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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennpunktes
eines hochintensiven fokussierten Ultraschallfeldes. Die Erfindung
bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Zur
Zerstörung
von krankhaftem Körpergewebe,
beispielsweise zur Behandlung von Krebserkrankungen, wird in der
Medizintechnik sogenannter hochintensiver fokussierter Ultraschall
(HIFU) eingesetzt. Eine Vorrichtung hierfür wird im Folgenden als (Ultraschall-)Ablationseinrichtung
bezeichnet. Bei einer solchen Behandlung wird das Gewebe einem HIFU-Feld
ausgesetzt. Im Brennpunkt des Ultraschallfeldes wird das Gewebe
durch die Absorption des Ultraschalls auf bis zu 100°C erhitzt
und dadurch zerstört.
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Um
den Brennpunkt des Ultraschallfeldes auf die richtige Stelle im
Körper
zu richten, wird üblicherweise
mit einem parallel betriebenen bildgebenden Verfahren die geometrische
Ausrichtung des fokussierten Ultraschallfeldes vorgenommen. Normalerweise
werden hierfür
als bildgebende Modalität
ein bildgebendes Ultraschallgerät
oder ein Magnetresonanztomograf eingesetzt. Um die gewünschte Ausrichtung
des Ultraschallfeldes anhand eines von der Modalität erzeugten
Patientenbildes auswählen
zu können,
müssen
die Ablationsvorrichtung und die bildgebende Modalität mit hoher
Genauigkeit aufeinander räumlich
justiert werden.
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Bildgebende
Verfahren werden zudem auch während
der Behandlung des Patienten mit dem HIFU-Feld eingesetzt, um die
tatsächliche
Lage und Ausdehnung des Brennpunkts, aber auch die Gewebetemperatur
im Brennpunkt und/oder die eingestrahlte Leistung zu kontrollieren.
Das Gewebe wird nämlich
erst dann zerstört,
wenn es über
einen bestimmten Zeitraum auf Temperaturen von 80°C bis 100°C erhitzt
wird. Die tatsächliche
Temperatur im Brennpunkt ist aber in der Praxis nur vergleichsweise ungenau
vorausberechenbar, da das Gewebe in verschiedenen Körperbereichen – bedingt
durch den Blutfluss, die Nähe
zur Körperoberfläche, etc. – unterschiedlich
stark gekühlt
wird, und andererseits aufgrund von unterschiedlichem Fett-/bzw.
Wassergehalt unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten
aufweist.
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Eine
nichtinvasive Bestimmung der Temperatur und Temperaturänderung
im Körper
ist prinzipiell mittels Magnetresonanztomographie möglich. Um sichere
Aussagen über
die Körpererwärmung und den
Leistungseintrag in den Körper
treffen zu können,
ist aber auch hier eine Justierung der bildgebenden Modalität auf die
Ablationsvorrichtung erforderlich.
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Bevor
eine HIFU-Ablationsvorrichtung erstmalig an einem Menschen angewendet
werden kann, muss kontrolliert werden, ob das parallel betriebene
bildgebende Verfahren wichtige Kenngrößen des Brennpunktes wie beispielsweise
die voraussichtliche Lage und Ausdehnung, sowie gegebenenfalls die
deponierte Leistung und die Temperatur im Brennpunkt korrekt abbildet.
Es ist ferner wünschenswert,
solche Kontrollen auch im laufenden Betrieb der Ablationsvorrichtung
in regelmäßigen Abständen zu
wiederholen, um eine allmähliche
Dejustierung der Ablationsvorrichtung bezüglich der begleitend eingesetzten
bildgebenden Modalität
auszuschließen.
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Herkömmlicherweise
wird im Zuge einer solchen Kontrolle totes Gewebe oder eine andere
als Messphantom geeignete Substanz einem HIFU-Feld ausgesetzt. Da
die vom Brennpunkt des HIFU-Feldes
getroffenen Stellen im Gewebe durch die Erhitzung verändert, beispielsweise
verfärbt
sind, kann im Nachhinein durch Aufschneiden des Gewebes die Lage
des Brennpunktes festgestellt werden. Die durch das Ultraschallfeld
deponierte Leistung wird üblicherweise
anhand der Verfärbung
des Gewebes oder durch eine Temperaturmessung mit einem Thermometer
abge schätzt.
Dieses Verfahren ist sehr zeitaufwändig und ermöglicht keine
kontinuierliche Kontrolle des Brennpunktes.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kontrolle
eines Brennpunktes eines HIFU-Feldes anzugeben, das schnell, einfach
und kontinuierlich durchführbar
ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur
Durchführung
des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Danach ist vorgesehen, ein Messphantom einem hochintensiven fokussierten
Ultraschallfeld auszusetzen. Mit einem optischen Verfahren wird
dann ein im Messphantom entstandener Dichtegradient sichtbar gemacht,
und daraus mindestens eine Kenngröße des Brennpunktes des Ultraschallfeldes
bestimmt.
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Dabei
wird ausgenutzt, dass sich im Brennpunkt des Ultraschallfeldes die
Temperatur im Messphantom durch den absorbierten Ultraschall erhöht, wodurch
sich die Dichte im Bereich des Brennpunktes ändert.
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Ein
zur Sichtbarmachung des Dichtegradienten geeignetes optisches Verfahren
ist mit vergleichsweise einfachen Mitteln durchzuführen. Insbesondere
ist es mit einem optischen Verfahren möglich, Kenngrößen des
Brennpunktes – wie
beispielsweise seine Lage – schnell
und vor allen Dingen kontinuierlich festzustellen. Es ist also möglich, den Brennpunkt
zu kontrollieren, wobei gleichzeitig die Ablationsvorrichtung mit
der begleitenden bildgebenden Modalität justiert werden kann. Die
Verwendung eines optischen Verfahren zur Brennpunktkontrolle ist
dabei auch insofern von Vorteil, als ein optisches Verfahren problemlos
auch im Magnetfeld eines Kernspintomographen durchführbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens werden als Kenngröße die Position
des Brennpunktes, die Geometrie – d. h. die Form und Ausdehnung – des Brennpunktes,
die Temperatur und/oder die deponierte Leistung im Brennpunkt des Ultraschallfeldes
bestimmt. Da es bei der Behandlung mit HIFU wesentlich darauf ankommt,
welche Temperatur das zu zerstörende
Gewebe während der
Behandlung erreicht, erweist es sich als besonders vorteilhaft,
dass bei dem vorgesehenen Verfahren nach einer entsprechenden Kalibrierung
die Temperatur bzw. die deponierte Leistung im Brennpunkt direkt
aus den Bildern des optischen Verfahrens abgelesen werden kann.
Das Verfahren ist somit vorteilhafterweise insbesondere dazu geeignet,
eine Temperaturdarstellung eines parallel betriebenen Kernspintomographen
zu überprüfen und/oder
zu justieren.
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Bevorzugt
wird als Messphantom eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Küvette eingesetzt.
Dabei ist die Flüssigkeit
zweckmäßigerweise
optisch durchsichtig. Vorteilhafterweise weist die Dichte der Flüssigkeit
weiterhin eine starke Temperaturabhängigkeit auf, sodass bereits
eine kleine Temperaturänderung einen
hohen Dichtegradienten verursacht, wodurch ein konturenreiches Abbild
des Dichtegradienten und damit des Brennpunktes erzeugt wird.
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Zweckmäßigerweise
wird als Messphantom eine hochviskose Flüssigkeit, insbesondere ein
Gel eingesetzt. Dadurch wird ein Aufsteigen des im Brennpunkt erwärmten Flüssigkeitsbereichs
verhindert. Dieses Aufsteigen würde
das Abbild des Brennpunktes verzerren. Bei Einsatz eines Gels kann
vorteilhafterweise die Justierung des parallelen bildgebenden Verfahrens
bzw. des Brennpunktes über
einen vergleichsweise längeren
Zeitraum erfolgen.
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Zur
Sichtbarmachung des durch das HIFU-Feld im Messphantom verursachten
Dichtegradienten wird allgemein das Phänomen ausgenutzt, dass sich
der Brechungsindex eines Mediums mit seiner Dichte ändert.
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Hierfür ist in
einer ersten vorteilhaften Alternative des Verfahrens vorgesehen,
ein sogenanntes Schattenverfahren he ranzuziehen. Dabei werden aus
einer Punktlichtquelle mittels einer ersten Linse parallele Lichtstrahlen
erzeugt, welche durch ein Medium gesandt werden. Mittels einer zweiten
Linse werden die aus dem Medium austretenden Lichtstrahlen wieder
gebündelt
und beispielsweise auf einen Projektionsschirm projiziert. Bei einer
konstanten Dichte des Mediums – und
damit einem konstanten Brechungsindex des Mediums – ist dann
eine gleichmäßig helle
Fläche
auf dem Projektionsschirm zu sehen. Ist das Medium jedoch mit einem
Dichtegradienten behaftet, werden die Lichtstrahlen aufgrund des variierenden
Brechungsindex unterschiedlich stark abgelenkt, sodass auf dem Projektionsschirm
eine räumliche
Helligkeitsfluktuation entsteht, die den Dichtegradienten im Medium
abbildet.
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In
einer weiteren Alternative des Verfahrens ist vorgesehen, den Dichtegradienten
im Messphantom mit einem sogenannten Schlierenverfahren zu bestimmen.
Dabei wird in den oben beschriebenen Strahlengang des Schattenverfahrens
im Brennpunkt der zweiten Linse eine scharfe Kante eingebracht. Durch
die Kante werden Lichtstrahlen, die durch den Dichtegradienten in
Richtung der Kante abgelenkt werden, abgedeckt, erreichen also nicht
den Projektionsschirm. Lichtstrahlen, die in die andere Richtung abgelenkt
werden, erreichen den Projektionsschirm auch dann noch, wenn sie
sich im Schatten der Kante befinden, sodass insgesamt ein kontrastreicheres Abbild
des Dichtegradienten entsteht als bei dem oben beschriebenen Schattenverfahren.
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In
einer anderen Alternative des Verfahrens wird der Dichtegradient
im Messphantom mit einem sogenannten Interferenzverfahren sichtbar
gemacht. Dabei wird ein kohärenter
Lichtstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, welche in einem gewissen
Abstand zueinander parallel durch das Medium gesandt und anschließend – beispielsweise
auf dem Projektionsschirm – überlagert
werden. In einer Variante dieses Verfahrens ist vorgesehen, den
ersten Lichtstrahl durch das Medium zu senden, wohingegen der zweite
Lichtstrahl als Referenzstrahl direkt auf den Projektionsschirm
gesandt wird. Ist das Medium mit einem Dichtegradienten behaftet,
so entsteht – durch den
unterschiedlichen Brechungsindex und die dadurch verursachte unterschiedliche
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im Medium – ein Gangunterschied
der beiden Lichtstrahlen. Werden die beiden Lichtstrahlen nun überlagert,
so interferieren sie miteinander. Abhängig von der Brechungsindexverteilung,
und dem hieraus resultierenden Gangunterschied der Lichtstrahlen
unterschiedliche Gangunterschiede entsteht hierbei wiederum eine
Helligkeitsfluktuation auf dem Projektionsschirm.
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Zweckmäßigerweise
wird zur Auswertung des optischen Verfahrens eine Digitalkamera
eingesetzt. Vorteilhafterweise können
dann die aufgenommen Bilder unmittelbar einer Softwareapplikation
zur Auswertung zugeführt
werden.
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In
einer vorteilhaften Variante rotiert das Messphantom um die Achse
eines Lichtstrahls des optischen Verfahrens, der auf das Messphantom
gerichtet ist. Durch die Rotation des Messphantoms wird ein durch
den Dichtegradienten verursachtes Aufsteigen der erwärmten Flüssigkeit
im Messphantom unterbunden, wodurch eine Verzerrung des Abbilds
des Brennpunkts durch die Wärmeströmung verhindert
oder zumindest reduziert bzw. verzögert werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante werden bei dem optischen Verfahren
mindestens zwei nicht-parallele Lichtstrahlen zur dreidimensionalen Darstellung
des Brennpunktes eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich rotiert dabei die Achse
des oder jeden auf das Messphantom gerichteten Lichtstrahls des optischen
Verfahrens um das Messphantom. Bei beiden Varianten werden verschiedene
Projektionsbilder des Dichtegradienten aus unterschiedlichen Richtungen
erzeugt. Aus diesen Projektionsbildern wird in einer vorteilhaften
Weiterentwicklung des Verfahrens – etwa analog zu der Erzeugung
eines Computertomogramms – durch
Rekonstruktion (auch als Rückprojektion
bezeichnet) eine dreidimensionale Darstellung des Brennpunktes berechnet.
Durch zeitgleiche Rotation zweier oder mehre rer nicht-paralleler
Strahlen um das Messphantom wird eine besonders schnelle Aufnahme
der Projektionsbilder erreicht.
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Bezüglich der
Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 15. Danach umfasst die Vorrichtung ein
Messphantom und eine optische Einrichtung. Die optische Einrichtung
ist dazu geeignet, anhand eines durch ein hochintensives, fokussiertes Ultraschallfeld
im Messphantom erzeugten Dichtegradienten mindestens eine Kenngröße des Brennpunktes
des Ultraschallfeldes zu bestimmen. Die Vorrichtung ist insbesondere
zur Durchführung
einer der vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten ausgebildet.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden bevorzugt
dazu verwendet, um die Ultraschall-Ablationsvorrichtung räumlich mit
einer bildgebenden Modalität,
insbesondere einem bildgebenden Ultraschallscanner oder einem MR-Tomographen,
zu justieren. Hierzu wird bei gleicher Einstellung der Ablationsvorrichtung
der Brennpunkt des von dieser erzeugten Ultraschallfeldes einerseits
mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens und andererseits
durch die bildgebende Modalität
abgebildet. Durch Vergleich der resultierenden Bilder werden die
internen Koordinatensysteme der Ablationsvorrichtung und der bildgebenden
Modalität
räumlich
korreliert. Das Messphantom enthält hierbei
zweckmäßigerweise
Strukturen, die sowohl durch das vorstehend beschriebene Verfahren
als auch durch die bildgebende Modalität abgebildet werden, und die
als räumliche
Orientierungspunkte für
den Abgleich der Bilder herangezogen werden.
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Durch
die vorstehend beschriebene Justierung wird ermöglicht, die Lage des Brennpunktes
des HIFU-Feldes bei gegebener Einstellung der felderzeugenden Ablationsvorrichtung
in einem mittels der Modalität
aufgenommenen Patientenbild mit hoher Präzision vorauszusagen. Hierdurch
kann die gewünschte
Ausrichtung des HIFU-Feldes anhand des von der Modalität erzeugten
Patientenbildes ausgewählt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die zugehörige
Vorrichtung werden weiterhin auch dazu verwendet, um einen zur Temperaturbestimmung während einer
Ultraschall-Ablation eingesetzten MR-Tomographen zu kalibrieren.
Hierzu wird ein auch als Magnetresonanz-Phantom verwendbares Messphantom
einem HIFU-Feld ausgesetzt. Der sich im Messphantom ausbildende
Brennpunkt wird mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens
abgebildet, wobei aus dem verfahrensgemäß erzeugten Bildern die Temperatur
im Brennpunkt und/oder die eingetragene thermische Leistung bestimmt
werden. Gleichzeitig wird mittels des MR-Tomographen eine sogenannte Temperaturkarte
erzeugt. Die hierin am Ort des Brennpunktes angegebene Temperatur
bzw. Temperaturänderung
wird hierbei an die mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens
ermittelte Temperatur bzw. Temperaturänderung angepasst.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der zugehörigen
Vorrichtung ist insoweit eine einfache und präzise Eichung des MR-Tomographen
hinsichtlich der von diesem ermittelbaren Temperatur bzw. Temperaturänderung
möglich.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Kontrolle eines Brennpunktes eines hochintensiven fokussierten
Ultraschallfeldes,
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2 in
Darstellung gemäß 1 eine
zweite Ausführungsform
der Vorrichtung.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Kontrolle eines Brennpunktes 2 einer – nicht
dargestellten Ultraschall-Ablationseinrichtung. Die Vorrichtung 1 umfasst
ein Messphantom 3, auf das der Brennpunkt 2 eines
HIFU-Feldes gerichtet werden kann, sowie eine optische Einrichtung 4,
die dazu ausgebildet ist, einen unter Einwirkung des Ultraschallfeldes
in dem Messphantom 3 entstehenden Dichtegradienten mittels
des sogenannten Schlierenverfahrens darzustellen.
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Das
Messphantom 3 umfasst eine Glasküvette 5, die mit einer
optisch durchsichtigen Flüssigkeit 6 gefüllt ist.
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Die
optische Einrichtung 4 umfasst eine Lichtquelle 7,
einen Projektionsschirm 8, eine erste Blende 9 mit
einer ersten Kante 10 und eine zweite Blende 11 mit
einer zweiten Kante 12, sowie eine erste Linse 13 und
eine zweite Linse 14.
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Von
der Lichtquelle 7 wird ein Lichtstrahl 15 entlang
einer optischen Achse 16 durch das Messphantom 3 hindurch
auf den Projektionsschirm 8 emittiert. Zur Erzeugung eines
Parallelstrahls ist dabei die erste Linse 13 zwischen der
Lichtquelle 7 und dem Messphantom 3 in den Strahlengang
eingebracht, wohingegen mit der zweiten Linse 14, die sich zwischen
dem Messphantom 3 und dem Projektionsschirm 8 befindet,
die Lichtstrahlen wieder gebündelt werden.
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Die
Kante 10 ist zwischen der Lichtquelle 7 und der
ersten Linse 13 im von der optischen Achse 16 leicht
exzentrischen Brennpunkt B1 der ersten Linse 13 in den
Strahlengang eingebracht. Die zweite Kante 12 befindet
sich im Brennpunkt B2 der zweiten Linse 14 zwischen der
zweiten Linse 14 und dem Projektionsschirm 8.
Die beiden mit den Kanten 10, 12 versehenen Blenden 9, 11 sind
dabei jeweils im rechten Winkel zur optischen Achse 16 ausgerichtet. Dabei
ist die erste Blende 9 so positioniert, dass sich ihre
Kante 10 leicht außerhalb
der optischen Achse 16 befindet, so dass sie einen Lichtstrahl 15 entlang der
optischen Achse 16 passieren lässt. Die zweite Blende 11 ist
so ausgerichtet, dass ihre Kante 12 von der zur Kante 10 entgegengesetzten
Seite so die optische Achse 16 des Lichtstrahls 15 berührt, dass
bei einer konstanten Dichte der Flüssigkeit 6 gerade
kein Licht am Projektionsschirm 8 an kommt. Erst wenn durch
das HIFU-Feld eine räumliche
Fluktuation der Dichte im Messphantom 3 erzeugt wird, wird
der Lichtstrahl 15 durch den variierenden Brechungsindex
der Flüssigkeit 6 im
Winkel α zur
optischen Achse 16 abgelenkt und erreicht nun den Projektionsschirm 8.
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In 2 ist
eine weitere Alternative der Vorrichtung 1 dargestellt.
Der Aufbau ist analog zur ersten Alternative, allerdings wird hier
der Lichtstrahl 15 mittels einer dritten Linse 20 auf
eine Digitalkamera 21 fokussiert, die anstelle des Projektionsschirms 8 tritt.
Die Digitalkamera 21 ist mit einer (Software-)Applikation 22 gekoppelt,
mit welcher aus den Aufnahmen der Digitalkamera 21 als
wichtige Kenngrößen K des
Brennpunktes 2 seine Temperatur T, die im Brennpunkt 2 deponierte
Leistung P, seine Lage X, sowie sein mittlerer Durchmesser D bestimmt
werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Brennpunkt
- 3
- Messphantom
- 4
- optische
Einrichtung
- 5
- Glasküvette
- 6
- Flüssigkeit
- 7
- Lichtquelle
- 8
- Projektionsschirm
- 9
- Blende
- 10
- Kante
- 11
- Blende
- 12
- Kante
- 13
- Linse
- 14
- Linse
- 15
- Lichtstrahl
- 16
- optische
Achse
- 20
- Linse
- 21
- Digitalkamera
- 22
- Applikation
- α
- Winkel
- B1,
B2
- Brennpunkt
- D
- Durchmesser
- K
- Kenngröße
- P
- Leistung
- T
- Temperatur
- X
- Lage