DD293199A5 - Verfahren und anordnung zur darstellung von strukturen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Darstellung von Strukturen, ueberwiegend von biologischen Geweben und Organen oder von Natur- und Werkstoffen. Das Verfahren ermoeglicht die Darstellung inhomogener Strukturen in situ im Echtzeitbetrieb und kann zur Herstellung von IR- und NIR-Tomogrammen genutzt werden. Die erfindungsgemaesze Loesung laeszt sich somit in der Medizin und Biologie sowie in der Technik zur Beobachtung bzw. Beurteilung von Strukturen, Oberflaechen und Volumina von Naturstoffen und gefertigten Teilen mit darin ablaufenden chemischen und physikalischen Prozessen einsetzen. Zur Darstellung der Strukturen werden die in einer Ebene angeordneten IR-Lichtquellen und -Empfaenger als Flaechenstrahler und -empfaenger in * des darzustellenden Objektes bewegt, wobei der Flaechenstrahler mit einem bestimmten Strahlungsquerschnitt und einer bestimmten Intensitaet abstrahlt, die emittierenden IR-Dioden mit einem Spitzenstrom bis zu 1 A bei einer Impulsfrequenz bis 100 KHz angesteuert werden und die Rueckstreuung erfaszt wird. Echtzeitvermittelte IR-Schwaechungsgradienten-Profile der Volumenelemente sowie die Anordnung des Flaechenstrahler-Empfaenger-Sensors ermoeglichen eine exakte raeumliche Zuordnung der Volumenelemente in situ sowie eine Kontrastdarstellung bestimmter Strukturen innerhalb der Makrostruktur. Durch die Anwendung der erfindungsgemaeszen Loesung koennen Strukturen im Submikrometerbereich bis Zentimeterbereich unter Beruecksichtigung des Zeitverhaltens (Echtzeit) mittels IR-Strahlung dargestellt werden, wobei die Zeitspektralanalyse angewendet wird. Fig. 1 und 2{IR-Tomogramm; NIR-Tomogramm; Volumenelement, inhomogen, in situ; Makrostruktur; Aufloesung; Submikrometerbereich; Hochaufloesung; IR-Spektroskopie; Echtzeit; Zeitspektralanalyse; NIR-Tomografie; Gewebestruktur; Infrarotstrahlen}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft θ·η Verfahr )ft und eine Anordnung zur Darstellung von selektiv dynamisch optoelektronisch, zeitspektralanalytisch und IR-spektroskopisch ermittelten Parametern bzw. Mikrostrukturen gleichen Volumens innerhalb wesentlich inhomogener biologischer, chemischer und physikalischer Makrostrukturen. Verfahren und Anordnung dienen der Darstellung von Stoffen, bzw. Mikro- und Makrostrukturen biologischer Gewebe und Organe sowie von Naturstoffen, Werkstoffen und gefertigten Teilen mit darin ablaufenden physikalischen und/oder chemischen Prozessen mittels relativ geringer Lichtintensitäten. Die Erfindung läßt sich somit in Medizin und Biologie sowie in Natur und Technik zur Beobachtung bzw. Beurteilung von der Strukturen, Oberflächen und Volumina von natürlichen Stoffen und gefertigten Teilen einsetzen, wobei diese inhomogenen Strukturen in situ und/oder in vivo im Echtzeitbetrieb in Form von Mappings sowie zur Herstellung von IR- und NIR-Tomogrammen (NIRI) dargestellt werden können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bei der Fotoplethysmografie bekannt, konstantes Licht, auch des nahen Infrarotbereiches, in ein Gewebevolumen zu leiten und das aus dem Gewebe austretende Licht als einerseits vom Gewebevolumen zurückgestrahltes Licht zu messen. Biophysikalisch betrachtet wird meßtechnisch bei der Fotoplethysmografie ein konstantes Lichtpotential im Gewebe eingesetzt, das durch die biologische Information, z. B. durch den roten Blutfarbstoff Hämoglobin, zeitlich und örtlich moduliert wird. Diese Modulation wird in Form eines Transmissionssignals oder eines Rückstreusignals gemessen, wobei sich Strahler und Empfänger einander gegenüber oder in einer Ebene befinden (Perinatal Medicine 4th European Congress of Perinatal Medicine Prague, August 1974, Georg Thieme Stuttgart Avicenum Czechoslovak Medical Press Prague, 1975, S.497; Medizintechnik 23 (1983176; J.lnvesting. Dermatol. 82 (19841 515; Biomed.Technik31 (1986) 246; Z. Klin. Med. [Berl. DDRl43 (19881185,299,945, 1093).

Eine Transillumination bzw. Transmission von Licht durch den Schädel eines Neugeborenen mit 7,5cm Durchmesser wurde integral als »single frame image" wiedergegeben; außerdem erfolgto bei den Wellenlängen 840nm und 760 nm die Transmission der Hand eines erwachsenen Menschen, wobei die Durchstrahlung integral für den Status mit und ohne Hypoxie dargestellt wurde und auch ein Blutgefäß sowie Knochen dabei unterschieden werden konnten. Das Gewebe ist bis zu mehreren Zentimetern Dicke für NIR-Strahlung suffizient transparent und eine Detektion transmittierter Photonen erlaubt, daß aber die räumliche Spezifität gering ist, obwohl eine Möglichkeit zur Auflösung der Strukturen bis zu einer Tiefe von letztlich 1 cm möglich ist (Information processing in medical imaging. Proc. 9th conference. Washington D.C., 10.-14.06.1985. Martinus Nijhoff Publish. Portrecht 1986, S. 155).

Diesen bekannten fotoplethysmografischen bzw. Transilluminationsmethoden ist gemeinsam das integrale Messen von Volumina. Eine solche integrale Messung hat den wesentlichen Nachteil, nicht näher bestimmbare Volumina ausgewählter Strukturen zu messen bzw. darzuste'len.

Zur Messung von Mikrovolumina für medizinische Untersuchungen sind geeignete Meßsonden bekannt, die aus Lichtsender und Empfänger bestehen, bei denen Sender und Empfänger in einer Ebene und unmittelbar benachbart, angeordnet sind, das Licht über Lichtleiter an den Meßort übertragen wird, wobei die Meßsonde als Nadel oder Hohlnadel gestaltet ist und infolge eines Durchmessers an der Spitze von 2 bis 20μηι auch für die Erfassung von rnikrostrukturierten Volumenteilchen geeignet ist, z. B. (DE-OS 3009901 (A61 B 5/00]). Wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung zur Messung von Mikrovolumenteilchen ist die invasive bzw. traumatische bzw. zerstörerische Zuführung der Meßsonde vor den Ort der zu messenden MikroStruktur in Form einer Hohlnadel bzw. Mikropipette. Wenn mit dieser Hohlnadel, um an den Ort de^r Messung beispielsweise des Gehirns zu gelangen, Kopfhaut, Schädeldecke sowie Hirnhäute verletzt werden müssen, um danach bedingt atraumatisch das Gehirn zu messen, so geschieht dies keieswegs rückwirkungsfrei. Mit dieser Vorrichtung werden in die zu untersuchende Probe Licht emittierende und elektrisch leitende Substanzen unter einem bestimmten Druck injiziert. Für das Gehirn bedeutet das über

Injektionsnadeln oder Mikropipette!) mit dieser Vorrichtung erfolgende Heranführen chemischer Substanzen einen nachteiligen Eingriff in die Funktionsweise dieses Organs mit Auslösung unwägbarer Reaktionen. Aber auch für die Beurteilung der Blutmikrozirkulation, die bekanntermaßen in lokalen diskreten Mikroarealen wesentlich geregelt wird (Europ. Neurol. 20 [1981; S.200]), stellt dieses Vorgehen einen gravierenden Mangel dar, der durch die Messung entsteht und diese verfälscht. Bekannt ist die Laser-Scanning-Mikroskopie (Chip Nr. 1 Jan. [1989] 20), die eine zerstörungsfreie, rückwirkungsfreie Darstellungvon Mikrostrukturen erlaubt. Bei dieser Laser-Mikroskopie ermöglicht eine punktförmige Lichtquelle über einkonfokales System, Oberflächen, Gewebe, Zellen und Mikrostrukturen innerhalb der Zelle auch an lebenden Präparaten dreidimensional darzustellen und zu vermessen, beispielsweise Chromosomen einer Küchenzwiebelwurzel in 16 verschiedenen Tiefen. Die optischen Schnitte gelangen im Abstand von 0,5 Mikrometern in durchgangiger Tiefenschärfe. Wesentlichen Anteil dabei hat die dreidimensionale Rekonstruktion der einzelnen Aufnahmepunkte. Das Betrachten technischer Materialien auch unterhalb der Oberfläche, z. B. die Ausrichtung von Lackpartikeln in Metallic-Lacken sowie die Beurteilung von Kriterien wie Porosität, Bruch· und Reißfestigkeit sind möglich.

Sollen in der Tiefe bzw. in situ und in vivo relativ großer und inhomogener Makrostrukturen mit relativ geringen Strahlungsintensitäten im Milliwattbereich pro Quadratzentimeter Sterradiant atraumatisch und rückwirkungsfrei schnelle räumliche und zeitliche Änderungen in Mikrostrukturen beliebiger Verteilung innerhalb dieser Makrostruktur in Echtzeit mehrdimensional dynamisch gemessen bzw. dargestellt werden, so ist durch dio Laser-Mikroskopie dies nicht zu realisieren. Teilweise kann die Aufgabe, nämlich Mikrostrukturen beliebiger Verteilung in einer Makrostruktur mehrdimensional zu messen, durch bekannte magnetresonanz-tomografische Verfahren gelöst werden. Jedoch werden dazu Magnetfelder von mehrerenTesla benötigt, die nicht rückwirkungsfrei auf biologische Strukturen einwirken. (High technology Business, June [1988], S. 37). Außerdem sind fotospektrometrische, die Lichtreflexion nutzende Vorrichtungen bzw. eine entsprechende Anordnung für eine noninvasive kontinuierliche atraumatische Anwendung in vivo zur Diagnostik des Metabolismus in Körperorganen wie Gehirn und Herz bekannt (US-PS 4223680; 4281645; 4321930; 4380240). Diese Vorrichtungen applizieren Licht mit zwei definierten Wellenlängen in das 3ewebe, z.B. in den Wellenlängenbereichen von 700 bis 1300nm (im nahen lnfrarot[NIR]-Bereich). Dabei wird mit Hilfe lichtompfindlicher Detektoren in einer verhältnismäßig großen Entfernung von einigen Zentimetern vom Eintragungsoll die Reflexion bzw. die Transmission gemessen. Dadurch kommt es zu keiner differentiellen, sondern zu einer integralen räumlichen Messung und Auswertung.

Dieses hat den wesentlichen Nachteil, daß z. B. nur das gesamte Organ oder große Teile des Organs gemessen bzw. dargestellt werden können, also relativ große Volumina. Für die feinauflösende Tomografie und mehrdimensionale Darstellung ist ein derartig großes Volumenelement nicht geeignet. Das gilt besonders, wenn mit Ruckstreulicht gearbeitet werden soll. Weiterhin ist bekannt, zum Beispiel zur Erkennung des Brustkrebses die Brust mit NIR-Strahlung zu durchstrahlen, aber auch hier wird nur die Transmissionsstrahlung gemessen und keine punktuell-differentielle Messung vorgenommen (DE 3103609). Bekannt ist auch ein Verfahren zur Beurteilung eines oder mehrerer Gewebeteilchen im Gehirn oder der weiblichen Brust, wobei die bekannten Algorithmen zur Computertomografie genutzt werden und das Durchstrahlungsprinzip angewendet wird (US 4515165; US-PS 4649275; DD 210202; US-PS 4570638; DE 3019234C2). Dabei werden Strahlen (= 700 - 1300nm) durch das Gewebe geschickt, die auf ihrem Wege abgeschwächt werden. Dies' abgeschwächton Strahlen sind in bezug auf ihre Intensität nicht korrigierbar.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung (DE 3724593) ist bekannt, um das von der untersuchten Probenflüssigkeit unterschiedlich absorbierte Licht auf einem vorbestimmten Betrag zu halten, was wesentlich durch Einstellen der Länge des Lichtweges in der Probe geschieht.

Mit der Anwendung dieses Verfahrens bzw. der Vorrichtung, die wesentlich die Veränderung der Weglänge sowie eine Homogenität der Probe zur Voraussetzung hat, lassen sich die Strukturen nicht darstellen, wenn in einer wesentlichen inhomogenen, räumlich und phasisch im Millisekundenbereich sich ändernden Struktur Mikrovolumina gleicher Abmaße im Submikrometer- bis Zentimeterbereich und nach identischer Illumination diese Volumenelemente dynamisch in situ und/oder in vivo dargestellt werden und in Echtzeit verglichen werden sollen. Zweifelhaft ist die Möglichkeit, in einem alle Aggregatzustände Undefiniert umfassenden inhomogenen Körper, der aus chemischen Substanzen unbekannter Zusammensetzung und Menge besteht, die Weglänge des Lichtes *u ändern, ohne daß das zu messende Volumen dazu geändert werden muß. Inhomogene unterschiedliche Volumina zeigen aber keine zu den Volumina beziehbare Proportionalität der Lichtschwächung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Anordnung zu schaffen, wobei mit relativ billigen optoelektronischen Bauelementen und relativ geringen Lichtintensitäten von etwa 10mW pro Quadratzentimetei Sterradiant kleine und große inhomogene Makrostrukturen unregelmäßiger Oberfläche bestrahlt werden können unr' dadurch Strukturen in Medizin und Biologie, Naturstoffe, Mineralien, Werkstoffe, technische Fertigungen sowie kulturelle Wertobjekte einschließlich sich schnell ändernder Strukturen in situ und/oder in vivo mehrdimensional, zerstörungsfrei und weitgehend rückwirkungsfrei zeitspektralanalytisch und IR-spektroskopisch in Echtzeit dynamisch gemessen und feinaufgelöst tomografisch dargestellt werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur mehrdimensionalen Darstellung von Strukturen unter Ausnutzung oiner gezielten örtlich und volumendefinierten Streulichtmessung und der Verwendung von matrixförmig angeordneten IR-Lichtquellen und IR-Empfängern zu erhalten, wobei auch die sensorfernen Strukturen erfaßt werden, eine feinauflösende bzw. hochauflösende (bis in den Nanometerbereich) tomografische Darstellung ermöglicht wird und die Strukturen punktuell dynamisch dargestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die in einer Ebene angeordneten Lichtquellen und Empfänger als Flächenstrahler in z-Richtung zum zu messenden bzw. darzustellenden Objekt geführt werden, die Lichtquellen eine IR-Strahlung im NIR-Bereich mit einer bestimmten Strahlungsintensität aussenden, wobei die lH-emittierenden Dioden mit einem Spitzenstrom bis zu 1A bei einer Impulsfrequenz bis zu 100 KHz angesteuert werden und nach Empfang des Lichtes eine Echtzeitspuktralanalyse der Signale erfolgt. Anschließend werden die für bestimmte Frequenzbänder integral und differential gewonnenen Signale entsprechenden Farben zugeordnet und auf dem Monitor als Funktion der Intensität, des Ortes, der Zeitund der Wellenlänge dargestellt. Die Echtzeitspektralanalyse wird vorzugsweise für die Frequenzbänder 0,1-4 Hz, 4-8Hz und 8-12 Hz mit wählbarer Verschiebung der Frequenzbänder bis zu 1 KHz durchgeführt.

Es erfolgt der Einsatz des Flächenstrahlers in >.-y-z-Richtung im mehrdimensionalen Multiplexbetrieb dergestalt, daß mit dem Flächenstrahler die Flächen des darzustellenden Objektes bestrahlt werden. Diese Flächenbestrahlung führt zu einer axialen Intensitätsfokussierung im bestrahlten lichtstreuenden Objekt und ermöglicht eine selektive Illuminierung des jeweils senderfernsten Volumenelementes im darzustellenden, in sich nicht homogenen und sich räumlich, zeitlich und qualitativ in seiner stofflichen Zusammensetzung ändernder Objekt. Dieses senderfernste selektiv illuminierte Volumonelement wird mit Strahlungsintensitäten vorzugsweise in Größen von 0-10OmW · cm"² · sr"¹ des Flächenstrahlers erreicht, indem durch Multiplexbetrieb in z-Richtung das jeweils senderfernste Volumenelement intensitätsgestuft und intensicätsproportional in zunehmend tiefere bzw. senderfernere Schichten verlagert und dort durch mehrdimensionalen Multiplexbetrieb differentiell erfaßt sowie bevorzugt als Rückstreulioht detektiert wird. Dib Erfassung von Volumenelementen kann auch durch Detektion des transmittierten Lichtes erfolgen bzw. sowohl rückgestreutes als auch transmittiertes Licht werden zur Darstellung der Strukturen verwendet. Die Bestrahlung des darzustellenden Objektes wird im Pulsbetrieb realisiert, wobei infolge der axial erfolgenden IntensitJtsfokussierung durch Vergrößerung der mit einer bestimmten Intensität pro Quadratzentimeter bestrahlten Flächenbastrahlung erreicht wird, was durch axiale Detektion des rückgestreuten und/oder transmittierten Lichtes genutzt wird. Der Flächenstrahler zur Darstellung von Strukturen ist ein Flächensensor mit mehreren in x-y-Ebene angeordneten IR-Lichtquellen und Empfängern, die in z-Richtung strahlen und empfangen. Dieser Flächenstrahlungs-Empfangssensor besteht aus einzelnen Bauelementen, mit denen die darzustellende Struktur bzw. das Objekt netzartig teilweise oder ganz überzogen wird, wobei die einzelnen Bauelemente in einer Makrosende/empfangs-Matrix angeordnet sind und der unregelmäßigen Oberfläche der darzustellenden Struktur in verschiedenen Winkeln zueinander mehr oder weniger anliegen, was bei einer das einzelne Bauelement übergreifenden großflächigen Bestrahlung zu verschiedenen Strahlrichtungen der einzelnen Bauelemente führt. Aus diesem Grunde werden erfindungsgemäß auf jedem Bauelement an der dem darzustellenden Objekt abgewandten Seite ein oder mehrere Strahler angeordnet, die in Minus-z-Richtung strahlen und die der Positionierung sowohl des vom Flächenstrahlher-Empfänger überzogenen Objektes als auch zur Bestimmung der Position der einzelnen Bauelemente auf dem Objekt, insbesondere deren Winkelstellung zueinander, in einem Raumkoordinatensystem dienen. Da erfindungsgemäß der Flächenstrahler wahlweise in kleinschrittigem Multiplexbetrieb in x-y-Richtung bewegt wird, um so sich nahezu überlappende Flächen zu bectrahlen bzw. sich nahezu überlappende Flächen zu bestrahlen bzw. sich nahezu überlappende Volumenelemente in der Tiefe des darzustellenden Objektes selektiv zu illuminieren und diese Volumenelemente axial ohne Überlappung detektieren zu können, sind die einzelnen Bauelemente mikrostrukturiert. Dazu werden Sender und Empfänger in einem Abstand von 10-20 μηη also Mikro-Matrix aui diesem Bauelement sowie als Strahler verschiedener Wellenlängen um den Empfänger angeordnet. Dies erlaubt die IR-spektroskopische Darstellung aus ^.wählter Stoffe im NIR-Bereich bzw. im Oberschwingungsbereich der Molekülschwingungen mit einer Auflösung im Moiekülgrößen- bzw. Submikrometerbereich, wobei die detektieren Stoffe verschiedenen Farben zugeordnet und auf dem Monitor als Funktion der Intensität, des Ortes und der Zeit, beispielsweise zeitspektralanalytisch dargestellt werden.

Es werden mit dem mikro- und makrostrukturierten Flächensensor IR-spektroskopische Darstellungen von Volumenelementen in situ bzw. innerhalb inhomogener, sich zeitlich, räumlich und qualitativ in ihrer stofflichen Zusammensetzung ändernder Makrostrukturen möglich durch gezielte Illuminierung der Volumenelemente gleicher Abmaße mit identischer Intensität, wobei die Steuerung der Intensität zum Erreichen dieser Illumination dynamisch durch punktuell-differentiell gemessene volumenelement-spezifische Schwächungskoeffizienten in Echtzeit erfolgt und diese, von ein und demselben Volumenelement erhaltene, sich zeitlich, qualitativ und quantitativ unterscheidenden Schwächungskoeffizienten bzw. volumenelementspezifischen Schwächungsgradienten-Profile im Rechner gespeichert werden und zur exakten räumlichen Zuordnung der mehrfach gemessenen Volumenelemente in der darzustellenden Makrostruktur genutzt werden. Somit werden sowohl die mit dem Flöchensttahler-und-Empfänger integral als auch differentiell gewonnenen Signale zur Darstellung bzw. Kontrastdarstellung von Strukturen innerhalb der dargestellten Makrostruktur genutzt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachfolgend anhang von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden:

Fig. 1: zeigt schematisch das mittels der Erfindung darzustellende Objekt als Schnittebene durch den oberen Teil sowie dessen unregelmäßige Oberfläche im unteren Teil des Objektes. Die Oberfläche ist von IR-Flächen-Sende- und Empfangs-Bauelementen netzartig in Form einer Matrix überzogen. Durch die MikroStruktur dieser Bauelemente wird eine bauelement-übergreifende Flächenhsstrahlung und axiale Detektion der rückgesteuerten IR-Strahlung im mehrdimensionalen Multiplexbetrieb m x-y-Richtung ermöglicht.

Fig. 2: zeigt schematisch die sequentielle selektive Illuminierung von unterschiedlich quantitativ und qualitativ

lichtschwächenden Mikrostrukturen bzw. Volumenelementen gleicher Abmaßezi; z2; z3;...; zk in z-Richtung eines x-y-z-Koordinatensystems mit der Illuminationsintensität I₀ in einer inhomogenen, durch die Gesamtheit der Volumenelemente gebildeten Makrostruktur. S - Lichtsender.

Fig. 3: zeigt die Computerausdrucke einer Sequenz 11,12, t3, t4 von einer zeitspektralanalysierten biologischen Struktur als ein Mapping von 16 Punkten dieser Struktur einer bestimmen z-Ebene.

Die Erfindung soll am Beispiel des Gehirns erläutert werden. Die Erfindung ist keinesfalls auf dieses Organ beschränkt: so kann mit der Erfindung auch durch die Baumrinde hindurch die zeitliche oder räumliche Struktur dieses Baumes in vivo beurteilt werden und unter verschiedenen Gesichtspunkten mehrdimensional dargestellt werden. Auch die inneren Strukturen bestimmter Natursteine lassen sich in situ darstellen.

In Figur 1 und 2 ist die Verfahrensweise dargelegt, mit der ein inhomogenes, relativ großes, darzustellendes Objekt mittels einer Flächenstrahlers, dessen Strahlungsquerschnitt der Fläche des darzustellenden Objektes entsprechen kann, bestrahlt wird. Die 5 Pfeilpaare repräsentieren hierbei 5 Sektionen auf der dargestellten Schnittebene beispielsweise des Hirnschädels, über den der Flächenstrahler in jeweils hier eingezeichneten 39 kleinen Multiplexschritten in x-y-Richtung geführt wird. Bei jedem Multiplexschritt wird axial der Rückstreustrahl gemessen. Diese Messung erfolgt, da auch in z-Richtung im Multiplexbetrieb intensitätsgestuft bestrahlt wird, mehrdimensional differentiell vom jeweils senderfernsten Volumenelement, da dieses infolge der axialen Intensitätsfokussierung durch die Flächenbestrahlung intensitätsproportional selektiv illuminiert wird. Durch Echtzeitermittlung der volumenolementspezifischen NIR-Schwächungsgradienten-Profile, die dem einzelnen Volumenelementsozusagen ein unverwechselbares Profil geben, wird eine exakte räumliche Zuordnung der Volumenelemente, die mehrta^ innerhalb der Makrostruktur beispielsweise des Gehirns gemessen wurden, ermöglicht. Durch Anordnung von Strahlern auf der dem darzustellenden Objekt Gehirn abgewandten Seiten der Bauelemente und deren Strahlen in Minus-z-Richtung wird sowohl die Position des darzustellenden Objektes Gehirn bzw. Gehirnschädel als auch die Winkelstellung der auf dieser unregelmäßigen Schädeloberfläche angeordneten Bauelemente zueinander bestimmbar, so daß durch i\e zusätzliche Anordnung ein weiterer Faktor für eine exakte räumliche Zuordnung der axial gemessenen Volumenelemente der darzustellenden Struktur, auch in deren Tiefe, ermöglicht wird.

Da das darzustellende Objekt Gehirn IR-spektroskopisch gemessen bzw. dargestellt werden soll, ist eine für jedes Volumenelement identische Illuminations-Intensität I₀ (vgl. Fig. 2) zu gewährleisten, wenn die einzelnen Volumenelemente miteinander verglichen werden sollen bzw. in ihren Intenuitäts- bzw. Grauwertabstufungen NIR-tomografisch dargestellt werden sollen. Diese Aufgabe wurde gelöst, indem die echtzeitermittelten NIR-Schwächungskoeffizienten von jedem gemessenen Volunenelement bei der Ansteuerung des nächstfernen selektiv zu illuminierenden Volumenelementes berücksichtigt werden.

In Figur 3 sind 4 Sequenzen bzw. zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführte Mappings des beispielsweise Gehirns dargestellt. Um zu diesem Mapping zu gelangen, wurde Licht durch IR-empfindliche Flächendioden detektion. Nach I/U-Wandlung, Messung über einen Tief- oder Bandpaß, Trennung und Verstärkung des Signals in ein AC- und DC-Signal, Multiplexbetrieb von AC und DC, Verstärkung und Analog/Digital-Wandlung der Signale auf mehreren Kanälen, Eingabe der von mehreren Kanälen gewonnenen Signale eines wählbaren 3-Sekundenabschnittes in den Rechner erfolgt die Echtzeitspektralanalyse der mittels Bandpässen gewonnenen Daten im Rechner bzw. die Powerspektralanalyse der Daten aus mehreren Kanälen und die Darstellung als mehrdimensionales dynamisches - und in diesem Falle des Ausdruckes - als statisches Mapping von beispielsweise 16 Meßpunkten des Gehirnschädels, wobei hier die Besonderheiten der Meßpunktverteilung auf dem Schädel, wie sie vom international für EEG-Ableitungen gebräuchlichen Ten-Twenty System bekannt sind, berücksichtigt wurden. Das heißt. Figur 3 gibt ein Beispiel, wie von 16 Regionen des Kopfes Zeitspektralanalysen von diesen 16 Regionen für mehrere Frequenzbänder, z. B. 0,1-4 Hz, 4-8Hz und 8-12 Hz frequenzselektiv als Mapping gewonnen werden können, diese Mappings bestimmten Farben Rot, Grün, Blau zugeordnet, auf dem Monitor als Funktion der Intensität, des Ortes und der Zeit vor, während und nach einem stattgefundenen Ereignis als Sequenz bzw. statisches Mapping dargestellt werden können, wobei die für die einzelnen Frequenzbänder gewonnenen Mappings durch den Computer als Mischfarbenbild wieder zusammengefügt werden können oder als grauwertskaliertes Mapping über die Intensitätsverteilung dieser Frequenz von 16 Regionen des beispielsweise Gehirns in einer bestimmten z-Ebone bzw. Tiefe des Gehirns Auskunft geben. Solche Mappings können simultan vom EEG oder Magneto-Enzephalogramm mit diesem NIR-Mapping abgeleitet bzw. nebeneinander auf dem Monitor beispielsweise für die gleiche Zeit und die gleiche Frequenz dargestellt werden.

Claims (17)

1. Verfahren zur Darstellung von Strukturen, insbesondere unter Ausnutzung einer gezielten örtlich und volumendefinierten Streulichtmessung mit mehreren nebeneinander in einer x-y-Ebene angeordneten Lichtquellen und Empfängern als Flächenstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Ebene angeordneten Lichtquellen und Empfänger als Flächenstrahler und -empfänger in z-Richtung zum zu messenden Objekt geführt werden, die Lichtquellen eine IR-Strahlung im NIR-Bereich mit einer bestimmten Strahlungsintensität aussenden, wobei die IR-emittierenden Dioden mit einem Spitzenstrom bis zu 1A bei einer Impulsfrequenz bis zu 100 kHz angesteuert werden, und daß dns im Multiplexbetrieb in x-y-z-Richtung intensitätsgeändert und in z-Richtung zum zu messenden inhomogenen, sich zeitlich, räumlich und qualitativ in seiner stofflichen Zusammensetzung ändernden Objekt geführte Licht die darzustellenden Volumenelemente gleicher Abmaße mit identischer Intensität selektiv illuminiert werden, und daß nach Empfang des Lichtes die Steuerung der Intensität zum Erreichen dieser Illumination dynamisch durch punktuelldifferentiell gemessene volumenelement-spezifische Schwächungskoeffizienten in Echtzeit erfolgt und diese, von ein und demselben Volumenelement erhaltenen, sich zeitlich, qualitativ und quantitativ unterscheidenden Schwächungskoeffizienten als volumenelement-spezifische Schwächungsgradienten-Profile im Rechner gespeichert und zur exakten räumlichen Zuordnung der mehrfach gemessenen Volumenelemente herangezogen werden, sowie die echtzeitspektralanalytisch für bestimmte Frequenzbänder gewonnenen volumenelementspezifischen Schwächungsgradienten bestimmten Farben zugeordnet und auf dem Monitor als Funktion der Intensität, des Ortes, der Zeit und der Wellenlänge dargestellt werden.

2. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der IR-Lichtquellen in der x-y-z-Richtung im Multiplexbetrieb erfolgt und mehrdimensional in x-, y- und z-Richtung differentiell gemessen wird.

3. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahlung axial intensitätsfokussiert wird und der Intensitätsfokus des Flächenstrahlers ein Drittel des Durchmessers des strahlenden Ringes beträgt.

4. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität der als Flächenstrahler angeordneten Lichtquellen vorzugsweise in Größen von 0-10OmW · cm"² · sr"¹ gestuft bzw. gezielt geändert wird.

5. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfang des Lichtes bevorzugt als rückgestreutes Licht axial erfolgt.

6. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Spektren der Stoffe in deren Oberschwingungsbereich gemessen und aufgelöst und im NIR-Bereich dargestellt werden.

7. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfang des transmittierten Streulichtes vorzugsweise axial erfolgt.

8. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Echtzeitspektralanalyse vorzugsweise für die Frequenzbänder 0,1-4 Hz, 4-8 Hz und 8-12 Hz mit wählbarer Verschiebung bis zu 1 KHz durchgeführt wird.

9. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integral erhaltenen Signale zur Darstellung der Strukturen verwendet werden.

10. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der qualitativ inhomogenen Volumenelemente gleicher Abmaße im Submik'OimeterbisZentimeterberoich in situ mit Strahlungsintensitäten erfolgt.

11. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Darstellung von Volumenelementen des zu messenden Objektes der Strahlungsquerschnitt des Flächenstrahlers geändert wird.

12. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrastdarstellung bestimmter Strukturen in situ bestimmte volumenelement-spezifische Schwächungsgradienten genutzt werden.

13. Verfahren zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-spektroskor sch erhaltenen Schwächungsgradienten zur Darstellung bestimmter Strukturen verwendet werden.

14. Anordnung zur Darstellung von Strukturen, insbesondere unter Ausnutzung einer gezielten örtlich und volumendefinierten Streulichtmessung mit mehreren nebeneinander in einer x-y-Ebene

angeordneten IR-Uchtquellen und Empfängern als Flächenstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß die in χ-γ-Ebene angeordneten und in z-Richtung strahlenden und empfangenen Bauelemente eine MikroStruktur aus Sendern und Empfängern aufweisen und diese Bauelemente das zu messende bzw. darzustellende, in seiner Struktur und Oberfläche inhomogene angenähert runde

Objekt als großflächige Sender-Empfänger-Matrix netzartig anliegend überziehen und daß auf den

Bauelementen an der dem zu messenden Objekt abgewandten Seite die Strahler angeordnet sind, die mitbestimmter Wellenlänge in Minus-z-Richtung strahlen.

15. Anordnung zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente der großflächigen Sender-Empfänger-Matrix einen Durchmesser im Millimeter- bis Zentimeterbereich aufweisen.

16. Anordnung zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger in den mikrostrukturierten Bauelementen in einem Abstand von 10-20μηΊ angeordnet sind.

17. Anordnung zur Darstellung von Strukturen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Empfänger angeordnete Strahler verschiedener Wellenlängen die Mikrostrukturelemente des Bauelementes bilden.