DE102010040832A1

DE102010040832A1 - Zahnmedizinisches Diagnosegerät

Info

Publication number: DE102010040832A1
Application number: DE201010040832
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Specht Olaf; Prof. Dr.-Ing. habil. Behrend Detlef; Dr.-Ing. Schmidt Wolfram; Dipl.-Biol. Warkentin Mareike; Prof. Dr. med. dent. Ottl Peter; Prof. Dr.-Ing. habil. Schmitz Klaus-Peter
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: S&n Systemhaus fur Netzwerk- und Datentechnik De; S&n Systemnhaus fur Netzwerk- und Datentechnik De
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: DE102010040832B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein zahnmedizinisches Diagnosegerät mit einem Prüfkopf (10) zur Einbringung in den Mundraum eines Patienten, wobei im Prüfkopf (10) eine Ultraschall-Einheit (1) mit einer akustischen Linse (2) und eine optische Einheit mit mindestens einer optischen Linse (4) angeordnet sind und auf ein Verfahren, bei dem die aus den akustischen Signalen der Ultraschall-Einheit (1) gewonnenen Ultraschalldaten und daraus berechneten Bilddaten mit den optischen Daten der optischen Einheit durch Datenüberlagerung kombinierbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein zahnmedizinisches Diagnosegerät mit einem Prüfkopf zur Einbringung in den Mundraum eines Patienten. Die Vorrichtung und das Verfahren dienen zur nichtinvasiven Tiefendiagnostik dentaler Strukturen, zur Verlaufskontrolle zahnärztlicher Behandlungen, sowie zur Qualitätssicherung zahnärztlicher Maßnahmen.
Zahnfüllungen werden unter anderem dann notwendig, wenn Teile des Zahnes durch kariöse Defekte zerstört wurden. Mit Füllungen wird die ursprüngliche Form und Funktion des Zahnes wiederhergestellt, zudem soll einer Neubildung von Karies vorgebeugt werden.
Zahn und Füllung besitzen im Allgemeinen ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten. Bei direkt eingebrachten Füllungen, beispielsweise im kaufunktionellen Seitenzahngebiet, besteht das Problem, dass sich aufgrund von Temperaturwechseln durch heiße und kalte Getränke und Speisen thermisch induzierte Spannungen ergeben, die zu Randspalten zwischen Zahn und Füllung führen können. Durch die Randspalte wird Karies begünstigt.
Bei der zahnmedizinischen Untersuchung erfolgt die Diagnose von Randspalten und damit einhergehender Karies durch den behandelnden Arzt bislang taktil mittels einer dentalen Sonde. Außerdem erfolgt ein aufwändiges Abformen der Zahnoberfläche mittels Silikon und eine Auswertung des Abdrucks. Als bildgebendes Verfahren kommt das Röntgen des Kieferbereichs in Betracht.
Nachteilig bei der taktilen Untersuchung mit der dentalen Sonde oder beim Abformen der Zahnoberfläche ist, dass nur die Oberflächenbereiche beurteilt werden können. Ein grundlegendes Problem bei der zahnärztlichen Röntgendiagnostik ist die Strahlenbelastung für den Patienten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, praxisgerecht und handhabungssicher eine röntgenstrahlungsfreie Tiefendiagnostik von Zahnstrukturen, die Diagnose und Klassifizierung von Sekundärkaries und eine Detektion von Randspaltbildung bei Füllungstherapien durch den behandelnden Arzt zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein zahnmedizinisches Diagnosegerät mit einem Prüfkopf zur Einbringung in den Mundraum eines Patienten, wobei im Prüfkopf eine Ultraschall-Einheit mit einer akustischen Linse und eine optische Einheit mit mindestens einer optischen Linse angeordnet sind. Anstatt der Ultraschall-Einheit mit einer akustischen Linse kann auch ein Gruppenstrahler eingesetzt werden. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die aus den akustischen Signalen der Ultraschall-Einheit gewonnenen Ultraschalldaten und daraus berechneten Bilddaten mit den optischen Daten der optischen Einheit durch Datenüberlagerung kombinierbar sind.
Die akustische Mikroskopie, auch Ultraschallmikroskopie oder Akustomikroskopie genannt, ist ein bildgebendes Verfahren. Es erlaubt, mittels Ultraschall hoher Frequenz Bilder vom Inneren eines Objekts zu erzeugen. Die Detailauflösung ist mit der eines klassischen Lichtmikroskops vergleichbar. In der Tiefenauflösung ist die akustische Mikroskopie der klassischen Lichtmikroskopie überlegen.
Die akustische Mikroskopie unterscheidet sich von in der Medizintechnik etablierten Sonografiegeräten durch den deutlich höheren Frequenzbereich und damit durch die höhere Auflösung. Das akustische Mikroskop besteht prinzipiell aus einem Sender, einem Schallkopf mit Schallwandler, gegebenenfalls mit einer akustischen Linse, und einem Empfänger.
Mit dem Sender werden kurze elektrische Hochfrequenz-Signale erzeugt. Diese werden im Schallwandler (Transducer) in hochfrequente Ultraschallwellen umgesetzt, welche über eine akustische Linse und/oder Gruppenstrahler mittels Kopplungsmedium in die zu untersuchende Struktur eingeleitet werden. Die Ultraschallsignale werden an der Oberfläche und/oder an inneren Grenzflächen reflektiert, gestreut oder im inneren der Struktur absorbiert. Der Transducer wandelt die reflektierten akustischen Signale wieder in elektrische Signale um, die vom Empfänger zeitaufgelöst ausgewertet werden und bildgebend darstellbar sind.
Es werden bei der akustischen Mikroskopie verschiedene Betriebsarten unterschieden. Die wichtigsten Betriebsarten sind:

• A-Scan: Darstellung der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Zeit
• B-Scan: Akustisches Tiefenprofil (vertikaler Schnitt)
• C-Scan: Horizontales akustisches Schnittbild
• S-Scan: Akustisches Transmissionsbild

In der optischen Einheit im Prüfkopf des erfindungsgemäßen Diagnosegeräts ist ein Lichtmikroskop angeordnet, das als klassisches Auflichtmikroskop und/oder als Konfokalmikroskop und/oder als Weißlichtinterferometer, beispielsweise nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomografie, ausgebildet sein kann.
In einem klassischen Auflichtmikroskop setzt sich das Bild aus einer Überlagerung einer scharfen Abbildung in der Fokalfläche und einer unscharfen Abbildung der Punkte außerhalb dieser zusammen.
In einem Konfokalmikroskop wird das Anregungslicht in die Probe hineinfokussiert. Licht aus diesem Fokus wird nun in der Regel durch das gleiche Objektiv auf eine Lochblende abgebildet und gelangt von dort auf einen Detektor. Anregungs- und Detektionsfokus liegen konfokal. Die Lichtintensitäten des reflektierten Lichtes werden durch Abrasterung, d. h. diskrete Abtastung, an allen Orten des Präparats gemessen, so dass die anschließende Erstellung eines scharfen, dreidimensionalen Bildes möglich ist.
Stand der Technik sind konfokale Laserrastersondenmikroskope (LSM), d. h. Fluoreszenzmikroskope mit Punktscanner zum abrastern des Präparats, Linienscanner oder Mikroskopvarianten mit Lochblenden. Weitere Ausführungsformen sind Multiphotonenmikroskope, STED-Mikroskope und Photoactivated Localization Microscopes.
Weißlichtinterferometer werden zum berührungslosen Messen der Topografie von Werkstücken mit hoher räumlicher Tiefenauflösung verwendet, wobei es dabei auch möglich ist, Informationen über tiefer liegende, streuende oder reflektierende Schichten zu erhalten. Man spricht dann von optischer Kohärenztomografie (engl. Optical Coherence Tomography, OCT). Auf diese Weise ist es möglich, neben Oberflächeninformationen auch eine Volumenabbildung der untersuchten Struktur zu erhalten. Die Vorteile der OCT gegenüber konkurrierenden Verfahren sind die relativ hohe Eindringtiefe und gleichzeitige hohe axiale Auflösung bei hoher Messgeschwindigkeit.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen zahnmedizinischen Diagnosegeräts ist die Vermeidung von Strahlenbelastungen für den Patienten. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Kombination von Ultraschallmikroskopie, Konfokalmikroskopie und optischer Kohärenztomographie durch die hohe örtliche Auflösung, sowohl an der Oberfläche, als auch im Inneren der untersuchten dentalen Struktur. Dies ermöglicht dem behandelnden Arzt eine Tiefendiagnostik von Zahnstrukturen, die Diagnose von Sekundärkaries, eine Detektion von Randspaltbildung bei Füllungstherapien und prothetischen Versorgungen (Inlays, Onlays, Teilkronen, Kronen, Veneers, Okklusalkappen), die Klassifizierung der Stabilität von Implantaten sowie den Knochenstatus im Kieferkamm, den Parodontalstatus und die Untersuchung von Ausmaß und Qualität der Plaquebildung. Die Kombination erfolgt bevorzugt durch Bilddatenüberlagerung.
Ein weiterer Vorteil der Ultraschallmikroskopie gegenüber Röntgenuntersuchungen ist, dass bei Zahnfüllungen an Randspalten große akustische Impedanzsprünge auftreten, die wesentlich größer als die Änderungen in der Röntgendämpfung sind.
Ein günstiger Frequenzbereich liegt zwischen 20 und 100 MHz. Der bevorzugte Frequenzbereich zwischen 50 und 70 MHz stellt einen guten Kompromiss zwischen Auflösungsvermögen und Dämpfung des akustischen Signals dar. Aussagen zur Festigkeit von Zahnstrukturen und somit zur Prognose sind durch eine Korrelation der Ultraschalldaten mit Modul- und Härtewerten von Zähnen erzielbar.
Der Krümmungsradius der akustischen Linse wird im Wesentlichen durch den Linsenwerkstoff, beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Epoxydharz (EP) oder Saphir und den Fokusabstand bestimmt. Der Krümmungsradius der akustischen Linse kann zudem variabel ausgeführt sein und so ein Fokussieren der akustischen Linse ermöglichen.
Wesentliche Vorteile ergeben sich bei Schallbündelausrichtung durch Gruppenstrahlertechnik (engl. phased array) bzw. eines Linienscanners zur Realisierung einer Strahlschwenkung und einer flexiblen Fokussierung des akustischen Signals an Stelle einer akustischen Linse mit festem Krümmungsradius. Durch Phasensteuerung in der Ultraschall-Einheit ist die Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale variierbar. Bei der OCT und endoskopgestützten LSM (Vital-LSM-Endoskopie) kann die Fokussierung des Signals sowohl im Prüfkopf selbst als auch in der optischen Bilderzeugung erfolgen.
Die optische Einheit dient neben der Randspaltanalyse auch der Hart- und Weichgewebedarstellung bis auf zelluläre Ebene. Die mindestens eine optische Linse kann fokussierbar und schwenkbar ausgeführt sein.
Bevorzugt werden als Material für das Gehäuse des Prüfkopfs Polycarbonat, Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimid (PI), wobei auch Werkstoffkombinationen umfasst sind. Aus hygienischen Gründen ist für die Gelankopplung eine sterilisierte Einwegkappe aus Polystyrol oder PMMA vorgesehen.
Das erfindungsgemäße zahnmedizinische Diagnosegerät mit einem Prüfkopf wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigt
1 einen Querschnitt durch den Prüfkopf in einer ersten Ausführungsform
2 einen Querschnitt eines Details des Prüfkopfs in einer weiteren Ausführungsform und
3 ein Signalflussbild.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch den Prüfkopf 10 des zahnmedizinischen Diagnosegeräts in einer ersten Ausführungsform mit einer Ultraschall-Einheit 1, einer akustischen Linse 2, einem Lichtleiter 3, einer optischen Linse 4, einer elektrischen Verbindungsleitung 5, einem Kanal für ein Kopplungsmittel 6 und dem Gehäuse 7.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch den Prüfkopf 10 des zahnmedizinischen Diagnosegeräts in einer weiteren Ausführungsform mit der Ultraschall-Einheit 1, der akustischen Linse 2, dem Lichtleiter 3 und der optischen Linse 4, wobei die rechtwinklige Umlenkung des optischen Signals durch eine verspiegelte Fläche 8 erfolgt.
Der Lichtleiter 3 kann als Bündel von Glasfasern oder als Glasstab ausgeführt sein.
Die 3 zeigt ein Signalflussbild des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Sendesignal wird im Signalgenerator 20 erzeugt und an die Sendesteuerung 21 weitergeleitet. Die Sendesteuerung 21 ist mit der Sende-Empfangs-Elektronik 22, kurz S/E-Elektronik, und mit dem Mikrocontroller (μC) 23 verbunden. Die Empfangssteuerung 24 ist mit der Sende-Empfangs-Elektronik 22, dem Mikrocontroller 23 und dem Analog-Digital-Converter (ADC) 25 verbunden. Die Steuerung der Ultraschall-Gruppenstrahler 26 erfolgt über die S/E-Elektronik 22. Der ADC 25 liefert die Daten für die Ultraschall-Bilderzeugung 29.
Im Prüfkopf 10 sind der Ultraschall-Gruppenstrahler 26 und die optische Einheit 27 untergebracht. Die optische Einheit 27 ist Teil eines Konfokalmikroskops und/oder einer Vorrichtung zur optischen Kohärenztomografie. Die optische Einheit 27 ist mit der optischen Bilderzeugung 28 verbunden. In der Bildkorrelationseinheit 30 werden die Daten der optischen Bilderzeugung 28 und der Ultraschall-Bilderzeugung 29 überlagert und anschließend dem behandelnden Arzt zur Verfügung gestellt.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschall-Einheit
2: Akustische Linse
3: Lichtleiter
4: Optische Linse
5: Elektrische Verbindungsleitung
6: Kanal für Kopplungsmittel
7: Gehäuse
8: Verspiegelte Fläche
10: Prüfkopf
20: Signalgenerator/Sendesignalerzeugung
21: Sendesteuerung
22: Sende-Empfangs-Elektronik
23: Mikrocontroller (μC)
24: Empfangssteuerung
25: Analog-Digital-Converter (ADC)
26: Ultraschall-Gruppenstrahler
27: Optische Einheit
28: Optische Bilderzeugung
29: Ultraschall-Bilderzeugung
30: Bildkorrelationseinheit

Claims

Zahnmedizinisches Diagnosegerät mit einem Prüfkopf (10) zur Einbringung in den Mundraum eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, dass im Prüfkopf (10) eine Ultraschall-Einheit (1) mit einer akustischen Linse (2) und eine optische Einheit mit mindestens einer optischen Linse (4) angeordnet sind.
Zahnmedizinisches Diagnosegerät mit einem Prüfkopf (10) zur Einbringung in den Mundraum eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, dass im Prüfkopf (10) eine Ultraschall-Einheit (1) mit Gruppenstrahlern und eine optische Einheit mit mindestens einer optischen Linse (4) angeordnet sind.
Zahnmedizinisches Diagnosegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen der akustischen Signale der Ultraschall-Einheit (1) im Bereich zwischen 20 und 100 MHz, bevorzugt zwischen 50 und 70 MHz, liegen.
Zahnmedizinisches Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der akustischen Linse (2) variierbar ist.
Zahnmedizinisches Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Linse (4) fokussierbar und schwenkbar ist.
Zahnmedizinisches Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Gehäuse (7) des Prüfkopfs (10) vorzugsweise Polycarbonat, Polyetherketone, Polystyrol oder Polyimide Verwendung finden, wobei auch Werkstoffkombinationen umfasst sind.
Zahnmedizinisches Diagnosegerät nach Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gelankopplung eine sterilisierte Einwegkappe aus Polystyrol oder Polymethylmethacrylat am Prüfkopf (1) im Bereich der akustischen Linse (2) anbringbar ist.
Verfahren zur zahnmedizinischen Diagnose mit einem zahnmedizinisches Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den akustischen Signalen der Ultraschall-Einheit (1) gewonnenen Ultraschalldaten und daraus berechneten Bilddaten mit den optischen Daten der optischen Einheit durch Datenüberlagerung kombinierbar sind.
Verfahren zur zahnmedizinischen Diagnose mit einem zahnmedizinisches Diagnosegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aussagen zur Festigkeit von Zahnstrukturen und somit zur Prognose durch eine Korrelation der Ultraschalldaten mit Modul- und Härtewerten von Zähnen erzielt werden.
Verfahren zur zahnmedizinischen Diagnose nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Phasensteuerung in der Ultraschall-Einheit (1) die Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale beeinflussbar ist.