歯科用装置。
【請求項２１】
歯の部位での歯垢及び歯質脱灰のいずれかを検出するための方法であって、当該方法は：
周波数変調励起信号を患者の口の中に放射するステップと;
放出された蛍光を検出するステップと；
前記放出された蛍光の少なくとも１つの特性を分析するステップであって、プラークから放出された蛍光が、歯から放出された蛍光よりも速く減衰する、分析するステップと；
検出された放出蛍光を分析して、前記放出された蛍光が、プラークから放出された蛍光の減衰時間又は歯から放出された蛍光の減衰時間を示しているかを判定し、歯垢の存在を検出するステップと；を含む、
方法。
【請求項２２】
前記励起信号を単一の周波数又は複数の周波数で周波数変調するステップを含む、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記放出された蛍光を約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚ範囲の周波数で検出するステップを含む、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記分析するステップは、前記放出された蛍光の位相シフト又は振幅を分析するステップをさらに含む、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
周波数領域解析法を利用して、前記放出された蛍光の位相シフト又は振幅を分析するステップを含む、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
光放射、検出及び分析を行う歯科用装置を提供するステップと、該歯科用装置に電池を含むハンドルを提供するステップと、を含んでおり、前記電池は、前記ハンドル内に収納されたモータ、制御装置、及び前記ハンドルから遠位方向に延びるシャフト内に収容されたサブシステムを含む前記歯科用装置に電力を供給するように構成されている、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
発光ダイオード、レーザーダイオード、フィルタ、光検出器、撮像センサ、増幅器、発振器、ミキサ、ビームスプリッタ及びアナログ／デジタル変換器のうちの少なくとも１つを前記サブシステムに設けるステップを含む、
請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
光励起クリーンアップフィルタ、単一周波数又はマルチ周波数変調発振器、及びダイクロイック・ビームスプリッタを利用するステップを含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
制御装置と動作可能に通信するキャリブレーション・モジュールを介して歯に関連する位相遅延及び周波数依存性ゲインを較正するステップを含む、
請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも歯をブラッシングし且つ歯垢を除去するための、シャフトに取外し可能に結合するように構成された歯ブラシ組立体を提供するステップを含む、
請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記歯ブラシ組立体に設けられた複数の歯ブラシ用毛材に隣接して前記歯ブラシ組立体に位置付けされるとともに、前記シャフトに配置されたサブシステムに位置合わせされる窓を歯科用装置に設け、それによって、前記励起信号及び前記放出された蛍光が、前記窓を通過可能となるようにするステップを含む、
請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本開示は、２０１２年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／７３９，４１５号及び２０１２年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７４０，７９７号について優先権の利益を主張するものであり、これら文献の全体の内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、歯科用装置及びこの歯科用装置を利用する方法に関する。より具体的には、本開示は、周波数変調励起信号を利用して放出された蛍光を分析し歯垢を検出するような歯科用装置及びこの歯科用装置を利用する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
口腔内のプラーク堆積を検出し、その検出が歯の洗浄を要する領域に的を絞るように指示した場合に、例えば（手動又は電動）歯ブラシ、デンタルフロス、デンタルピック、又は経口洗浄器を使用することにより、プラークを除去する動作を指示することが望ましい。このような堆積物を、歯、歯茎、舌、頬のその位置で／生体内で検出することは困難である。歯垢を検出するのは特に重要である。歯垢の検出には、放射線を口腔の表面に向けて入射させるような蛍光測定を使用する方法が知られており、生物学的堆積物の存在に関する所定の特性を有する蛍光放出が、その表面から放出され、且つ検出される。
【０００４】
従来技術では、歯垢を検出するための２つの一般的な方法が存在している。一方の方法は、一次蛍光を使用して、歯垢や他の歯質材料自体の蛍光をモニタする。他方の方法は、二次蛍光を使用するものであり、歯垢を有する疑いのある口腔内の表面を、歯垢に選択的に結合するような蛍光標識物質で処理して、その標識物質が結合した口腔表面上の標識物質の蛍光放出を検出し、歯垢の存在を示す。
【０００５】
上述した方法によれば、歯垢を検出するように構成された装置は、大抵の場合、単色光を利用して、潜在的な歯垢部位を照明している。特定の例において、この部位は、所定の波長又は範囲を有する光で照射することができる。他の方法及び／又は装置は、（例えば、ナノ秒又はこれより高速な）高速励起パルスと、この励起パルスの後に、非常に短い時間インターバルで作動可能な（例えば、ゲート制御可能な）高速且つ高感度な検出装置とを利用することができる。そのような方法及び／又は装置は、典型的には、光電子増倍管、アバランシェ・フォトダイオード、及び／又はカール(Kerr)ゲートを利用する。
【０００６】
前述した方法及び装置は、歯垢を検出するのに適しているが、そのような方法及び装置は、一般に高価であり、典型的には、容積が嵩張り且つ高電圧を必要とするような構成要素を含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
理解されるように、周波数変調励起信号を利用して、放出された蛍光を分析し歯垢を検出するような歯科用装置及びこの歯科用装置の使用方法は、歯科分野において有用であることが判明し得る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様は、歯科用装置を提供する。歯科用装置は、ハンドルを含む。制御装置が、ハンドルに動作可能に結合される。サブシステムが、制御装置と動作可能に通信するとともに、励起信号を発生させて、放出された蛍光をサブシステムに及び制御装置に反射して戻し、放出された蛍光の１つ又は複数の特性を分析するように構成される。１つ又は複数の特性は、放出された蛍光の減衰時間に対応しており、プラークから放出された蛍光が、歯から放出された蛍光よりも速く減衰する。制御装置は、検出された放出蛍光を分析して、放出された蛍光が、プラークから放出された蛍光の減衰時間又は歯から放出された蛍光の減衰時間を示しているかを判定し、歯垢の存在を検出するようにプログラムされる。
【０００９】
励磁信号は、周波数変調され、且つ単一の周波数及び／又は複数の周波数で提供される。サブシステムは、発光ダイオード、レーザーダイオード、フィルタ、光検出器、撮像センサ、増幅器、発振器、ミキサ、及びアナログ／デジタル変換器を含んでもよい。フィルタは、光励起クリーンアップフィルタでもよく、発振器は、単一周波数又はマルチ周波数変調発振器でもよく、ビームスプリッタは、ダイクロイック・ビームスプリッタでもよい。サブシステムは、約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚ範囲の周波数で放出された蛍光を検出するように構成することができる。キャリブレーション・モジュールが、患者の歯に関連する位相遅延及び周波数依存性ゲインを較正するための制御装置と動作可能に通信することができる。
【００１０】
電池が、ハンドル内に収容されており、この電池は、ハンドル内に収容されたモータ及びサブシステムを含む歯科用装置に電力を供給するように構成することができ、サブシステムは、ハンドルから遠位方向に延びるシャフト内に収容されている。歯ブラシ組立体が、歯をブラッシングし且つ歯垢を除去するためのシャフトに取外し可能に結合するように構成することができる。窓を、歯ブラシ組立体に設けられた複数の歯ブラシ用毛材に隣接して歯ブラシ組立体に位置付けしてもよい。また、窓は、シャフト上に配置されたサブシステムに位置合わせされ、それによって、励起信号及び放出された蛍光が、この窓を通過可能となるようにすることができる。
【００１１】
放出された蛍光の１つ又は複数の特性は、放出された蛍光に関連する位相シフト及び放出された蛍光の振幅とすることができる。制御装置は、放出された蛍光の位相シフト及び／又は放出された蛍光の振幅及び／又は蛍光の時間減衰特性を分析するように構成された１つ又は複数の制御アルゴリズムを含むことができる。時間領域の及び周波数領域の解析法が制御アルゴリズム（複数可）によって利用され、放出された蛍光の位相シフト及び振幅を決定することができる。
【００１２】
本開示の一態様は、歯科用装置を提供する。歯科用装置は、ハンドル、及び内部に収容された電池、モータ、制御装置を含んでおり、このハンドルは、ハンドルから遠位方向に延びるシャフトを含む。歯ブラシ組立体が、シャフトに取外し可能に結合するように構成される。サブシステムは、制御装置と動作可能に通信しており、且つ周波数変調励起信号又は時間変調励起信号を発生して、放出された蛍光をサブシステムに及び制御装置に反射して戻し、放出された蛍光の１つ又は複数の特性を分析するように構成される。１つ又は複数の特性は、放出された蛍光の減衰時間に対応しており、プラークから放出された蛍光が、歯から放出された蛍光よりも速く減衰する。制御装置は、検出された放出蛍光を分析して、放出された蛍光が、プラークから放出された蛍光の減衰時間又は歯から放出された蛍光の減衰時間を示しているかを判定し、歯垢の存在を検出するようにプログラムされる。
【００１３】
周波数変調励起信号は、単一の周波数及び／又は複数の周波数で提供される。サブシステムは、発光ダイオード、レーザーダイオード、ＶＣＳＥＬ、フィルタ、光検出器、撮像センサ、増幅器、発振器、ミキサ、ビームスプリッタ、及びアナログ／デジタル変換器を含んでもよい。フィルタは、光学的蛍光励起クリーンアップフィルタでもよく、発振器は、単一周波数又はマルチ周波数変調発振器でもよく、ビームスプリッタは、ダイクロイック・ビームスプリッタでもよい。サブシステムは、約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚ範囲の周波数で放出された蛍光を検出するように構成することができる。キャリブレーション・モジュールが、患者の歯に関連する位相遅延及び周波数依存性ゲインを較正するような制御装置と動作可能に通信することができる。
【００１４】
窓を、歯ブラシ組立体に設けられた複数の歯ブラシ用毛材に隣接して歯ブラシ組立体に位置付けすることができる。また、この窓は、シャフトに配置されたサブシステムに位置合わせされ、それによって、励起信号及び放出された蛍光が、この窓を介して通過可能となるようにすることができる。
【００１５】
放出された蛍光の１つ又は複数の特性は、放出された蛍光に関連する位相シフト及び放出された蛍光の振幅とすることができる。制御装置は、放出された蛍光の位相シフト及び放出された蛍光の振幅を分析するように構成された１つ又は複数の制御アルゴリズムを含むことができる。制御アルゴリズム（複数可）によって、時間領域の及び周波数領域の解析法が利用され、放出された蛍光の位相シフト及び振幅を決定することができる。
【００１６】
本開示の態様は、歯垢及び歯質脱灰のいずれかを歯の部位で検出する方法を提供する。周波数変調励起信号が、最初に、患者の口腔内に放射される。その後、放出された蛍光が検出される。放出された蛍光の１つ又は複数の特性を分析して、歯垢の存在を検出する。ここで、プラークから放出された蛍光が、歯から放出された蛍光よりも速く減衰する。そして、検出された放出蛍光を分析して、放出された蛍光が、プラークから放出された蛍光の減衰時間又は歯から放出された蛍光の減衰時間を示しているかを判定し、歯垢の存在を検出する。
【００１７】
励起信号を単一の周波数及び／又は複数の周波数で周波数変調することができる。放出された蛍光を、約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚの範囲の周波数で検出することができる。放出された蛍光の位相シフト及び振幅特性を分析することができる。時間領域の及び周波数領域の解析法を利用して、放出された蛍光の位相シフト及び振幅を分析することができる。
【００１８】
歯科用装置は、光放射、検出及び分析を行うために提供することができる。歯科用装置には、電池を含むハンドルが設けられており、この電池は、ハンドル内に収容されたモータ、制御装置及びサブシステムを含む歯科用装置に電力を供給するように構成されており、サブシステムは、ハンドルから遠位方向に延びるシャフト内に収容されている。
【００１９】
サブシステムは、発光ダイオード、レーザーダイオード、フィルタ、光検出器、撮像センサ、増幅器、発振器、ミキサ、ビームスプリッタ、及びアナログ／デジタル変換器を含んでもよい。光学的蛍光励起クリーンアップフィルタ、単一周波数又はマルチ周波数変調発振器、及びダイクロイック・ビームスプリッタを利用することができる。歯に関連する位相遅延及び周波数依存性ゲインは、制御装置と動作可能に通信するようなキャリブレーション・モジュールを介して較正することができる。
【００２０】
歯をブラッシングし及び／又は歯垢を除去するためのシャフトに取外し可能に結合するように構成された歯ブラシ組立体を提供することができる。複数の歯ブラシ用毛材に隣接する歯ブラシ組立体に位置付けされる窓を、歯ブラシ組立体に設けてもよい。この窓は、シャフトに配置されたサブシステムに位置合わせされ、それによって、励起信号及び放出された蛍光が、この窓を介して通過可能となるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１Ａは、本開示の実施形態に係る歯科用装置の正面図である。図１Ｂは、本開示の実施形態に係る歯科用装置の側面図である。
【図２】図１Ａ及び図１Ｂに示される歯科用装置の制御装置及びサブシステムを示すブロック図である。
【図３】本開示の別の実施形態に係る歯科用装置の制御装置及びサブシステムを示すブロック図である。
【図４】歯垢を検出する方法を示すフローチャートである。
【図５】異なるサンプルに関連する歯のエナメル質及び脱灰したヒトエナメル質の変動を示す異なる歯のサンプルから得られた測定値のグラフである。
【図６】健全なエナメル質と脱灰エナメル質とのグラフであり、このグラフには、４５ＭＨｚの変調周波数で両方のエナメル質の間の差分ベクトルが示されている。
【図７】健全なエナメル質と脱灰エナメル質との間の差分ベクトルのグラフである。
【図８】本開示の実施形態に係る脱灰及び／又は虫歯を検出する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示の態様は、以下の図を参照してより良く理解することができる。図中の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに本開示の原理を明確に説明するために強調されることがある。また、図面において、同様の参照符号が、いくつかの図を通して対応する部品を指し示す。
【００２３】
本発明は、１つ又は複数の歯の異常を検出するために１つ又は複数の出力レベルの励起光を利用して、歯の異常を除去できるような様々な装置及び方法の実施形態を説明している。具体的には、歯科用装置、例えば電動歯ブラシは、周波数変調された励起光を提供するように構成されており、放出された蛍光が歯科用装置に反射して戻されるように構成され、放出された蛍光の減衰時間に対応するような放出された蛍光の１つ又は複数のパラメータが分析される。その後、１つ又は複数のパラメータを利用して、例えば歯垢、歯のエナメル質の脱灰、虫歯等の歯の異常の存在を検出する。歯垢が検出されると、次にこの歯科用装置を利用して、その歯垢を除去することができる。
【００２４】
図１Ａには、歯垢を検出するように構成されたシステム２が示されている。システム２は、様々なハンドヘルド式歯科用具と一緒に使用するように構成することができる。図示される実施形態では、システム２は、多目的用途の歯科用装置４（例えば、電動歯ブラシと歯垢検出器との組合せ）の形態である。歯科用装置４は、電池８と電動モータ１０とを収容するように構成された適切な構成のハンドル６を含む。電源ボタン又はスイッチ１２（図１Ｂ）が、ハンドル６に設けられており、且つ押下されたときに、歯科用装置４に電力を供給するための電池８、及び例えば電動モータ１０、制御装置２０等のこれらに動作可能に関連する構成要素に動作可能に結合している。適当な構成の複数の歯ブラシ用毛材１４が、歯ブラシ組立体１６に設けられており、この組立体は、１つ又は複数の結合方法、例えばクリップ（明確に図示せず）を介して、ハンドル６から遠位方向に延びるシャフト１８に着脱可能に結合するように構成されている。
【００２５】
図２は、歯科用装置４に設けられる制御装置２０とサブシステム２２との実施形態を示すブロック図である。サブシステム２２は、周波数変調された励起光、例えば青色光、赤色光等の様々な出力強度及び波長を生成、放射及び／又は検出することができる任意の適切な電気的及び／又は非電気的構成要素を含んでもよい。サブシステム２２は、限定するものではないが、例えば１つ又は複数の光源３０、光検出器３４、ロックイン増幅器３６、発振器３８、ビームスプリッタ４０、及び光学部品２８を含んでもよい。
【００２６】
光源３０は、任意の適切な光源とすることができる。図２に示される実施形態では、光源３０は、１つ又は複数の発光ダイオード３０、例えば複数の発光ダイオード３０（ＬＥＤ３０）の形態である。発光ダイオード３０は、１つ又は複数の適切な波長の光を生成又は放射するように構成することができる。本開示によれば、例えば、４０５ナノメートル（ｎｍ），４４０ｎｍ，４７０ｎｍ及び／又は４８０ｎｍの波長を有する光（全ての可視光、例えば、青色光）が、本明細書で説明する目的に適していることが明らかとなった。特に、可視光スペクトル範囲内の光が、例えば紫外線、赤外線等の他の波長の光を口の中で使用した場合の安全性と、このような紫外線、赤外線等の波長の光を利用することに起因する特有のコストとを考慮して選択された。例えばダイオードレーザー等の他の光源や異なる波長を利用してもよい。
【００２７】
光検出器３４は、歯のエナメル質上の歯垢の存在を検出するように構成される。具体的には、光検出器３４は、歯質材料に及び／又は歯垢に関連して放出された蛍光を検出し、検出された放出蛍光の光子を電気信号に変換するように利用され且つ構成され、この電気信号は、以下で詳細に説明する処理のために制御装置２０に送信される。
【００２８】
本開示によれば、光検出器３４は、約１０Ｈｚ〜約１０ＧＨｚ範囲の周波数で歯質材料及び／又は歯垢に関連して放出された蛍光を検出するように構成することができる。特定の一実施形態では、例えば、周波数は、約１ＭＨｚ〜約１０ＧＨｚの範囲としてもよい。別の実施形態では、周波数は、約１０Ｈｚ〜約１００ＭＨｚの範囲としてもよく、この特定の実施形態を利用して、信号を、歯質材料の放出された蛍光の減衰特性に関するノイズに最適化することができる。あるいはまた、実施形態では、撮像センサ（明確には示さず）を、光検出器３４の代わりに利用してもよい。この特定の実施形態では、画像処理を利用して、ピクセル強度を、何時歯垢が検出されたかを判定するために使用される形式（フォーム）に変換することができる。光検出器３４及び撮像センサは、両方とも、前述した歯質材料及び／又は歯垢に関連して放出された蛍光を検出するのに適しているが、簡素化した光検出器３４によって、それら光検出器３４及び撮像センサを本明細書で説明する目的のために最適化する。理解されるように、歯科用装置４は、光検出器３４と撮像センサとの組合せを含んでもよい。
【００２９】
様々な波長の励起光及び／又は望ましくないバックグラウンド放射から光検出器３４を遮蔽するために、光学フィルタ（明確に図示せず）を光検出器３４に取り付けてもよい。加えて、光検出器３４は、例えばレンズ、複合放物面集光器、又はこれら両方の組合せ等の１つ又は複数の集光光学系及び集束光学系を含んでもよい。
【００３０】
ビームスプリッタ４０は、周波数変調された励起光を歯に向けて導くとともに、より長い波長を有する放出された蛍光を光検出器３４に向けて反射するために利用される。従って、ショートパス特性を有するダイクロイック・ビームスプリッタが、この目的のために利用される。あるいはまた、ビームスプリッタ４０を使用する代わりに、我々は、二つの光路を使用してもよく、一方が励起光用光路であり、他方が検出用光路である。これは、例えば歯科用装置４の設計変更に対応するための特定の実施形態において有利である。
【００３１】
オプションのフィルタ３２が設けられており、このフィルタを利用して、歯又は光検出器３４に到達する望ましくない任意の波長の光（例えば、紫外光）を遮断することができる。図示される実施形態では、例えば、フィルタ３２は、狭帯域通過フィルタである。フィルタ３２は、異なる波長及び／又は出力強度の光に対応するために、及び／又は異なるフィルタ処理の結果を達成するために、他の構成で配置してもよい。
【００３２】
発振器３８は、任意の適切な発振器とすることができる。図示される実施形態では、発振器３８は、発光ダイオード３０に作動可能に結合されており、且つ発光ダイオード３０を駆動して、これら発光ダイオード３０が、周波数変調励起光又は信号を生成する又は放射するように構成されている。周波数変調励起信号は、単一周波数又はマルチ周波数で同時に放射することができる。マルチ周波数は、複数の離散周波数（又は一緒に混合される）として実施され、且つユーザの口の中で潜在的に干渉する材料、例えば複合充填材を区別するように使用することができる。
【００３３】
ロックイン増幅器３６は、発振器３８及び光検出器３４からの入力信号を受信し、且つ検出された放出蛍光に対応する対応信号を制御装置２０に出力するように構成される。具体的には、発振器３８は、基準周波数（例えば、周波数変調された励起信号の周波数）をロックイン増幅器３６を供給する。ロックイン増幅器３６は、この基準周波数を利用して、不要部分、例えば光検出器３４から受信した信号のノイズを除去し、且つ処理するために必要な信号の残りの部分を制御装置２０に通信する。本質的には、ロックイン増幅器３６は、位相検波器として機能する。理解されるように、他の増幅器及び／又は信号処理装置を、本明細書で説明する目的のために利用してもよい。
【００３４】
サブシステム２２は、複数の歯ブラシ用毛材１４が配置される場所に隣接して歯ブラシ組立体１６を介して放射された周波数変調励起信号によって歯質材料（場合によって歯茎）を照射するように構成されている。この目的を考慮に入れて、適切な構成の光学窓２４（図１Ａ及び図１Ｂ）が、複数の歯ブラシ用毛材１４に隣接して歯ブラシ組立体１６に設けられており、且つ光がサブシステム２２によるその検出のために通過できるように構成される。特に、歯ブラシ組立体１６が、シャフト１８に結合されるときに、窓２４が、ＬＥＤ３０や、光検出器３４、増幅器３６、発振器３８、ビームスプリッタ４０、及び光学部品２８を含むサブシステム２２に位置合わせされ、それによって、発光ダイオード３０から発生した周波数変調励起信号が、窓２４を介して放射され、反射光（例えば、歯質材料及び／又は歯垢から放出された蛍光）が、窓２４介して再び透過し、光検出器３４によって検出される。
【００３５】
再び図１Ａを参照すると、歯科用装置４は、（図２に最も良く確認されるような）サブシステム２２と通信する制御装置２０（例えば、マイクロプロセッサ）を含んでおり、そのサブシステムは、光、例えば周波数変調励起信号を生成し且つ放射し、及び歯質材料及び歯垢に関連して放出された蛍光を検出するように構成される。制御装置２０は、プロセッサ、マイクロ制御装置、システムオンチップ（ＳｏＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等とすることができる。集合的に、本明細書で説明する様々な機能及び動作を実行するような、プロセッサ、マイクロ制御装置、ＳｏＣ、及び／又はＦＰＧＡを含み得る１つ又は複数の構成要素は、例えば特許請求の範囲に記載されるような制御装置２０の一部とすることができる。制御装置２０は、単一のプリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装することができるような単一の集積回路（ＩＣ）チップとして設けることができる。あるいはまた、例えばプロセッサ、マイクロ制御装置等を含む制御装置２０の様々な回路構成素子が、１つ又は複数の集積回路チップとして設けられる。つまり、様々な回路素子を、１つ又は複数の集積回路チップ上に配置することができる。
【００３６】
制御装置２０は、サブシステム２２と通信しており、且つ放出された蛍光の１つ又は複数の特性を分析するように構成される。図示される実施形態では、放出された蛍光の１つ又は複数の特性は、放出された蛍光に関連する位相シフト及び／又は放出された蛍光の振幅とすることができる。
【００３７】
本開示によれば、位相シフト（及び／又は振幅）は、放出された蛍光の減衰時間に相関付けされ、歯垢の存在を検出するために利用される。具体的には、実証的検定によって、検出された放出蛍光の位相シフト（及び／又は振幅）と蛍光の減衰時間との間に直接的な相関関係があることが明らかとなった。より具体的には、歯から放出された蛍光と歯垢から放出された蛍光とを比較した場合に、その表面に歯垢のない歯から放出された蛍光は、より緩やかに減衰する、すなわち、歯垢のある歯の方が、より速く減衰することを認識した。従って、歯垢のある歯から検出された放出蛍光は、歯垢のない歯から検出された蛍光の位相シフトと比較した場合に、特定の周波数範囲でより低い位相シフトを有することになる。低い周波数では、例えば、この位相シフトは、例えば歯垢のある歯／と歯垢のない歯の両方のケースについてゼロになる。非常に高い周波数では、これら両方の状況は、９０度の位相シフトを示す。これら両極端な周波数の間の周波数で、綺麗なエナメル質／象牙質の位相シフトは、プラークで覆われたエナメル質／象牙質のその位相シフトよりも大きくなる。換言すれば、より速い減衰時間（時間領域）は、周波数領域でのより低い位相シフトを意味する。同様の相関が、検出された放出蛍光の振幅に関して当てはまる。綺麗なエナメル質／象牙質の部位の蛍光の復調は、特定の変調周波数で、歯垢に覆われた同じ部位の蛍光の復調よりも大きくなる。前述したことによれば、制御装置２０は、時間領域の及び／又は周波数領域の解析法を利用して、放出された蛍光の位相シフト（及び／又は振幅）を分析するように構成された１つ又は複数の制御アルゴリズムを含む。この制御アルゴリズムは、１つ又は複数の変換式を利用して、位相シフト（及び／又は振幅）を計算することができる。例えば、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）及び／又はラプラス変換を利用して、検出された放出蛍光の位相シフト及び／又は振幅を計算することができる。
【００３８】
システム２の動作は、周波数領域で歯垢を検出する方法１００の観点から説明されている。歯科用装置４は、最初に、ユーザの口の中に位置付けされる。歯科用装置４の電源が投入されると、複数の歯ブラシ用毛材１４が、従来の方法で回転され、周波数変調励起信号が、発光ダイオード３０から放射され（図４のステップ１０２参照）、放出された蛍光が光検出器３４に反射して戻る（図４のステップ１０４参照）。
【００３９】
その後、制御装置２０は、ロックイン増幅器３６から出力信号を受信する。制御アルゴリズムによって、前述した１つ又は複数の変換式が利用され、検出された放出蛍光の位相シフト（及び／又は振幅）が計算される。制御装置２０は、閉ループフィードバックを利用して、検出された放出蛍光の位相シフトの存在を連続的にモニタし、全ての歯垢が歯の部位から除去されることを保証する。実施形態では、歯科用装置４には、例えば音声、視覚等の１つ又は複数の表示装置（明確に図示せず）が備え付けられてもよく、この表示装置は、歯の特定の部位がクリーニングされた場合に、その表示をユーザに与えるように構成される。そのような表示の後に、次に、ユーザは、その歯の別の部位又は次の歯に移動することができる。理解されるように、これによって、ユーザのブラッシング時間全体を短縮することができ、及び／又はより良好な、より意識した日々のブラッシングを行うこともできる。
【００４０】
前述したプロセスは、ブラッシングされている現在の歯の歯垢レベルを連続的に測定するために繰り返される。歯科用装置４は、多種多様な方法で、例えばハンドル８上の１つ又は複数のＬＥＤ（明確に図示せず）を点灯することによって、歯垢の存在をユーザに伝えることができる。
【００４１】
歯科用装置４は、自分の歯から歯垢が除去された場合及び歯垢が完全に除去された場合にユーザに通知しながら、このユーザが自分の歯を綺麗にするのに役立つ。また、歯科用装置４は、ブラッシング中にリアルタイムで歯垢に関する情報を提供する。歯科用装置４は、高電圧を利用し且つ従来の歯垢除去装置に典型的に関連するような上述した容積が嵩張り且つ高価な部品を使用することなく、前述した歯のクリーニングを達成する。
【００４２】
前述したことから及び種々の図面を参照して、当業者は、特定の改変がまた、本開示の範囲から逸脱することなく本開示に対して行い得ることも理解するであろう。例えば、いくつかの実施形態では、サブシステム２２をハンドル８内に組み込んで、シャフト１８を交換可能にしてもよい。この例では、周波数変調励起信号が、歯ブラシ組立体１６に送達され、放出された蛍光が、光ファイバ（明確に図示せず）を介しては光検出器３４及び制御装置２０に反射して戻される。また、この実施形態では、１つ又は複数の光ガイド（明確に図示せず）が、歯科用装置４に設けられており、この光ガイドは、窓２４との間で光を導くように構成することができる。
【００４３】
図２に示される実施形態では、制御装置２０及びサブシステム２２は、アナログ領域で機能するように構成される。実施形態では（例えば、図３参照）、しかしながら、発振器３８及び／又はロックイン増幅器３６は、デジタル領域で実行される。この特定の実施形態では、デジタル実装を、制御装置２０に、例えばアナログ・ヘテロダイン段階に含めて、信号をアナログ−デジタル変換に適した中間周波数帯にダウンコンバートしてもよい。具体的には、各周波数変調励起信号について、発振器３８（例えば、デジタル発振器）は、出力がアナログ−デジタル変換器４６の周波数範囲に収まるように、ミキサ４２に小さなオフセットの周波数変調励起信号を生成する。その後、残りの全ての信号処理が、上述した方法に従ってデジタルで行われる。
【００４４】
また、多数の蛍光測定が必要とされる場合において、発振器３８及びＬＥＤ３０は、多数の周波数に亘って同時に蛍光の検出を可能にするような最大長シーケンス(maximum  length  sequence)を生成して放射するように構成することができる。この場合、制御装置２０は、１つ又は複数のアナログ／デジタル変換器４６と、別個の周波数応答を抽出する及び／又は別個の周波数応答をインパルス応答に変換するように構成された適切なデジタル処理ユニット（明確に図示せず）とを含むことができる。
【００４５】
さらに、前述した歯科用装置４について、周波数領域の計算を利用して、上述した結果を達成するように説明してきたが、時間領域の計算を利用して、上述した結果を達成することが、本開示の範囲内にある。この例で理解されるように、１つ又は複数の改変を、歯科用装置４及び／又はこの装置に動作可能に関連する構成要素に行ってもよい。例えば、この特定の実施形態では、光源（複数可）３０は、パルス化してもよい。
【００４６】
知られているように、ヒトエナメル質の減衰寿命(lifetime  decay)データには特定の変動が存在する。上述した歯科用装置４は、実際の減衰時間の決定に依存していないが、実際の減衰時間の変動は、有用な信号範囲に制限することができる。これにより、各ユーザ個々人の歯質材料のキリーニングされた部分で歯科用装置４を較正することは有用であろう。この目的のために、キャリブレーション・モジュール４４（図１Ａ）が、制御装置２０と動作可能に通信され、且つ歯科用装置４を較正するように構成することができる。理解されるように、この較正によって、信号範囲を最大にすることができる。具体的には、クリーニングした歯で全ての位相遅延及び周波数依存性ゲインを較正することにより、上述した分析は、検出される歯垢量のより正確な測定値を提供する。
【００４７】
上述したように、歯科用装置４は、他の歯の異常を検出するために利用してもよい。例えば、図５を特に参照して、４５．４３ＭＨｚでの異なるサンプル、例えばウシの歯のエナメル質、ヒトの歯のエナメル質及び脱灰の影響を受けたヒトエナメル質のサンプルからの歯のエナメル質の極座標プロット(polar  plot)での測定結果が、示されている。具体的には、検出された蛍光特性は、Ｍｓｉｎ（Φ）対Ｍｃｏｓ（Φ）（例えば、９０°位相がシフトされた成分対応答の同相部分）としてプロットされている。本開示によれば、ｘ軸と所定の周波数での位置との間の角度である位相角と原点からの距離が、応答の大きさを提供する。
【００４８】
本開示によれば、健康な歯に対応する信号（例えば、第１の基準信号）と、脱灰の影響を受けた歯に対応する信号（例えば、第２の基準信号）とに関連するデータが、特定の周波数で、これらの信号の差を説明する（図６）ために極座標プロット(polar  plot)としてプロットされている。本開示によれば、極座標プロットを利用して、周波数領域の蛍光データから脱灰エナメル質の存在が抽出される。具体的には、Ｍｓｉｎ（Φ）対Ｍｃｏｓ（Φ）のプロット（例えば、９０°位相がシフトされた成分対応答の同相部分）が抽出され、ここでＭは、正規化された放出変調(emission  modulation)であり、Φは、励起信号に対する蛍光放出の位相遅延である。このグラフから明らかなように、単一の（又は限られた数の変調周波数）での測定は、例えば脱灰による白斑病変の存在を検出するのに十分である。
【００４９】
図６には、脱灰の影響を受けた歯と、脱灰を受けていない歯、すなわち健全な表面を有する歯とが示されており、部分的な脱灰を受けた場合の歯の予測が、低脱灰範囲が、健康な歯の位置の近くにある状態で、ラインＡ−Ａ’に沿って位置されている。こうして、脱灰の程度の測定は可能であり、提供されるラインＡ−Ａ’の終点が知得されている。
【００５０】
本開示によれば、全周波数領域データを分析して、最適な変調周波数を決定した。具体的には、図７を参照して、最適な変調周波数は、約２５ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内であると決定された。このデータと図５及び図６から得たデータとから、白斑病変の存在が、（例えば、限定されるものではないが、２５ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲における）単一の変調周波数結果から健全なエナメル質の中心における対応する周波数ポイントまでの距離に基づくことが明らかとなる。
【００５１】
理解されるように、図５〜図７から収集されたデータも歯垢で覆われた歯に相関付けることもできる。
【００５２】
システム２の動作は、虫歯及び／又は脱灰を検出する方法２００の観点から説明されている。歯科用装置４は、最初に、ユーザの口の中に位置付けされる。
【００５３】
その後、複数の歯ブラシ用毛材１４が、従来の方法で始動され且つ回転され、周波数変調励起信号が、ＬＥＤ３０から放射され、放出された蛍光が、光検出器３４に反射して戻される（図８のステップ２０２を参照）。これは、歯磨き粉の泡で覆われた歯や歯磨き粉の泡のない歯で実現することができる。
【００５４】
その後、制御装置２０は、ロックイン増幅器３６から出力信号を受信する。制御アルゴリズムによって、上述した１つ又は複数の変換式が利用され、検出された放出蛍光の位相シフト（及び／又は振幅）が計算される（図８のステップ２０４及び２０６参照）。制御装置２０は、閉ループフィードバックを利用して、検出された放出蛍光の位相シフトの存在を連続的にモニタし、歯の部位での脱灰に関連する白斑病変を検出する。
【００５５】
実施形態では、歯科用装置４には、例えば音声、視覚等の１つ又は複数の表示装置（明示せず）が備え付けられており、この表示装置は、虫歯及び／又は脱灰発症の表示をユーザに与えるように構成されている。
【００５６】
上述したプロセスは、ブラッシングされる現在の歯の虫歯及び／又は脱灰のレベルを連続的に測定するために繰り返される。歯科用装置４は、多種多様な方法で、例えばハンドル８に設けられた上述したもう１つのＬＥＤを点灯することにより、虫歯及び／又は脱灰の存在をユーザに伝えることができる。
【００５７】
歯科用装置４は、ブラッシング中にリアルタイムで虫歯及び／又は脱灰に関する情報を提供する。さらに、脱灰が検出された場合に、ユーザは、フッ化組成物(fluoride  regiment)（又は他の適切な組成物）処理を開始して、歯の再石灰化を開始することができ、その後、健全なエナメル質を有する歯を復元することができる。歯科用装置４は、高電圧を利用し且つ従来の虫歯及び／又は脱灰装置に典型的に関連するような上述した容積が嵩張り且つ高価な部品を使用することなく、前述した歯の再石灰化を達成する。
【００５８】
本開示のいくつかの実施形態が、図面に示されているが、この開示が、これらの図面の実施形態に限定されることを意図したものではなく、本開示は、当業者が行い得る広範な範囲を含み、及び同様に本明細書を理解することによって行い得る広範な範囲を含むことが意図されている。従って、上述した説明は、限定として解釈すべきではなく、単に特定の実施形態の例示として解釈すべきである。当業者は、添付の特許請求の範囲及び精神内で他の改変を想定するだろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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