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Fiber optic displacement sensor for scanning and reconstructing occlusal surface of human tooth

Fiber Optic Displacement Sensor for Scanning and  Reconstructing Occlusal Surface of Human Tooth  A. I. Che Ani, M. H. Abbas, Siti Salwa Mat Isa,   R. Baharudin   Faculty of Electrical Engineering  Universiti Teknologi MARA  Pulau Pinang, Malaysia  Husna Abdul Rahman, Sulaiman Wadi Harun  Photonics Research Centre, Department of Physics  Faculty of Science, University of Malaya  Kuala Lumpur, Malaysia  Abstract —  In  dentistry,  often  dental  radiography  is  related  to   teeth  occlusal  surface,  which  can  be  used  for  diagnostic  and   treatment purposes. Nonetheless the exposure of X-Ray dose may  limit  the  usage  of  this  technique.  This  paper  presents  the  image   construction  from  the  occlusal  surface  of  human  teeth.  The   principle  of  the  surface  construction  is  from  the  exploitation  of   reflected  light  intensities  along  the  occlusal  surface  of  human   teeth.  The  image  of  occlusal  surface  is  constructing  back  using   simple   MatLab   software.   The   measured   diameter   from   the    images  of  occlusal  surface  for  molar  A  and  molar  B  is  to  be  7.0   mm  and  7.5  mm,  respectively,  which  is  exactly  the  same  when   measured  with  micrometer.  The  average  surface  roughness  for   each tooth sample namely molar A and molar B is obtained to be  742  μm  and  975  μm,  respectively.  Such  results  are  useful  for   detecting  the  occlusal  topography  and  surface  profile  of  human   teeth.   

Keywords:Fiber optic displacement sensor,Occlusalsurface, dental laser tips

In   modern   orthodontic,   the   accurate   representation   of    occlusal surface for human teeth is required for diagnostic and  treatment  purposes.    The  accurate  representation  of  human   teeth  will  integrates  examination  of  malocclusion  correction,   design  for  prosthetic  tooth  thus  repair  for  patient  tooth  and   restore  the  shape  and  function  of  the  tooth  [1].    Nowadays,   despite  of  X-ray  which  is  dominant  as  scanning  method  [2],   several type of dental CAD/CAM systems are also available in  the  world  [3].  But,  the  widespread  of  these  methods  are  still   hindered  due  to  factors  such  as  cost  and  complex  of  operation   [4].     One of the human teeth surface reconstruction technique is  using  shape-from-shading  (SFS)  but  the  image  representation   hindered  by  non-friendly  image  acquisition  environment.    A.   Abdelrahim has introduced a more realistic formulation of  SFS  taking  into  account  the  non -friendly  factors  such  as  the   camera, the light source and the surface reflectance [5]. Others  technique  used  hybrid  differential  method  (HDM)  is  proposed   to handle the search and pattern matching for a specific picture.  Z.  Xitao  has  proposed  an  extended  HDM  for  image   reconstructing  of  teeth  occlusal  view  with  further  analysis  of   the  HDM  chart  so  the  more  appealing  feature  of  the  match  point can be revealed. The technique is proved to be effective  for  single  tooth  recognition  but  limited  to  the  anterior  view  of   the  teeth  searching  and  recognition  [6].    Furthermore  S.-X.   Zheng  addressed  a  novel  technique  of  3D  morphing  for   occlusal  tooth  surface  reconstruction  [7].    However  the  3D   morphing algorithm needs to be optimized to add more feature  points to improve the surface deformation accuracy.  
Biophotonics  is  the  study  of  the  interaction  of  light  with   biological  materials.  Among  the  biophotonics  applications,   optical sensors possess various advantages in electrical sensing  technologies,  which  make  it  interesting  for  many  other  areas   especially   dentistry.   The   advantages   include   the   safety   in    chemically  or  explosive  environment  and  most  important  is   low      susceptibility      to      electromagnetic      interference.       Development  of  optical  based  sensor  in  dentistry  includes  the   visual  technique  using  the  fiber  optic  sensor  technology.  The   advantages  of  this  method  are  the  ability  to  help  discriminate   between  early  enamel  and  early  dentin  lesions.  Furthermore  it   can  be  used  for  the  detection  of  caries  on  all  surfaces  and  is   particularly  useful  at  proximal  lesions  make  it  one  would   expect  this  method  to  be  at  least  as  effective  as  a  visual   examination  [8].  In  other  hand,    researchers  [9]  used  polymer   optical  fiber  on  the  measurement  of  orthodontic  forces.  The   suggested  polymer  optical  fiber  had  allowed  to  control  the   applied  forces  that  displace  a  tooth  or  segment  of  teeth  may   cause permanent damage at periodontal ligament.  
Fiber optic displacement sensor (FODS) has potential into a  new  choice  of  technique  for  scanning  and  reconstructing  the   image  of  tooth  surface  [10,  11].  The  FODS  has  shown  its   potential for various dental application and offer the benefit of  low  optical  signal  transmission  loss,  low  production  cost,  and   suitable  for  employment  in  harsh  environments  [12].  This   paper  intends  to  use  FODS  as  a  quantitative  technique  for  the   image  of  occlusal  surface  of  human  tooth.  In  our  proposed   technique it uses multimode plastic fibers as the probe together  with  a  red  He-Ne  laser  as  a  transmitter.  The  intensity  of  the   reflected  light  from  the  tooth  surface  is  recorded  and  used  to   determine the distance between the tooth surface and probe. In  our approach, the occlusal surface of the tooth namely molar is  achieved from the function of lateral movement ( x  and  y  axis)  along    the    tooth    surface    while    being    maintained    in    perpendicular and constant in axial position ( z  axis). The image  is  constructing  into  2D  and  3D  images  using  the  Matlab  3D   mesh surface plots. 
he   experiment   prove   that   FODS   can   distinguish   the    intensity  of  reflected  light  on  the  occlusal  surface  of  human   tooth   namely   molar,   which   is   useful   for   scanning   and    reconstructing   the   occlusal   surface   image.   The   scanning    method  can  be  classified  as  a  non-destructive  for  quantitative   scanning  and  imaging  of  molar  occlusal  surface  in  a  non- contact  mode.  Dental  practitioner  may  utilize  this  method  to   determine  abnormalities  on  the  tooth  occlusal  surface.  There   will be different reflected light intensity value on abnormalities  such   as   dental   cavity   thus   can   lead   to   distinguish   the    abnormalities region. However the main limitation of proposed  FODS is longer data scanning time when about 30 minutes was  taken  for  each  tooth  sample  and  the  high  equipment  and   maintenance cost involved in the devices. These limitations can  solved  with  aid  of  picomotor  actuators  which  can  reduce  the   scanning   time.   Furthermore   the   use   of   computer   image    processing  will  increase  the  accuracy  of  reconstructing  the   occlusal surface image.
This paper has introduced a fiber optic sensor for scanning  and reconstructing images of occlusal surface for human tooth  namely  molar.  The  system  of  the  sensor  used  He-Ne  laser  as   the  light  source  that  transmit  via  a  multimode  plastic  bundled   fiber  and  a  silicon  photo  detector  to  detect  the  intensity  of   reflected light. The recorded intensity of reflected light is used  to  construct  the  3D  and  2D  occlusal  surface  image  by  using   Matlab  software.  The  results  indicate  the  same  diameter  value   measured with micrometer of the occlusal surface for molar A  and   molar   B   to   be   7.0   mm   and   7.5mm,   respectively.    Furthermore  the  average  surface  roughness  for  both  molar  A   and  molar  B  tooth  sample  is  calculated  to  be  742  μm  and  975   μm,   respectively.   The   results   show   that   with   propose    displacement   sensor   technique   can   visualize   the   occlusal    surface of human tooth. This will help the dental researcher in  the  characterization  and  evaluation  of  occlusal  surface  for   human tooth.