[发明专利]一种基于声弹性响应的离体牙体组织表征方法

权利要求书

1.一种基于声弹性响应的离体牙体组织表征方法，离体牙体组织表征方法由声波发射/接收器(9)、声学单元(11)、扫描单元(7)和信号处理与成像单元(8)组成的牙体声显微成像装置实现，其特征是，

(1)弹性声波的发射

声波发射/接收器(9)产生的弹性声波u₀(t₀)通过声波发射/接收器(9)与离体牙体表面之间的耦合介质，在牙釉质(10A)表面形成入射弹性声波(1)，这里用u_1I(t_1I)表示，t₀为弹性声波u₀(t₀)传播的起点参考时间，t_1I为弹性声波u_1I(t_1I)相对t₀的传播时间，在入射弹性声波(1)u_1I(t_1I)传播到牙体中，根据牙体的生物组织结构的不同和弹性声波的折射规律，形成以下几种情况的入射弹性声波：

①在牙冠的中心部位，形成6个不同部位的入射弹性声波(1、2、3、4、5、6)其中：

第一入射弹性声波(1)经耦合介质/牙釉质(10A)界面折射后，在牙釉质(10A)中形成第二入射弹性声波(2)，这里用u_2I(t_2I)表示，t_2I为弹性声波u_2I(t_2I)相对t₀的传播时间，

第二入射弹性声波(2)经牙釉质(10A)/牙本质(10B)界面折射后，在牙本质(10B)中形成第三入射弹性声波(3)，这里用u_3I(t_3I)表示，t_3I为弹性声波u_3I(t_3I)相对t₀的传播时间，

第三入射弹性声波(3)经牙本质(10B)/牙髓(10D)界面折射后，在牙髓(10D)中形成第四入射弹性声波(4)，这里用u_4I(t_4I)表示，t_4I为弹性声波u_4I(t_4I)相对t₀的传播时间，

第四入射弹性声波(4)经牙髓(10D)/第一牙骨质(10E)界面折射后，在第一牙骨质(10E)中形成第五入射弹性声波(5)，这里用u_5I(t_5I)表示，t_5I为弹性声波u_5I(t_5I)相对t₀的传播时间，

第五入射弹性声波(5)经第一牙骨质(10E)/第二牙骨质(10F)界面折射后，在第二牙骨质(10F)中形成第六入射弹性声波(6)，这里用u_6I(t_6I)表示，t_6I为弹性声波u_6I(t_6I)相对t₀的传播时间；

②在牙冠中心周围部位，第一入射弹性声波(1)经耦合介质/牙釉质(10A)界面折射后，在牙釉质(10A)中形成第二入射弹性声波(2)，第二入射弹性声波(2)牙釉质(10A)/牙本质(10B)界面折射后，在牙本质(10B)中形成第三入射弹性声波(3)；

③在牙冠周边部位，第一入射弹性声波(1)经耦合介质/牙釉质(10A)界面折射后，在牙釉质(10A)中形成第二入射弹性声波(2)；

(2)弹性声波的接收

①声波发射/接收器(9)接收来自离体牙体中的反射弹性声波，根据离体牙体的生物组织结构的不同和弹性声波的反射规律，来自离体牙体中不同组织区的反射弹性声波分为：

1)入射弹性声波i在离体牙体中不同组织界面形成反射弹性声波j，这里，i＝1、2、3、4、5、6，j＝1’、2’、3’、4’、5’、6’，

a)第一入射弹性声波(1)在牙釉质(10A)表面形成反射弹性声波(1’)，这里用u_1R(t_1R)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_1R(t_1R)可近似表示为：

这里，A₁——为牙釉质(10A)表面入射弹性声波的幅值，

α₁——为耦合介质中的声衰减系数，

υ₁——为耦合介质中的声传播速度，

t_1R——为u_1R(t_1R)相对t₀在耦合介质中传播的时间，

Z₁——为与耦合介质、牙釉质(10A)中的弹性模量有关的系数，它反映的是耦合介质、牙釉质(10A)对第一入射弹性声波(1)的弹性响应，且可近似表示为：

式中，ρ₀、ρ₁分别为耦合介质、牙釉质(10A)的密度，

E₀、E₁分别为耦合介质、牙釉质(10A)的弹性模量，

b)第二入射弹性声波(2)在牙釉质(10A)/牙本质(10B)界面形成第二反射弹性声波(2’)，这里用u_2R(t_2R)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_2R(t_2R)可近似表示为：

这里，A₂——为第二入射弹性声波(2)的幅值，

α₂——为牙釉质(10A)中的声衰减系数，

υ₂——为牙釉质(10A)中的声传播速度，

为u_2R(t_2R)相对t₀在牙釉质(10A)和耦合介质中传播的时间，其中：为u_2R(t_2R)相对t₀在耦合介质中传播的时间，为u_2R(t_2R)相对t₀在牙釉质(10A)中传播的时间，

T₁——为u_2R(t_2R)在牙釉质(10A)/耦合介质界面的声波透射系数，

Z₂——为与牙釉质(10A)、牙本质(10B)的弹性模量有关的系数，它反映的是牙釉质(10A)、牙本质(10B)对第二入射弹性声波(2)的弹性响应，且可近似表示为：

式中，ρ₂为牙本质(10B)的密度，

E₂为牙本质(10B)的弹性模量，

c)第三入射弹性声波(3)在牙本质(10B)/牙髓(10D)界面，即牙髓腔(10C)形成的第三反射弹性声波(3’)，这里用u_3R(t_3R)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_3R(t_3R)可近似表示为：

这里，A₃——为第三入射弹性声波(3)的幅值，

α₃——为牙本质(10B)中的声衰减系数，

υ₃——为牙本质(10B)中的声传播速度，

为u_3R(t_3R)相对t₀在牙本质(10B)、牙釉质(10A)和耦合介质中传播的时间，其中：为u_3R(t_3R)相对t₀在耦合介质中传播的时间，为u_3R(t_3R)相对t₀在牙釉质(10A)中传播的时间，为u_3R(t_3R)相对t₀在牙本质(10B)中传播的时间，

T₂——为u_3R(t_3R)在牙本质(10B)/牙釉质(10A)界面中的声波透射系数，

Z₃——为与牙本质(10B)、牙髓腔(10C)的弹性模量有关的系数，它反映的是牙本质(10B)、牙髓腔(10C)对第三入射弹性声波(3)的弹性响应，且可近似表示为：

式中，ρ₃为牙髓腔(10C)中的牙髓(10D)的密度，

E₃为牙髓腔(10C)中的牙髓(10D)的弹性模量，

d)入射弹性声波(4)在牙髓(10D)/第一牙骨质(10E)界面形成第四反射弹性声波(4’)，这里用u_4R(t_4R)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_4R(t_4R)可近似地表示为：

这里，A₄——为第四入射弹性声波(4)的幅值，

α₄——为牙髓(10D)中的声衰减系数，

υ₄——为牙髓(10D)中的声传播速度，

为u_4R(t_4R)相对t₀在牙釉质(10A)、牙本质(10B)、牙髓腔(10C)和耦合介质中传播的时间，其中：为u_4R(t_4R)相对t₀在耦合介质中传播的时间，为u_4R(t_4R)相对t₀在牙釉质(10A)中传播的时间，为u_4R(t_4R)相对t₀在牙本质(10B)中传播的时间，为u_4R(t_4R)相对t₀在牙髓(10D)中传播的时间，

T₃——为u_4R(t_4R)在牙髓腔(10C)/牙本质(10B)界面的声波透射系数，

Z₄——为与牙髓(10D)、第一牙骨质(10E)的弹性模量有关的系数，它反映的是牙髓(10D)、第一牙骨质(10E)对第四入射弹性声波(4)的弹性响应，且可近似表示为：

式中，ρ₄为第一牙骨质(10E)的密度，

E₄为第一牙骨质(10E)的弹性模量，

e)第五入射弹性声波(5)在第一牙骨质(10E)/第二牙骨质(10F)界面形成第五反射弹性声波(5’)，这里用u_5R(t_5R)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_5R(t_5R)可近似地表示为：

这里，A₅——为第五入射弹性声波(5)的幅值，

α₅——为第一牙骨质(10E)中的声衰减系数，

υ₅——为第一牙骨质(10E)中的声传播速度，

为u_5R(t_5R)相对t₀在牙釉质(10A)、牙本质(10B)、牙髓(10D)、第一牙骨质(10E)和耦合介质中传播的时间，其中：为u_5R(t_5R)相对t₀在耦合介质中传播的时间，为u_5R(t_5R)相对t₀在牙釉质(10A)中传播的时间，为u_5R(t_5R)相对t₀在牙本质(10B)中传播的时间，为u_5R(t_5R)相对t₀在牙髓(10D)中传播的时间，为u_5R(t_5R)相对t₀在第一牙骨质(10E)中传播的时间，

T₄——为u_5R(t_5R)在第一牙骨质(10E)/牙髓(10D)界面的声波透射系数，

Z₅——为与第一牙骨质(10E)和第二牙骨质(10F)的弹性模量有关的系数，它反映的是第一牙骨质(10E)、第二牙骨质(10F)对第五入射弹性声波(5)的弹性响应，且可近似表示为：

式中，ρ₅为第二牙骨质(10F)的密度，

E₅为第二牙骨质(10F)的弹性模量，

f)第六入射弹性声波(6)在第二牙骨质(10F)底面形成的第六反射弹性声波(6’)，这里用u_6R(t_6R)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_6R(t_6R)可近似地表示为：

这里，A₆——为第六入射弹性声波(6)的幅值，

α₆——为第二牙骨质(10F)中的声衰减系数，

υ₆——为第二牙骨质(10F)中的声传播速度，

为u_6R(t_6R)相对t₀在牙釉质(10A)、牙本质(10B)、牙髓(10D)、第一牙骨质(10E)、第二牙骨质(10F)和耦合介质中传播的时间，其中：为u_6R(t_6R)相对t₀在耦合介质中传播的时间，为u_6R(t_6R)相对t₀在牙釉质(10A)中传播的时间，为u_6R(t_6R)相对t₀在牙本质(10B)中传播的时间，为u_6R(t_6R)相对t₀在牙髓(10D)中传播的时间，为u_6R(t_6R)相对t₀在第一牙骨质(10E)中传播的时间，为u_6R(t_6R)相对t₀在第二牙骨质(10F)中传播的时间，

T₅——为第六反射弹性声波6’在第二牙骨质(10F)/第一牙骨质(10E)界面的声波透射系数，

Z₆——为与第二牙骨质(10F)和第二牙骨质(10F)底部周围的组织的弹性模量有关的系数，它反映的是第二牙骨质(10F)、第二牙骨质(10F)底部周围的组织对第六入射弹性声波(6)的弹性响应，且可近似表示为：

式中，ρ₆为第二牙骨质(10F)底部周围的组织的密度，

E₆为第二牙骨质(10F)底部周围的组织的弹性模量，

②当牙体中的组织出现变化或者产生了缺陷时，入射到牙体中的入射弹性声波将会在该部位产生反射弹性声波(k)，这里用u_kR(t_kR)表示，声波发射/接收器(9)接收到的u_kR(t_kR)可以近似表示为：

这里，A_k——为牙体中的组织变化区或者牙体缺陷部位的入射弹性声波的幅值，它与牙体中的组织变化区或者牙体缺陷在牙体中的部位有关，

α_k——为牙体中的声衰减系数，它与牙体中的组织变化区或者牙体缺陷在牙体中的部位有关，

υ_k——为牙体中的声传播速度，它与牙体中的组织变化区或者牙体缺陷在牙体中的部位有关，

t_kR——为来自牙体中的组织变化区或者牙体缺陷的反射弹性声波(k)的传播时间，它与牙体中的组织变化区或者牙体缺陷在牙体中的部位有关，

Z_k——为与牙体中组织变化区或者牙体缺陷的弹性模量有关的系数，它反映的是牙体中组织变化区或者牙体缺陷对入射声波的弹性响应，且，

式中，ρ_k、ρ_k+1分别为牙体中组织变化区或者牙体缺陷及其相邻的组织部位的密度，

E_k、E_k+1分别为牙体中组织变化区或者牙体缺陷及其相邻的组织部位的弹性模量，当相邻的牙体中组织均匀时，ρ_k＝ρ_k+1、E_k＝E_k+1，则Z_k＝0，当牙体中出现缺陷，Z_k≈1，

(3)牙体组织弹性声波表征方法

①当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_1R(t_1R)时，根据式(1)表征牙釉质(10A)表面及近表面组织及其变化，

②当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_2R(t_2R)时，根据式(2)表征牙釉质(10A)/牙本质(10B)界面组织及其变化，

③当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_3R(t_3R)时，根据式(3)表征牙本质(10B)/牙髓(10D)界面、牙髓腔(10C)的组织及其变化，

④当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_4R(t_4R)时，根据式(4)表征牙髓(10D)/第一牙骨质(10E)界面组织及其变化，

⑤当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_5R(t_5R)时，根据式(5)表征第一牙骨质(10E)/第二牙骨质(10F)界面组织及其变化，

⑥当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_6R(t_6R)时，根据式(6)表征第二牙骨质(10F)底面组织及其变化，

⑦当声波发射/接收器(9)接收到弹性声波信号u(t)＝u_kR(t_kR)时，根据式(7)表征牙体中的组织出现的变化或者产生的缺陷。