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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der flächig-räumlichen Temperaturverteilung im Mund- und Rachenraum eines Probanden mittels thermographischer Analyse auf der Basis einer mittels eines Infrarot-basierten Kamerasystems ermittelten Bilddatenmenge, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7.
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Aus der
DE 10 2012 216 013 A1 ist ein System und ein Verfahren zur Bild-basierten Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid in ausgeatmetem Atem bekannt.
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Gemäß einer dortigen Ausführungsform wird ein Bild des ausgeatmeten Luftstroms eines Individuums empfangen. Das Bild wird mit Hilfe eines Infrarotkamerasystems aufgenommen, das einen optischen Filter aufweist, der auf die C02-Infrarot-Absorptionsbande eingestellt ist. Das Bild wird einer Bearbeitung unterzogen, um eine Region von Pixels zu isolieren, die den ausgeatmeten Luftstrom enthalten. Intensitätswerte von Pixeln in einer identifizierten Region werden mit einem Wert einer bekannten Strahlendichte, beispielsweise der Nase oder des Gesichtes des Individuums, normiert.
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Die C02-Konstellation wird dann mit Hilfe einer Kalibrierungskurve bestimmt, wobei die Kalibrierungskurve unter Verwendung eines parametrisierten Modells abgeleitet ist.
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Bei der Bildaufnahmevorrichtung mit mehreren Bildaufnahmemodi gemäß
DE 10 2004 011 147 B3 besteht die Aufgabe, eine effektivere Kehlkopf- bzw. Stimmlippenuntersuchung zu ermöglichen.
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Diesbezüglich kommt eine Bildaufnahmevorrichtung, vorzugsweise eine Farbbildaufnahmevorrichtung mit drei Modi, zur Anwendung. Zunächst ist ein flächenhaft aufnehmender Aufnahmemodus mit einer niedrigen Aufnahmefrequenz aber großen Auflösung vorhanden. Ein weiterer flächenhaft aufnehmender Aufnahmemodus besitzt eine höhere Bildwiederholfrequenz mit geringer Auflösung. Hinzu kommt ein eindimensionaler Zeilen-Aufnahmemodus mit einer ebenfalls höheren Bildwiederholfrequenz. Durch die Umschaltbarkeit der Bildaufnahmevorrichtung zwischen diesen Modi ist es einem untersuchenden Arzt möglich, sich zunächst mittels des langsamen Bildaufnahmemodus einen Überblick zu verschaffen, um dann weitere Untersuchungsschritte durchzuführen.
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Die gemäß
DE 10 2004 011 147 B3 eingesetzte Kamera ist nicht nur zur Untersuchung von Stimmlippen geeignet, sondern allgemein zur Untersuchung von sich mit hoher Frequenz bewegenden Objekten, wie zum Beispiel neben Stimmlippen auch zur Untersuchung von künstlichen oder natürlichen Herzklappen oder zur zeitlichen Aufnahme von Stimmersatzgebung durch Kehlkopfentfernung.
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Die SARS-CoV-2-Pandemie ist eine der größten medizinischen und ökonomischen Herausforderungen seit Ende des zweiten Weltkrieges. Aktuell wird eine Infektion von SARS-CoV-2 mittels Rachenabstrich und genetischem PCR-Test nachgewiesen.
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Diese Methode ist aufgrund der hohen Kosten, ihrer Durchlaufzeit und der insgesamt noch begrenzten Kapazität für zeitlich eingetaktete Massentests ungeeignet.
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Um die Effizienz der PCR-Tests zu erhöhen, wäre ein kostengünstiges, echtzeitbasiertes und nichtinvasives Prescreening von großem Vorteil.
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Ein derartiges Verfahren hätte das Potential, das Management zahlreicher Patienten deutlich zu verbessern.
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So könnte in einer Notaufnahme innerhalb weniger Sekunden auf das Vorliegen einer SARS-CoV-2-Infektion getestet werden.
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Großereignisse mit vielen Besuchern wären wieder möglich, da die Besucher im Vorfeld zeitnah und schnell getestet werden können. Gleiches gilt für Flugreisen und notwendige Kontrollen hierfür.
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Auch zahnärztliche Behandlungen sowie medizinische Eingriffe mit Aerosol-Bildung wären wieder risikofrei möglich.
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Zudem könnte ein derartiges Prescreening dazu dienen, Mitarbeiter im Gesundheitssystem oder in der Altenpflege täglich auf SARS-CoV-2 zu testen.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Bestimmung einer flächig-räumlichen Temperaturverteilung und auch deren zeitlicher Änderung im Mund- und Rachenraum eines Probanden mittels thermographischer Analyse anzugeben, welches letztendlich eine schnelle, nichtinvasive und kostengünstige Typisierung hinsichtlich einer viralen Infektion, insbesondere COVID-19, ermöglicht.
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Weiterhin soll erfindungsgemäß eine Anordnung zur Bestimmung der flächig-räumlichen Temperaturverteilung im Mund- und Rachenraum eines Probanden mittels thermographischer Analyse angegeben werden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit der Lehre gemäß Anspruch 1 sowie hinsichtlich der Anordnung mit der Merkmalskombination nach Anspruch 7, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Erfindungsgemäß wird die Schleimhaut der zu bewertenden Person mit einem Infrarot-basierten optischen Aufnahmesystem betrachtet.
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Anschließend wird mit Hilfe eines Software-gestützten Algorithmus das vorgefundene Temperaturmuster bewertet und es erfolgt eine Suche nach lokal begrenzten Hyperthermien, das heißt Arealen, deren Temperatur sich von derjenigen gesunder Probanden unterscheidet.
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Bei Überschreiten eines entsprechenden Schwellwertes wird der Proband als positiv befunden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vorteilhafter Ausführung als ein Prescreening für folgende genetische Tests einsetzen.
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Die dem Verfahren zugrundeliegende Lehre basiert auf dem physiologischen Effekt, dass bestimmte Viren in der Schleimhaut von Mund, Nase und Rachen eine lokale Immunreaktion auslösen, welche wiederum mit einer lokalen Hyperthermie einhergeht.
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Die energetische Bilanz einer von einem Virus befallenen Zelle ist stets höher als die einer benachbarten gesunden Zelle.
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Erfindungsgemäß wird eine Detektion dieses Energieüberschusses durch eine empfindliche und hochauflösende Infrarotkamera sowie mittels einer automatisierten Auswertung der thermischen Struktur und einer daraus abgeleiteten medizinischen Befundung über den Infektionsstart bzw. einen Verdacht und einer folgenden Empfehlung zu einem genetischen Kontrolltest vorgenommen.
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Das für das Verfahren nötige Aufnahmesystem ist hinsichtlich seiner thermischen Empfindlichkeit, graphischen Bildauflösung, Apertur und Rechnerleistung für die Aufnahme von infraroten Bildern des menschlichen Mundraumes, der Nasenhöhle sowie des Rachens ausgerichtet.
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In einer Ausführungsform wird die Infrarot-basierte Aufnahmetechnik in ein Gehäuse integriert, das als Handheld-Gehäuse von einer Person mühelos betätigt und auf den offenen Mund- und Rachenraum eines Probanden ausgerichtet werden kann.
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Die diesbezügliche Anordnung der Gerätetechnik besteht aus Materialien, die den medizinischen Anforderungen hinsichtlich der Desinfizierbarkeit genügen.
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Die eingesetzte Aufnahmetechnik beinhaltet bei einer bevorzugten Ausführungsform unter anderen elektronische Bildstabilisatoren und einen auf ausgewählte Bildinhalte automatisch programmierbaren Fokus.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Bildaufnahmegerät extern mechanisch zu stabilisieren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung nicht nur mit einer Infrarotaufnahmetechnik versehen, sondern verfügt auch über entsprechende Bildsensoren, welche Aufnahmen im Bereich des sichtbaren Spektrums gestatten.
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Hierdurch kann eine sichere Identifizierung der untersuchten Person erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Aufnahmesystem ist bevorzugt induktiv mit elektrischer Energie versorgbar. Integrierte Akkumulatoren können auf diesem Wege induktiv, das heißt ohne Kabelverbindungen, geladen werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist so umgesetzt, dass selbige keine Wärmestrahlung emittiert, die unter Umständen Messergebnisse verfälscht oder diese beeinträchtigt.
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Über eine Luftschnittstelle können die gewonnenen Daten zur Befundung über ein Standard-Funknetz, zum Beispiel ein WLAN-Netz, zur Auswertung an einen Server übertragen und dort abgespeichert werden.
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Mittels der Möglichkeit einer QR-Erkennung können zum Beispiel Befundungsergebnisse personalisiert auf Eintrittskarten übertragen oder zur Zutrittsberechtigung verwendet werden, was bei Großereignissen oder bei sonstigen Kontrollen von Vorteil ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die eingesetzte Software suchen auswerteseitig in vorab definierten Bereichen nach thermischen Texturen bzw. Temperaturmustern auf der Schleimhaut des Probanden.
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Thermische Artefakte werden mit vorab definierten Schwellwerten abgeglichen. Diese Schwellwerte können von gesunden Probanden aus einer entsprechenden Datenbank bereitgestellt werden.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt besteht darin, die thermischen Artefakte hinsichtlich ihrer zeitlichen Ausprägung und Veränderung zu untersuchen, da eine virusbefallene Zelle eine zeitlich andere Energie- und Temperatursignatur aufweist im Vergleich zu einer gesunden Zelle.
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Aus dem Gesamtbild ergibt sich dann eine positive oder negative medizinische Befundung im Hinblick auf eine Infektion mit einem spezifischen Virus. Ebenso kann das System auf Verdachtsfälle reagieren und zur weiteren Abklärung Daten für einen anschließenden PCR-Test liefern.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Verbindung mit einem Ticketing-System erfolgen. Die erzeugte personenbezogene Befundung aktiviert und deaktiviert bei Bedarf über eine Datenbankanbindung maschinenlesbare Eintrittskarten, Flugtickets, Fahrscheine oder dergleichen. Auch Ausweisdokumente oder Reisevisa können einbezogen werden.
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Für geplante, möglicherweise risikobehaftete medizinische Eingriffe oder Untersuchungen kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu dienen, ein medizinisches Attest auszustellen.
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Verfahrensseitig wird also auf eine Bestimmung der flächig-räumlichen sowie zeitlichen Temperaturverteilung im Mund- und Rachenraum eines Probanden mittels thermographischer Analyse orientiert. Diese thermographische Analyse basiert auf einer mittels eines Infrarot-basierten Kamerasystems erfassten Bilddatenmenge, diese umfassend mindestens eine signifikante, insbesondere jedoch mehrere Einzelaufnahmen oder eine Videosequenz.
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In dieser erfassten bzw. ermittelten Bilddatenmenge werden lokale Hyperthermien lokalisiert und diese nach Verteilung und Häufigkeit klassifiziert.
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Vorhandene typische Hyperthermiemuster werden bestimmt und mit Vorgabewerten verglichen, um hieraus eine Datenmenge für eine automatisierte Echtzeitbefundung des jeweiligen Probanden bereitzustellen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird die Schleimhaut von Mundraum und/oder Nasenhöhle und/oder Rachenhintergrund thermographisch abgetastet.
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Das entsprechende Aufnahmesystem wird vor dem geöffneten Mund des Probanden platziert.
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Wie erwähnt, ist das Aufnahmesystem mit Anzeigeeinheit auch in der Lage, ein Befundungsergebnis nicht unmittelbar am Gerät anzuzeigen, sondern auf ein mobiles Endgerät drahtlos zu übertragen oder ein solches Ergebnis kodiert auszugeben, um den Anforderungen des Datenschutzes genüge zu leisten.
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Bei der Anordnung zur Bestimmung der flächig-räumlichen Temperaturverteilung wird über eine Strahlungslenkung ermöglicht, dass auch Bereiche, welche nicht in der direkten Sichtlinie der Optik liegen, erfasst werden können.
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Über eine elektronische und/oder externe mechanische Bildstabilisierung wird für eine hohe Aufnahme- und Auswertesicherheit gesorgt. Mittels eines programmierbaren Autofokus wird die Handhabung vereinfacht.
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Für den Bereich der Optik, der womöglich mit dem Mund des Probanden in Kontakt kommt, ist eine einmal verwendbare, optisch transparente Schutzfolie vorgesehen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung auf eine beispielhafte Anordnung zur Bestimmung der flächig-räumlichen Temperaturverteilung im Mund- und Rachenraum eines Probanden mittels thermographischer Analyse, und zwar mit Blick auf die Eingangsoptik;
- 2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in perspektivischer, dreidimensionaler Form mit Blick auf ein Anzeigedisplay mit beispielhaftem Infrarotbild;
- 3 ein beispielhaftes Infrarotbild mit Falschfarbendarstellung eines gesunden Probanden, 28 Jahre, männlich;
- 4 ein beispielhaftes Infrarotbild in Falschfarbendarstellung eines gesunden Probanden, 29 Jahre, männlich;
- 5 ein beispielhaftes Infrarotbild eines positiv getesteten 18-jährigen männlichen Patienten, der zum Zeitpunkt der Untersuchung keine erhöhte Temperatur, das heißt kein Fieber, aufwies; und
- 6 ein weiteres Falschfarben-Infrarotbild eines COVID-19-positiv getesteten stationären Patienten, 55 Jahre, weiblich, der zum Zeitpunkt der Untersuchung keine erhöhte Temperatur, das heißt kein Fieber, aufwies.
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Das beispielhafte Infrarot-basierte Kamerasystem gemäß den Darstellungen nach 1 und 2 weist in einem Fußbereich 1 einen Akkumulator auf, um einen netzfreien Betrieb zu ermöglichen. Über eine Bodenplatte ist eine Induktionsanordnung ausgeführt, um ein induktives Laden zu ermöglichen.
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Ein kapazitiver Sensor 3 ermöglicht das Starten der Aufnahme und Abspeichern.
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Eine Eingangsoptik ist hinter einer definiert strahlungsdurchlässigen Scheibe 4 angeordnet.
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Das Gehäuse 5 der Anordnung ist möglichst fugenlos und leicht desinfizierbar ausgeführt und besteht zum Beispiel aus einem Edelstahlmaterial. Das in der 2 erkennbare Display 6 ist als Touch-Screen ausgeführt und ermöglicht das Auslösen von Bedienungsoperationen sowie das Anzeigen eines Kontrollbildes der entsprechenden thermographischen Aufnahme mit folgender Analyse.
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Aus dem Vergleich der Abbildungen nach den 3 bis 6 gesunder Proband/positiv getesteter Proband lässt sich sehr gut erkennen, dass im Bereich des hinteren Rachenraumes lokale Hyperthermien lokalisiert wurden, und zwar unabhängig von der Tatsache, dass die betreffenden Probanden bzw. Patienten noch keine erhöhte Temperatur, das heißt kein Fieber, aufwiesen.
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Um die Genauigkeit der Erfassung und der Auswertung der Bilddaten zu erhöhen, ist es von Vorteil, für eine gewisse Temperaturausgeglichenheit in der Mundhöhle zu sorgen. Hierbei kommt als Möglichkeit das Trinken einer geeigneten Flüssigkeit zum Einsatz. Bevorzugt wird vor dem Einsetzen eines Speichelflusses unmittelbar nach dem Trinken die Bildaufnahmefolge ausgelöst.
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Bei Bild- oder Videosequenzen sollten die Einzelaufnahmen bzw. das Erarbeiten der Sequenz zwischen mehreren Atemzügen vorgenommen werden.
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Vorteilhaft ist darüber hinaus das Aufnehmen von Bilddatenmengen sowohl im kurzwelligen als auch im langwelligen infraroten Bereich des Spektrums.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216013 A1 [0002]
- DE 102004011147 B3 [0005, 0007]
