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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung menschlichen Gewebes mittels THz-Strahlung.
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Der Einsatz von THz-Strahlung zur Untersuchung menschlichen Gewebes, insbesondere zur Erkennung von Hautkrebs ist bereits bekannt. Im Frequenzbereich von 0,1 bis 5 THz können in der Haut Änderungen des Brechungsindex und des Absorptionsverhalten durch Reflexionsmessungen analysiert werden, wobei gesunde Hautzellen und Krebszellen einen unterschiedlichen Wassergehalt und daher einen unterschiedlichen Brechungsindex und ein unterschiedliches Absorptionsverhalten aufweisen. Die zu erwartende Abweichung zwischen gesunder und an Krebs erkrankter Haut liegt bei ca. 10%. Durch die Frequenz wird die optische Auflösung und Eindringtiefe bestimmt. Niedrige Frequenzen um 200 GHz besitzen eine Auflösung von 2,5 mm. Höhere Frequenzen können feiner auflösen, haben aber eine geringere Eindringtiefe und erfordern einen größeren Aufwand bei der Generierung.
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Die
DE 10 2010 003 239 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung von Hautkrebs mittels THz-Strahlung, bei welchen eine Probe mit Sende-THz-Strahlung bestrahlt und von der Probe stammende Empfangs-THz-Strahlung ausgewertet wird. Die Vorrichtung weist einen Sendezweig mit einer Sendeantenne zur Abstrahlung eines frequenzvervielfachten Hochfrequenzsignals und einen Empfangszweig mit einer Empfangsantenneneinrichtung zum Empfang der Empfangs-THz-Strahlung auf. Die Anwendbarkeit derartiger Untersuchungen ist aufgrund der Größe und Komplexität der verwendeten Apparaturen und der damit einhergehenden Kosten jedoch eingeschränkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Untersuchung menschlichen Gewebes mittels THz-Strahlung. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer Sende-THz-Strahlung, einen Untersuchungskopf zur Positionierung an einem zu untersuchenden Gewebe, mindestens einen Wellenleiter zum Leiten der Sende-THz-Strahlung von der Strahlungsquelle zum Untersuchungskopf und Strahlungsdetektor zum Detektieren einer von dem Gewebe stammenden Empfangs-THz-Strahlung.
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Die Vorrichtung wird mit THz-Strahlung betrieben wird, die sensitiv auf Wassergehalte, insbesondere auf den Wassergehalt in der Haut, reagiert. Damit können u. a. maligne Melanome (Hautkrebs) identifiziert werden. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Wellenleiters, der die Strahlungsquelle mit dem Untersuchungskopf verbindet, ermöglicht es, den Untersuchungskopf unabhängig von der Strahlungsquelle zu positionieren, wobei präzise Justage und entsprechende Einrichtungen zu diesem Zweck nicht erforderlich sind, so dass die Vorrichtung einfach herzustellen und zu handhaben ist. Dies ermöglicht die kostengünstige Untersuchung durch einen einzelnen Arzt, Krankenpfleger oder auch den Patienten selbst. Aufgrund der geringen Kosten sind weitere Anwendungen wie z.B. allgemeine Hautfeuchtemessung praktikabel. Auch innere Organe können aufgrund des Aufbaus untersucht werden.
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zur Untersuchung menschlichen Gewebes mittels THz-Strahlung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Erzeugens einer Sende-THz-Strahlung mittels einer Strahlungsquelle, einen Schritt des Positionierens eines Untersuchungskopfs an einem zu untersuchenden Gewebe, einen Schritt des Leitens der Sende-THz-Strahlung entlang mindestens eines Wellenleiters von der Strahlungsquelle zum Untersuchungskopf und einen Schritt des Detektierens einer von dem Gewebe stammenden Empfangs-THz-Strahlung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine Wellenleiter flexibel ausgebildet. Dies ermöglicht den raschen und einfachen Einsatz an unzugänglichen Stellen, ohne dass der Patient in umständlicher Weise positioniert werden muss. Ferner ermöglicht wird die endoskopische Untersuchung innerer Organe innerhalb eines breiten Anwendungsbereichs. Vorzugsweise weist der mindestens eine Wellenleiter eine Polymerröhre auf. Dies ermöglicht geringe Verluste beim Transport der THz-Strahlung, ferner eine besonders hohe mechanische Flexibilität.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung einen Strahlteiler auf, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Untersuchungskopf angeordnet ist. Der Strahlteiler ist ausgebildet, die Sende-THz-Strahlung zumindest teilweise zum Untersuchungskopf passieren zu lassen und die Empfangs-THz-Strahlung zumindest teilweise zum Strahlungsdetektor passieren zu lassen. Dies ermöglicht einen besonders kompakten, einfachen und kostengünstigen Aufbau, da die THz-Strahlung auf zumindest einer Teilstrecke ihres Weges von der Strahlungsquelle zum Detektor auf dem gleichen Weg zurückzuführt wird, sodass dieselben Einrichtungen zur Strahlführung zweifach verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Strahlteiler ausgebildet, einen in einer ersten Polarisationsrichtung linear polarisierten Anteil der Sende-THz-Strahlung zum Untersuchungskopf passieren zu lassen. Zudem ist ein Polarisationswandler zwischen dem Strahlteiler und dem Untersuchungskopf zum Wandeln der linearen Polarisation der Sende-THz-Strahlung in eine zirkulare Polarisation vorgesehen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Nutzung der erzeugten THz-Strahlung, da die zirkular polarisierte Sende-THz-Strahlung zu ebenfalls zirkular polarisierter Empfangs-THz-Strahlung führt, die bei der Rückstrahlung durch den Polarisationswandler in eine lineare, gegenüber der ersten Polarisationsrichtung um 90° gedrehte Polarisation umwandelbar ist. Damit wird die Empfangs-THz-Strahlung bei Auftreffen wiederum auf den Strahlteiler nicht in Richtung der Strahlungsquelle durchgelassen, sondern kann mit hoher Effizienz in Richtung des Strahlungsdetektors gelenkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Strahlteiler zwischen der Strahlungsquelle und dem mindestens einen Wellenleiter angeordnet. Dies ermöglicht, nicht nur den Strahlungskopf, sondern auch den Wellenleiter zur Rückführung der Empfangs-THz-Strahlung zweifach zu nutzen. Da zudem der Strahlungsdetektor außerhalb des Untersuchungskopfs angeordnet ist, kann der Untersuchungskopf besonders handlich gestaltet werden, ohne dass der Wellenleiter z.B. dicker ausgeführt zu werden braucht.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung ist der Strahlteiler zwischen dem mindestens einen Wellenleiter und dem Untersuchungskopf angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders hohe Signalqualität, z.B. ein Bild mit besonders hoher Auflösung und/oder geringen Störungen, da die Empfangs-THz-Strahlung ausgewertet werden kann, ohne nochmals durch den Wellenleiter geleitet werden zu müssen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Vielzahl von Wellenleitern vorgesehen, welche in Form einer Wellenleitermatrix bündelartig verlaufend angeordnet sind. Dies ermöglicht die Übertragung eines Bildsignals von dem zu untersuchenden Gewebe, indem die Sende-THz-Strahlung und/oder Empfangs-THz-Strahlung für unterschiedliche Pixel des Bildes durch unterschiedliche Wellenleiter übertragen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Eingangs-Linseneinrichtung an einem der Strahlungsquelle zugewandten Ende des mindestens einen Wellenleiters, zum Einkoppeln der Sende-THz-Strahlung in den mindestens einen Wellenleiter. So kann durch Fokussieren auf den jeweiligen Wellenleitereingang die Strahlung mit besonders geringen Verlusten eingekoppelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Ausgangs-Linseneinrichtung an einem der Strahlungsquelle abgewandten Ende des mindestens einen Wellenleiters, zum Auskoppeln der Sende-THz-Strahlung aus dem mindestens einen Wellenleiter. So kann durch Fokussieren der Sende-THz-Strahlung auf das zu untersuchende Gewebe und/oder der vom Gewebe zurückgestrahlten Empfangs-THz-Strahlung auf den jeweiligen Wellenleitereingang die Strahlung mit besonders geringen Verlusten aus dem mindestens einen Wellenleiter ausgekoppelt und in Richtung des Strahlungsdetektors rücktransportiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Detektor-Mikrolinsenmatrix am Strahlungsdetektor, zum Fokussieren der der Empfangs-THz-Strahlung auf den Strahlungsdetektor. Dies erhöht die Effizienz des Detektors durch Sammlung der Empfangs-THz-Strahlung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Strahlungsdetektor eine Vielzahl von Detektorpixeln entsprechend der Vielzahl der Wellenleiter auf. Ferner ist eine Bildberechnungseinheit vorgesehen, die zum Berechnen eines Pixelbildes des zu untersuchenden Gewebes aus einer entsprechenden Vielzahl von den Detektorpixeln detektierter Pixelsignale dient. Dies ermöglicht aufgrund der Entsprechung von Wellenleitern und Detektorpixeln die effiziente Nutzung der Wellenleiter zur Erzeugung eines Bildes mit optimaler Pixelzahl.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
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4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt; und
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5 ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Gleiche Bezugszeichen stehen dabei für gleiche oder einander entsprechende Elemente, soweit nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 100 zur Untersuchung eines menschlichen Gewebes 102, das hier rein beispielhaft als eine Hautpartie wiedergegeben ist, aber ebenso z.B. endoskopisch zu untersuchende innere Körperoberfläche sein kann. Die Vorrichtung weist eine THz-Strahlungsquelle 108 auf, die im Betrieb elektromagnetische THz-Strahlung 104 einer Frequenz von z.B. ca. 0,55 THz aussendet, die in einer ersten Polarisationsrichtung, beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene, linear polarisiert ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 einen z.B. aus einem einfachen Drahtgitter aufgebauten, übereinstimmend mit der Polarisationsrichtung aufgestellten Polarisationsstrahlteiler 114 und eine in Strahlungsrichtung dahinter angeordnete, als Mikrolinsenmatrix ausgebildete Eingangs-Linseneinrichtung 134, die vor einem Eingang 131 einer Wellenleitermatrix 130 angeordnet ist, welche aus einem Bündel einzelner THz-Wellenleiter 112 aufgebaut ist.
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Die einzelnen Wellenleiter 112 der Wellenleitermatrix 130 sind jeweils aus flexiblen Polymerröhren zur Leitung von THz-Wellen gebildet, wobei die Enden am Eingang 131 und Ausgang 132 jeweils regelmäßig in Form einer Matrix angeordnet sind. Die THz-Wellenleiter können z.B. im Querschnitt runde Röhren aus einem Polymer oder anderem geeigneten Material sein, welches THz nur schwach absorbiert. Da jedes Material und insbesondere jedes Polymer THz-Wellen absorbiert, sollten die Röhren möglichst dünne Wände besitzen, wobei es für die Anwendung vorteilhaft ist, wenn sie im gewünschten Maß biegbar sind. Die Eingangs-Mikrolinsenmatrix 134 ist z.B. mit konventionellen Linsen, Fresnel-Linsen oder auch mit diffraktiven Elementen aufgebaut, welche eine entsprechende fokussierende Funktion aufweisen, und so auf die Wellenleitermatrix 130 abgestimmt, dass jeweils eine Mikrolinse derart vor der Eingangsöffnung eines Wellenleiters 112 angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung 100 die Sende-THz-Strahlung 104, nachdem sie den Strahlteiler 114 passiert hat, auf die Eingangsöffnungen aller Wellenleiter 112 fokussiert und in die Wellenleiter 112 eingekoppelt wird.
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Am der Strahlungsquelle 108 abgewandten Ende 132 der Wellenleitermatrix 130 ist hinter den Ausgängen der Wellenleiter 112 eine Viertelwellenlängenplatte 118 angeordnet, welche für die verwendete Wellenlänge der Sende-THz-Strahlung 104 doppelbrechend ist. Dabei ist die Viertelwellenlängenplatte 118 derart ausgebildet und orientiert, dass sie im Betrieb die einfallende lineare Polarisation Sende-THz-Strahlung 104 in eine zirkulare Polarisation wandelt, d.h. als Polarisationswandler wirkt. Die Viertelwellenlängenplatte 118 ist in einem Untersuchungskopf 110 eingebaut, der außerdem ein nicht gezeigtes Gehäuse umfasst, an dem die Wellenleitermatrix 130 mit dem der Strahlungsquelle 108 abgewandten Ende 132 befestigt ist.
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Im Betrieb wird der Untersuchungskopf 110 gegenüber dem zu untersuchenden Gewebe 102 wie z.B. einer Hautpartie positioniert und das Gewebe 102 von der aus den Wellenleiterausgängen tretenden Sende-THz-Strahlung 104 bestrahlt. Die vom Gewebe 102 reflektierte Empfangs-THz-Strahlung 106 tritt nun nochmals durch die Viertelwellenlängenplatte 118, wobei ihre zirkulare Polarisation wieder eine lineare Polarisation umgewandelt wird, deren Polarisationsrichtung 122 gegenüber der ersten Polarisationsrichtung um 90° gedreht ist. Dann gelangt die Empfangs-THz-Strahlung 106 wieder in die Wellenleiter 112 und propagiert bis zur Eingangs-Mikrolinsenmatrix 134. Anschließend erreicht die Empfangs-THz-Strahlung 106 den Polarisationsstrahlteiler 114. Da die Polarisationsrichtung nun gegenüber der Durchlasspolarisationsrichtung des Polarisationsstrahlteilers 114 um 90° gedreht ist, wird die einkommende Empfangs-THz-Strahlung 106 nun idealer Weise vollständig am Polarisationsstrahlteiler 114 reflektiert und gelangt zu einem THz-Strahlungsdetektor 116 der Vorrichtung. Der Strahlungsdetektor 116 weist eine Matrix einzelner Detektorpixel 117 auf, die derart angeordnet sind, dass jeweils die durch einen Wellenleiter 112 übermittelte Empfangs-THz-Strahlung 106 auf ein Detektorpixel 117 oder eine Gruppe von Detektorpixeln 117 gelenkt werden. Der Strahlungsdetektor 116 ist mit einer Bildauswerteeinheit 140 verbunden, die ein vom Strahlungsdetektor 116 erzeugtes Pixelsignal 142 in ein Bild des Gewebes 102 umrechnen und dieses geeignet ausgeben.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 100, in welcher zur Effizienzsteigerung zusätzlich eine als Mikrolinsenmatrix ausgeführte Ausgangs-Linseneinrichtung 234 und eine Detektor-Mikrolinsenmatrix 236 eingebaut sind. Diese fokussieren die THz-Strahlung 104, 106 auf das Gewebe bzw. anschließend auf den Strahlungsdetektor 106. Die Ausgangs-Mikrolinsenmatrix 234 kann z.B. zwei Brennweiten oder eine Brennweite der Ausgangs-Mikrolinsenmatrix 234 vom Ausgang 132 der Wellenleitermatrix 130 entfernt sein. Ist im ersteren Fall die Ausgangs-Mikrolinsenmatrix 234 ebenfalls zwei Brennweiten vom Gewebe 102 entfernt, dann wird das der Strahlungsquelle 108 abgewandten Ende 132 der Wellenleitermatrix 130 vorteilhaft auf das Gewebe abgebildet. Ist im letzteren Fall die Ausgangs-Mikrolinsenmatrix 234 eine Brennweite vom der Strahlungsquelle 108 abgewandten Ende 132 der Wellenleitermatrix 130 entfernt, so wird vorteilhaft die Sende-THz-Strahlung 104 kollimiert und die rücklaufende Empfangs-THz-Strahlung 106 in die Wellenleiter 112 fokussiert.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 100, bei welcher die THz-Strahlung 104, 106 die Wellenleiter 112 nur einmal passiert. Wiederum wird die Sende-THz-Strahlung 104 über eine als Eingangs-Mikrolinsenmatrix 134 ausgebildete Eingangs-Linseneinrichtung direkt in die Wellenleiter eingekoppelt. Beim Verlassen der Wellenleiter 112 wird die Sende-THz-Strahlung 104 durch eine am der Strahlungsquelle 108 abgewandten Ende 132 der Wellenleitermatrix 130 angeordnete erste Ausgangs-Mikrolinsenmatrix 334 kollimiert und gelangt über den Polarisationsstrahlteiler 114, die Viertelwellenplatte 118 und eine zweite Ausgangs-Mikrolinsenmatrix 234 auf das Gewebe 102. Die erste 334 und zweite 234 Ausgangs-Mikrolinsenmatrix bilden somit die Ausgangs-Linseneinrichtung 334, 234 der vorliegenden Ausführungsform. Polarisationsstrahlteiler 114 und Viertelwellenplatte 118 haben die gleiche Aufgabe wie bei den vorstehenden Ausführungsformen. Nach der Reflexion am Polarisationsstrahlteiler 114 gelangt die Empfangs-THz-Strahlung 106 zum Strahlungsdetektor 116.
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Bei der Auswertung durch die Bildauswerteeinheit 140 entsteht das Bild jeweils entsprechend der verwendeten Wellenleitermatrix 130. Jeder Wellenleiter 112 entspricht vorzugsweise einem Pixel 117, wobei pro Wellenleiter 112 soll ein Pixel 117 an einer Chipoberfläche des Strahlungsdetektors 116 getroffen wird. Der Strahlungsdetektor 116 weist z.B. identisch ausgebildete Pixel 117 auf, die THz-Strahlung 106 detektieren, vergleichbar einem CMOS-Imager-Chip.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 100, die nur einen einzelnen Wellenleiter 112 zum Leiten der Sende-THz-Strahlung 104 von der Strahlungsquelle 108 zum Untersuchungskopf 110 einsetzt. Hieran angepasst umfasst die Eingangs-Linseneinrichtung 134 auch nur ein einzelnes Linsenelement zum Einkoppeln der Sende-THz-Strahlung 104 in den Wellenleitereingang 131, z.B. eine konventionelle Linse, eine Fresnel-Linse oder ein diffraktives Element, das eine entsprechende fokussierende Funktion aufweist. Die am Wellenleiterausgang 132 zur Auskopplung der Sende-THz-Strahlung 104 vorgesehene Ausgangs-Linseneinrichtung 334 umfasst ebenfalls ein einzelnes Linsenelement wie eine konventionelle Linse, eine Fresnel-Linse oder ein diffraktives Element mit fokussierender Funktion. Das Ausgangs-Linsenelement 334 weist eine ausreichend große Fläche auf, um die aus dem Wellenleiterausgang 132 austretende Sende-THz-Strahlung 104 bis auf einen dem Durchmesser der zu untersuchenden Gewebestelle 102 entsprechenden Strahlquerschnitt aufzuweiten und zu kollimieren, bevor der so aufgeweitete und kollimierte Strahl durch den Polarisationsstrahlteiler 114 und die Viertelwellenlängenplatte 118 auf die Gewebestelle 102 trifft. Die von der Gewebestelle 102 zurücklaufende Empfangs-THz-Strahlung trifft nach Durchlaufen der Viertelwellenlängenplatte 118 in umgekehrter Richtung und Reflexion am Polarisationsstrahlteiler 114 auf den Strahlungsdetektor 116, der wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen eine Vielzahl von Pixeln 117 aufweist. Da nur ein einziger Wellenleiter 112 zum Leiten der Sende-THz-Strahlung 104 verwendet wird, erfolgt bei der vorliegenden Ausführungsform eine Pixelierung, d.h. eine Aufteilung der THz-Strahlung 104, 106 in den jeweiligen Pixeln 117 entsprechende Anteile erst im Strahlungsdetektor 117 selbst bzw. in der diesem unmittelbar vorgeschalteten Detektor-Mikrolinsenmatrix 236.
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Bei den in 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen befinden sich der Polarisationsstrahlteiler 114 und der Strahlungsdetektor 116 im Bereich zwischen dem der Strahlungsquelle 108 abgewandten Wellenleiterausgang 132 und der Viertelwellenlängenplatte 118 des Untersuchungskopfs 110, sodass diese mit dem Untersuchungskopf 110 zu einer mechanischen Einheit zusammengefasst werden können. Die Bildauswerteeinheit 140 kann dabei, wie in 4 angedeutet, im Bereich des Strahlungsquelle 104 angeordnet sein, wobei die Pixelsignale 142 des Strahlungsdetektors 116 z.B. über eine gemeinsam mit dem Wellenleiter 112 bzw. der Wellenleitermatrix 130 geführte Leitung an die Bildauswerteeinheit 140 geleitet werden.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Untersuchung menschlichen Gewebes mittels THz-Strahlung. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt 404 des Positionierens eines Untersuchungskopfs an einem zu untersuchenden Gewebe. In einem weiteren Schritt 402 wird eine Sende-THz-Strahlung mittels einer Strahlungsquelle erzeugt. In Schritt 406 wird die Sende-THz-Strahlung entlang mindestens eines Wellenleiters von der Strahlungsquelle zum Untersuchungskopf geleitet, am Gewebe reflektiert, und in Schritt 408 die reflektierte Strahlung als Empfangs-THz-Strahlung entlang des mindestens einen Wellenleiters zurückgeleitet. Dabei erfolgt jeweils das Leiten 406 entlang einer Vielzahl von Wellenleitern, die in Form einer Wellenleitermatrix bündelartig verlaufend angeordnet sind. In Schritt 410 wird die von dem Gewebe stammenden Empfangs-THz-Strahlung detektiert und anschließend in Schritt 412 ausgewertet, um eine entsprechende Bildpixelmatrix des zu untersuchenden Gewebes aus der detektierten 410 Empfangs-THz-Strahlung zu erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003239 A1 [0003]
