具体实施方式

本公开描述了使用市售的发光二极管(LED)和漫反射光谱法(DRS)来改进对组织炎症和特别是牙龈炎的检测的系统和方法的各种实施例。更一般地，申请人已认识并理解，使用可见光谱内的波长为基于DRS的牙龈炎检测提供经优化的波长选择将是有益的。因此，本文描述或以其他方式设想的系统和方法提供了被配置为获得牙龈组织的测量值的口腔保健设备。口腔保健设备包括使用市售照明LED的光发射器、DRS探头和用于光谱分析的检测器。

本文公开或以其他方式预想的实施例和实现方式可以与任何合适的口腔保健设备一起使用。合适的口腔保健设备的示例包括牙刷、牙线设备、口腔冲洗器、舌头清洁器或其他个人护理设备。然而，本公开不限于这些口腔保健设备，因此本文所公开的公开内容和实施例可以涵盖任何口腔保健设备。

牙龈炎是一种牙床炎症，其特征是牙床肿胀、浮肿和发红，主要大部分在牙龈沟(牙龈袋)中由斑块堆积引起。这样的牙龈疾病通常在难以触及的区域、诸如牙齿之间和后牙周围的邻间区域中发现。

实际上，据估计有50％-70％的成年人口受到牙龈炎的影响。但是，消费者通常无法检测到牙龈炎的早期迹象。通常，牙龈炎会发展到个体在刷牙时发现牙龈很容易出血为止。因此，只有在疾病已发展并且明显难以治疗时才可以检测到牙龈炎。尽管改善口腔卫生很容易使得牙龈炎逆转，但是由于牙龈炎可传播为不可逆的牙周炎，因此保持良好的口腔健康并尽快发现牙龈炎很重要。

牙龈炎可以通过检测牙龈发红和肿胀来视觉诊断。(参见RR.Lobene等,“Amodified gingival index for use in clinical trials”,Clin.Prev.Dent.8:3-6,(1986)，描述了基于牙龈变红和炎症的非接触式牙龈炎指数)。然而，这具有有限的灵敏度并且高度依赖于所使用的光源的显色指数。因此，现代的磷光体转换LED可能具有较低的CRI，导致视觉判断力较差。

图1示出了从健康牙龈1测量的漫反射光谱法(DRS)光谱的示例，在图表的底部(虚线)线示出了包括血红蛋白(血液)和黑色素的测量值。图表的顶部线还示出了散射分量2，散射分量2是使得能够实现漫反射的分量(即，如果没有散射，则没有光被漫反射/返回)。线3(图表中的中间线)示出了由于黑色素3引起的吸收分量，黑色素3是牙龈组织中的主要吸收发色团之一。血红蛋白主导的区域最适合确定源自血液的DRS信号量。

当看图2时，血红蛋白吸收的影响是显而易见的。其他一些主要吸收发色团是血红蛋白：特别是氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)。这两个发色团的吸收光谱被清楚地示出在图2中。

牙龈变红是对来自牙龈沟或沿牙龈线区域中的斑块的细菌生物膜毒素的急性炎症反应。该炎症反应在短期内会引起血管舒张，使得小动脉中的平滑肌细胞松弛，并使得血管变宽，从而增加向毛细血管床的血液供应。这会使得牙龈变红，并且温度轻微升高，难以测量。附加地，毛细血管变得更易渗透，这导致从毛细血管到间隙空间的流体损失增加，从而导致牙龈肿胀。如果炎症是慢性的，则通过增加组织的血管形成而发生附加的变红，其中附加毛细血管可以被形成来应对组织的附加血液需求。

这些因素使得能够基于漫反射光谱法(DRS)来检测牙龈炎。DRS是一种光学方法，涉及例如向目标发射白光并分析漫反射(而不是镜面反射)光的光谱性质。DRS探头配置包括：靠近一个检测光纤的一个源光纤；被多个检测光纤包围的一个中心源光纤；或者同时充当源和检测器的单个光纤。探头的重要性质是源-检测分隔，因为它会影响探头的采样深度(即，所测量的光源自组织中的深度)。为了检测牙龈炎，要求平均漫反射光谱采样深度大于250μm。为了获得这样的平均值，根据波长，要求最小的源-探测器距离约为300μm。但是，由于血红蛋白的高吸收，这样的采样深度无法使用蓝光来实现。图3示出了针对不同的源-检测器距离的波长相关采样深度(250μm至1000μm)。此外，所有牙龈不相同，并且在某些个体中，采样深度可能需要更深，因此可能需要不同的(多个)波长和/或探头设计。

利用本公开的某些实施例的特定目标是使用最小数目的波长和市售磷光转换(PC)发光二极管(LED)，利用漫反射光谱信号来实现精确的牙龈炎检测。

参考图4，在一个实施例中，图4是组织炎症检测系统100。系统100包括使用市售照明LED的光发射器102。本文所述的发明系统使用市售照明LED，因为它们便宜且高效。因此，可用的波长范围通常是从500nm至780nm。系统100还包括漫反射光谱(DRS)探头107(图6所示)，漫反射光谱(DRS)探头107具有在300μm-2000μm之间的源-检测器距离d。源光纤101被配置为被提供有来自诸如磷光体转换LED的光源的光，并且将这样的光传送到组织104。检测器光纤103被配置为拾取来自组织104的漫反射光并且将该光传送到光谱分析单元105。如图6所示，DRS探头107由一个源光纤101和一个检测光纤103组成，但是，根据本文所述的实施例，可以构想其他合适的配置。例如，在包括多于一个的检测器光纤的实施例中，来自每个光纤的输出应当被组合在一起，并且单个结果信号应当被传送到光谱分析单元105中，在光谱分析单元105处，信号分布在对波长灵敏的检测器之上。

根据一个实施例，光谱分析单元105是被配置为将所接收的漫反射光分布在n个波长灵敏光电探测器(例如，带通滤波器+光电二极管)106、108、110和112之上的分离器。光谱分析单元105可以包括熔融光纤分离器、色散分离器(例如，棱镜或光栅)、光导歧管或任何合适的备选方案。检测器106被配置为对具有特定半峰全宽(FWHM1)的λ1灵敏。检测器108被配置为对具有FWHM2的λ2灵敏。检测器110被配置为对具有FWHM3的λ3灵敏。检测器112被配置为对具有FWHM4的λ4灵敏。每个波长灵敏光电检测器的输出被输入到具有炎症检测单元114的控制器113。炎症检测单元114可以包括可以基于这些输入的任何数学等式的算法。根据一个实施例，光谱仪或可调滤波器还可以用作光谱检测器。但是，目前认为这些对于消费产品而言太昂贵和/或笨重。

根据包括四个波长的示例实施例，检测器106对λ1灵敏，其中λ1＝575nm-585nm，优选为580nm，并且FWHM1＝10nm；检测器108对λ2灵敏，其中λ2＝589nm-599nm，优选为594nm，并且FWHM2＝10nm；检测器110对λ3灵敏，其中λ3＝670nm-680nm，优选为675nm，并且FWHM3≥10nm；并且检测器112对λ4灵敏，其中λ4＝695nm-705nm，优选为700nm，并且FWHM4≥15nm，优选为20nm-50nm。

根据包括五个波长的另一示例实施例，检测器106对λ1灵敏，其中λ1＝575nm-585nm，优选为580nm，并且FWHM1＝10nm；检测器108对λ2灵敏，其中λ2＝589nm-599nm，优选为594nm，并且FWHM2＝10nm；检测器110对λ3灵敏，其中λ3＝670nm-680nm，优选为675nm，并且FWHM3≥10nm；检测器112对λ4灵敏，其中λ4＝689nm-699nm，优选为694nm，并且FWHM4≥10nm；并且附加检测器(未示出)对λ5灵敏，其中λ5＝715nm-725nm，优选为720nm，并且FWHM5≥15nm，优选为20nm-50nm。

根据包括五个波长的另一示例实施例，检测器106对λ1灵敏，其中λ1＝570nm-580nm，优选为575nm，并且FWHM1＝10nm；检测器108对λ2灵敏，其中λ2＝625nm-635nm，优选为630nm，并且FWHM2＝10nm；检测器110对λ3灵敏，其中λ3＝669nm-679nm，优选为674nm，并且FWHM3≥10nm；检测器112对λ4灵敏，其中λ4＝737nm-747nm，优选为742nm，并且FWHM4≥10nm；并且附加检测器(未示出)对λ5灵敏，其中λ5＝765nm-775nm，优选为770nm，并且FWHM5≥15nm，优选为20nm。

上述的任何特定波长选择可以被并入其中光谱分集由波长特定的发射器而不是波长灵敏的检测器提供的实施例中。如图5所示，示出了炎症检测系统200，炎症检测系统200包括四个波长特定的发射器202、204、206和208，四个波长特定的发射器202、204、206和208被配置为通过施加例如带通滤波器而被提供来自LED的具有期望光谱性质和/或修改性质的光。发射器202与λ1和FWHM1相关联。发射器204与λ2和FWHM2相关联。发射器206与λ3和FWHM3相关联。发射器208与λ4和FWHM4相关联。类似于系统100，系统200可以包括与附加波长和带宽相关联的附加发射器。来自四个波长特定的发射器的光被传送到光组合器205或任何合适的备选物。类似于系统100，系统200包括诸如图6所示的漫反射光谱(DRS)探头，漫反射光谱(DRS)探头的源-检测器距离在300μm-2000μm之间。检测器光纤103被配置为拾取来自组织204的漫反射光，并且将该光传送到具有炎症检测单元214的控制器213。炎症检测单元214可以包括可以基于这些输入的任何数学等式的算法。

有利地，本发明系统能够使用最小数目的波长和市售磷光转换(PC)发光二极管(LED)来进行精确的牙龈炎检测。

如本文所限定和使用的所有定义应被理解为控制词典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。

除非明确相反地指出，否则在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一(a)”和“一个(an)”应被理解为是指“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的短语“和/或”应被理解为是指如此结合的元素中的“一个或两个”，即，元素在某些情况下结合地存在且在其他情况下分离地存在。使用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式来解释，即，如此连接的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句明确标识的元素之外，无论与那些具体标识的元素相关还是无关，还可以可选地存在其他元素。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应被理解为具有与以上定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项分离时，“或”或“和/或”应被解释为包括性的，即，包括多个元素或元素列表中的至少一个，但也包括不止一个，以及包括(可选)其他未列出的项。仅明确指出相反的术语，诸如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求书中使用时，“由...组成”将指代仅包括多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，本文中使用的术语“或”仅应在排他性术语(诸如“其中之一”、“其中一个”、“仅其中之一”或“恰好其中之一”之前时，被解释为排他性备选方案(即，“一个或另一个，但不是两者”)。

如在本文的说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元素的列表时，短语“至少一个”应被理解为是指从元素列表中的任一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表内具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任何组合。该定义还允许除了短语“至少一个”所指代的元素列表内特别标识的元素之外，无论与那些特别标识的元素有关还是无关，可以可选地存在其他元素。

应当理解，除非明确地相反地指出，否则在本文要求保护的任何方法中，包括多个步骤或动作，方法的步骤或动作的顺序不必限于方法的步骤或动作被记载的顺序。

在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语，诸如“包括(comprising/including)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“组成”等，应被理解为开放式的，即，意指包括但不限于。仅过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

尽管本文已描述和图示了若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果的多种其他部件和/或结构和/或本文所述优点中的一个或多个，并且这样的变化和/或修改中的每一个被认为在本文所描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将与使用了本发明的教导的一个或多个特定应用相关。仅使用常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的特定发明实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式来呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以与具体描述和所要求保护的方式不同的方式来实践本发明的实施例。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。附加地，如果这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则包括两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合被包括在本公开的发明范围内。