УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТА ОБЪЕКТОВ В СТОМАТОЛОГИИ

Изобретение относится к стоматологии и может быть использовано для объективного определения цвета твердых тканей зуба, пломбировочного материала и пломб.
Цель изобретения - повышение точности определения цвета объектов.
Из уровня техники известно устройство для подбора цвета зубных протезов, которое состоит из основания, выполненного в виде оптического световода в форме фокона с торцами 2 и 3, при этом эталоны цветовой шкалы нанесены на торцах по периметру фокона. Устройство используют следующим образом. Фокон прикладывается торцом 2 или 3 к поверхности зуба и на его выходном торце высвечивается в центре цвет зуба, точнее его изображение в цвете, а по окружности торца, то есть вокруг изображения зуба, располагаются эталоны цветовой шкалы. Устройство обеспечивает ускорение подбора цвета зубных протезов благодаря совмещению всей цветовой шкалы с естественным зубом на одном экране при выставлении фокона на определенный зуб. При этом подбор цвета упрощается и имеет место повышение точности за счет увеличения яркости, четкости изображения [1].
Авторы отмечают, что если к зубу прижимают меньший по диаметру торец 2 фокона, то на выходе изображение увеличено во столько раз, во сколько больший по диаметру торец больше меньшего. При этом цветопередача уменьшается при приложении к зубу большего торца фокона, но резкость, четкость изображения и цветность резко увеличиваются.
Данное замечание основано на субъективном впечатлении и указывает на то, что при использовании данного устройства оценка качественных показателей цвета зависит от физиологических особенностей зрения наблюдателя, его опыта колориметрических наблюдений, а также условий наблюдения и сравнения [2].
Кроме того, необходимо добавить, что при изменении или расширении
гаммы цветов эталонов шкалы зубных протезов необходимо изготавливать новое устройство и на торцах по периметру фокона наносить эталоны цветовой шкалы.
Известен способ для подбора цвета зубных протезов и устройство для его реализации [3]. Способ заключается в сопоставлении эталона цветовой шкалы с поверхностью исследуемого зуба.
Устройство для его реализации содержит оптиковолоконный световод с нерегулярным расположением волокон, концы которого произвольно разделены на две части: входные и выходные торцы. Входной торец присоединен к источнику света, к входному (обзорному) торцу присоединен объектив. Выходные торцы подводятся соответственно к эталону цветовой шкалы и исследуемому зубу. Кроме того, между источником света и входным торцом помещен светофильтр.
Отраженный от эталона цветовой шкалы и исследуемого зуба световой поток образует в объективе устройства двухцветную мозаику, которую переводят в однородную цветовую картину, меняя эталоны цветовой шкалы. Контроль подбора цвета осуществляют, освещая эталон световой шкалы и зуб световым потоком с другой, ступенчато изменяемой длиной волны.
В основе этого устройства лежит способ визуальной оценки цвета и, как следствие, низкая точность и, главное, субъективность оценки цвета объекта.
Также, недостатком устройства является то, что получаемые результаты действительны только для конкретно поставленной задачи - подбора цвета зубных протезов.
Наиболее близким по техническому решению и реализуемым функциям (прототипом) является устройство, описанное в [4].
Способ определения цвета объектов и устройство для его осуществления [4] заключается в подаче излучения для освещения поверхности объекта коаксиально относительно приемного световода, входное окно которого перед освещением поверхности объекта устанавливают непосредственно на
поверхности объекта и регистрации на выходе приемного световода излучения, по параметрам которого судят о цвете объекта.
Способ реализуется с помощью устройства, которое содержит осветительный блок с выходным окном, блок регистрации излучения, подключенный выходом к блоку управления и обработки сигналов, выход которого подключен к входу осветительного блока, приемный световод, выходное окно (оптический выход) которого оптически связано с входом блока регистрации излучения.
Выходное окно осветительного блока выполнено в виде цилиндра из оптически прозрачного материала, внутри которого установлен приемный световод. Высота цилиндра (толщина окна) должна быть, по крайней мере, более одного ее диаметра. Торец цилиндра со стороны выхода излучения матируется.
Блок управления и обработки сигналов содержит узел выборки-хранения аналогового сигнала, микроконтроллер, цифровой индикатор и электрическую кнопку запуска. При этом одна часть микроконтроллера через балластные резисторы подключена к группам светодиодов осветительного блока, вторая часть выходов - к входам индикатора. Аналоговый вход микроконтроллера через узел выборки-хранения подключен к выходу блока регистрации излучения. Кнопка запуска подключена к входу запуска микроконтроллера.
В данном устройстве для исключения механического повреждения входного окна приемного световода при установке его на поверхности объекта при определении его цвета применяется оптически прозрачный защитный колпачок. При установке колпачка допускается зазор между дном колпачка и входным окном приемного световода до 5 мм с учетом толщины дна колпачка. Кроме того, в дне колпачка может быть сквозной канал.
Для повышения механической прочности приемного световода и исключения проникновения в него излучения со стороны выходного окна он устанавливается в твердую оптически непрозрачную трубочку.
Устройство работает следующим образом. Вначале устанавливают защитный колпачок. Если поверхность объекта прозрачная, то колпачок устанавливают без зазора относительно входного окна световода. Если же поверхность шероховатая или матовая, то колпачок устанавливают с зазором, не превышающим 5 мм (с учетом толщины колпачка). При необходимости регистрации слабых цветовых оттенков применяется колпачок со сквозным отверстием в дне (при этом снижается уровень паразитного сигнала, который вызван отражением светового сигнала, поступающего с выходного окна на дно колпачка при установке последнего с зазором). Далее выходное окно приемного световода, защищенное колпачком, устанавливают на поверхность объекта в исследуемой точке. Нажимают кнопку запуска.
При этом на управляющий вход узла выборки-хранения с выхода микроконтроллера поступает сигнал, по которому на выходе узла запоминается напряжение, обусловленное начальными смещениями в блоке управления и обработки сигналов и узле выборки-хранения. Далее это напряжение преобразуется аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера в цифровой код, который затем заносится в оперативную память микроконтроллера.
После этого, с одного из выходов микроконтроллера на одну из групп элементов излучения поступает электрический импульс (импульс «подсвета»), вызывающий свечение этих элементов. Световой сигнал с группы элементов проходит выходное окно, которое представляет собой некогерентный световод, создающий равномерное и коаксиальное распределение плотности мощности световых потоков на наружной своей грани. Матовость на этой грани и использование нескольких одноцветных элементов излучения, установленных с одинаковым угловым смещением относительно друг друга на противоположной грани окна, обеспечивает равномерность распределения спектральной плотности мощности излучения на поверхности объекта. Сформированное излучение далее поступает на объект. Авторы устройства считают, что так как приемный световод выступает из выходного окна не менее чем на величину диаметра окна, то углы падения пучков излучения на
поверхность объекта не превышают 25°.
Часть светового потока, рассеянного во внутренней среде объекта, попадает во входное окно приемного световода, проходит этот световод и поступает на вход блока регистрации излучения. В конце импульса подсвета выходной сигнал блока запоминается в узле выборки-хранения, затем преобразуется в цифровой код, который запоминается в оперативной памяти микроконтроллера.
В блоке регистрации излучения устройства применены три фотоприемника с установленными на их оптических входах разными светофильтрами, спектрально избирательными соответственно в области «голубого», «зеленого» и «красного» спектров пропускания.
Авторы указывают, что цвет объекта может быть описан по-разному в зависимости от используемой цветовой системы, например виде координат цвета X, Y, Z. При этом конечный результат измерения представляется в виде совокупности трех функций X, Y, Z пропорциональных в свою очередь соответствующим функциям F1, F2, F3, которые описываются в виде таблиц, определяемых и заносимых в постоянную память микроконтроллера при калибровке по эталонным образцам. Причем за значения X, Y и Z принимаются те значения табличных функций F1, F2 и F3 для которых их табличные значения оказываются наиболее близкими измеренным значениям для данного исследуемого объекта.
Достоинством устройства - прототипа является возможность представить цвет в виде координат. При этом используется световой поток, отраженный от поверхности объекта.
Однако, несмотря на отмеченное достоинство, устройству - прототипу присущи недостатки.
Дело в том, что поверхность зуба представляет собой поверхность сложного рельефа, которая формирует спектр отражения, имеющий зеркальную и диффузную составляющие. Кроме того, эмаль зуба является
прозрачной для видимого света [5] и световой поток частично рассеивается и поглощается в объеме эмали.
Однако, часть светового потока, прошедшая через нее попадает на дентин, который в свою очередь диффузно его отражает. Так что в формировании цвета поверхности зуба участвует световой поток отраженный зеркально и диффузно от поверхности зуба и диффузный световой поток вышедший из объема эмали [6].
К недостаткам следует отнести сложность конструкции выходного окна осветительного блока, которое выполнено в виде цилиндра из оптически прозрачного материала с матированным торцом и определенными геометрическими размерами, в котором установлен приемный световод.
Устройство выходного окна не удовлетворяет рекомендациям Международной комиссии по освещению, которые определяют условия определения цвета поверхности сложного рельефа [7].
Еще одним недостатком, существенно влияющим на результат измерения, является различие в приемах установки выходного окна осветительного блока на исследуемую поверхность:
- световод устанавливают непосредственно на поверхность исследуемого объекта тогда, когда поверхностный слой объекта прозрачный (не матовый), а следовательно, рассеянный на нем световой сигнал слабый и им можно пренебречь,
- световод устанавливают на расстоянии (не более 5 мм) тогда, когда поверхностный слой объекта матовый или шероховатый, следовательно, поступающий на входное окно приемного световода рассеянный этой поверхностью световой сигнал (этот сигнал также несет информацию о цвете объекта) оказывается соизмеримым с рассеянным внутри объекта.
Определение степени прозрачности или матовости объекта оставляется авторами [4] стоматологу и, следовательно, является субъективным и вносит неопределенность в определение цвета.
Кроме того, в конструкции входного окна приемного устройства,
предусмотрено использование оптически прозрачного защитного колпачка применение которого авторы обуславливают гигиеническими требованиями, (хотя в стоматологии есть приборы, например лампа для полимеризации фотокомпозитов, многоразового использования, которые просто дезинфицируют [8]), причем, в зависимости от характера поверхности, который стоматолог определяет «на глаз» применяется защитный колпачок разного исполнения - со сквозным каналом или без такового.
В то же время, авторы указывают на то, что они провели экспериментальные исследования по определению цвета реальных зубов и выявили наличие погрешностей в измерении цвета, обусловленных проникновением во входное окно световода отраженного от поверхности объекта светового сигнала, который не несет информации о цвете объекта, поэтому вносит погрешность в результат измерения.
Очевидна зависимость результатов определения цвета объекта от применения защитного колпачка различного выполнения, характера исследуемой поверхности и операции установки выходного окна приемного световода на поверхность объекта в исследуемой точке.
Таким образом, совокупность перечисленных недостатков известных технических решений обуславливает низкую точность определения цвета объектов и их зависимость от субъективных факторов.
Задачей изобретения является разработка устройства определения цвета в стоматологии исключающего зависимость от субъективных факторов и характера поверхности.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве определения цвета объектов в стоматологии, содержащем осветительный блок с выходным окном, блок регистрации, блок обработки сигналов, приемный световод, согласно изобретению, выходное окно осветительного блока выполнено в виде фотометрического шара с тремя отверстиями, первое из которых является входным и служит для локализации фотометрируемой поверхности, второе служит для крепления выходного фланца передающего
гибкого световода, входной фланец которого оптически сопряжен с осветительным блоком, третье служит для крепления входного фланца приемного гибкого световода, выходной фланец которого оптически сопряжен с блоком регистрации, выход которого является входом блока обработки сигналов. Кроме того, с целью изоляции фотометрируемого участка от внешней засветки, входное отверстие фотометрического шара снабжено эластичным уплотнительным кольцом.
Такое выполнение функциональных узлов и их компоновка в конструкции устройства максимально исключает влияние субъективных факторов на определение цвета объектов в стоматологии и тем самым позволяет исключить связанные с этим вышеотмеченные отрицательные факторы, снижающие точность определения цвета.
При очевидной простоте конструкции выходного окна осветительного блока, выполненного в виде фотометрического шара, она обеспечивает изоляцию фотометрируемого участка объекта измерения от внешней засветки, локально освещает фотометрируемый участок, позволяет собрать весь световой поток, отраженный зеркально и диффузно от поверхности зуба, и световой поток вышедший из объема эмали, и, тем самым, исключить влияние качества поверхности на точность измерения.
Еще одним существенным преимуществом предлагаемого устройства является полное исключение влияния субъективных факторов на результаты измерений за счет единообразия установки выходного окна осветительного блока, выполненного в виде фотометрического шара, на объект измерения и одинаковости условий освещения как объекта измерения, так и фотоприемника, не зависимо от качества поверхности объекта измерения.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показана блок - схема устройства, на фиг.2 схематичный разрез выходного окна осветительного блока.
Работа устройства происходит следующим образом.
На фотометрируемый участок объекта измерения уплотнительным кольцом (Фиг.2. поз.1) входного отверстия (Фиг.2. поз.2) устанавливается фотометрический шар (Фиг.1. поз.2). При этом на фотометрируемую поверхность направляется освещающий световой поток из выходного фланца передающего гибкого световода (Фиг.2. поз.3), На внутренней сферической поверхности фотометрического шара (Фиг.2. поз.4), согласно его конструктивным особенностям, происходит смешение зеркальной составляющей и диффузной составляющей светового потока, отраженного от поверхности объекта и светового потока, вышедшего из объема эмали, которые участвуют в формировании цвета поверхности зуба [9]. Через входной фланец приемного гибкого световода (Фиг.2. поз.5) часть сформированного светового потока поступает на оптически сопряженный с выходным фланцем вход блока регистрации (Фиг.1. поз.0). Выходной сигнал блока регистрации поступает на вход блока обработки (Фиг.1. поз.4). Конечный результат измерения представляется в виде координат цвета и координат цветности фотометрируемой поверхности.
В рассматриваемом примере реализации устройства предусмотрена операция градуировки блока регистрации и блока обработки по световому потоку, полученному путем освещения образца поверхности изготовленного из молочного стекла МС-20. Такой образец в технике используется в качестве рабочего эталона при измерениях спектрального апертурного коэффициента отражения так как обладает свойства близкими к свойствам совершенного отражающего рассеивателя.
В начале работы проводят градуировочное измерение светового потока отраженного от поверхности рабочего эталона, значение которого заносится в память блока обработки сигналов. Затем, описанным выше образом, проводят измерение светового потока отраженного от исследуемой поверхности. Далее, для определения цвета исследуемой поверхности проводят обработку полученных результатов по алгоритму аналогичному описанному в [4].
2
2
2
Отличительной особенностью фотометрического шара, применяемого для стоматологических измерений, являются его сравнительно малые размеры - диаметр шара порядка 6 мм. Диаметр входного окна и диаметр отверстий для фланцев световодов 2 мм. При этом площадь поверхности шара составляет 113 мм, площадь входного окна 3 мм, суммарная площадь отверстий фланцев световодов около 6 мм. Суммарная площадь отверстий не превышает 10%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фотометрическим шарам [9].
На основе заявляемого изобретения был создан экспериментальный образец прибора.
После отладки и градуировки его работа была проверена на микрообразцах пломбировочного материала, выполненных из материалов [10], цвет которых был заранее определен независимыми измерениями.
Источники информации
1. А.с. СССР №1655482, кл. А 61 C 19/00, 1991. Бюл. №22.
2. Луизов А.В. Цвет и свет. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. - 256 с.
3. А.с. СССР №1750676, кл. А 61 C 19/04, 1992. Бюл. №28.
4. Патент РФ №2207528, кл. G 01 J 3/46, 2003.
5. Радлинский С. Реставрационные конструкции переднего и бокового зубов // ДентАрт 1996 №4 с.22-29.
6. Грисимов В.Н. Влияние оптической анизотропии дентина на эстетику зуба.
7. Д.Джадд, Г.Вышецки. Цвет в науке и технике. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 513 с.
8. Боровский Е.В. Терапевтическая стоматология / Е.В.Боровский. - М.: Медицинское информационное агентство, 2003. -
9. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). - 2-е изд., пере-раб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. 1983. - 272 с.
10. Борисенко А.В. Композиционные пломбировочные и облицовочные материалы в стоматологии / А.В.Борисенко, В.П.Неспрядько. - М.: Книга плюс. 2002, - 224 с.