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QUERBEZUGNAHME AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 12/710,065, eingereicht am 22. Februar 2010, welche die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/154,030 beansprucht, die am 20. Februar 2009 eingereicht wurde.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der diagnostischen Bewertung und Überwachung komplexer biologischer und physikalischer Strukturen einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Regionen des Körpers, welche eine Änderung in ihrer Struktur erfahren. Die Änderung in der Struktur schließt ein, ist aber nicht begrenzt auf, Änderungen während Erkrankungen (zum Beispiel eine Angiogenese) oder Änderungen zwischen verschiedenen Funktionsmodi (zum Beispiel Brustdrüsen vor, während und nach der Schwangerschaft).
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2. Stand der Technik
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Glossar: Die folgenden Begriffe werden im nachfolgenden Text verwendet.
- 1. Prisma: Ein Prisma ist ein langgestrecktes Volumen eines Materials, von welchem ein Signal gemessen wird. Das Signal variiert als Funktion der Position entlang des Prismas. Obwohl die Form des Prismas, auf das allgemein in dem Text Bezug genommen wird, einen rechteckigen Querschnitt aufweist, kann sie im Allgemeinen Formen beliebigen Querschnitts einschließen. Darüber hinaus könnte das Signal, obgleich die Signalerfassung, auf die grundsätzlich im Text Bezug genommen wird, eine Modifikation der gegenwärtigen MRI-Techniken ist, auch aus einem Prismavolumen unter Verwendung anderer Techniken gewonnen werden, wie es für einen Fachmann klar ist.
- 2. Profil: Ein Profil ist das Signal als Funktion der Position entlang einer einzigen Richtung innerhalb eines Prismas. Von Materialien mit heterogener Signalintensität entnommene Profile sind grundsätzlich nicht konstant und repräsentieren ein Maß für die Menge des signalerzeugenden Materials innerhalb der Position in dem Prisma. Beispielsweise kann dies das Vorhandensein oder Fehlen des Materials oder die Materialdichte sein. Jedoch könnte man auch eine beliebige Anzahl von Eigenschaften des Materials erfassen, solange das Signal über der Position ein Maß einer mit der Position variierenden physikalischen Eigenschaft entlang des Prismas gibt. Wie es für einen Fachmann klar ist, könnte das Profil irgendeine messbare physikalische Eigenschaft darstellen, welche mit der Position variiert.
- 3. Segment: Um Messungen an der Variation des Profilsignals mit der Position durchzuführen, wird ein Abschnitt des Profils endlichen Ausmaßes verwendet. Dieser Abschnitt des Profils kann kleiner als oder gleich der gesamten Profillänge sein und wird als „Segment” bezeichnet.
- 4. Raumfrequenz: In der Signalverarbeitung existieren viele Techniken zum Abschätzen der Frequenzanteile eines Signals. Im Allgemeinen variieren diese Signale mit der Zeit. Wenn diese Techniken auf ein Signal angewendet werden, welches mit der Position anstelle der Zeit variiert, so ist die Analogie der Frequenzanteile ein Maß der Frequenz der räumlichen Veränderlichkeit entlang des Profils. Für die Zwecke dieser Diskussion wird dies als „Raumfrequenz” bezeichnet.
- 5. Raumfrequenzspektrum: Ein Raumfrequenzspektrum ist eine Darstellung der Raumfrequenzanteile eines Segments eines Profils. Es veranschaulicht grafisch die relativen oder absoluten Beträge des in dem Segment vorhandenen Signals als Funktion der Raumfrequenz.
- 6. Farbfrequenz: Eine Farbfrequenz ist eine Frequenz des sichtbaren Lichts, welches eine zugehörige Wellenlänge und folglich Farbe aufweist, wenn es durch einen Menschen auf einer Anzeigeeinrichtung betrachtet wird. Die Farbfrequenzen bilden ein Kontinuum unterschiedlicher Farben.
- 7. Farbfrequenzspektrum: Für einen gegebenen Punkt auf einer Anzeigeeinrichtung kann die endgültig angezeigte Farbe durch eine Kombination einer oder mehrerer Farbfrequenzen gebildet werden. Die Farbfrequenzen und ihre zugehörigen Intensitäten (absolut und relativ) bestimmen die wahrgenommene Farbe und Helligkeit dieses Punkts auf einer Anzeige. Unterschiedliche Farbspektren, die an verschiedenen Punkten auf der Anzeigeeinrichtung angezeigt werden, haben folglich grundsätzlich unterschiedlich wahrgenommene Farben und Helligkeiten, die Unterschiede in den zugrunde liegenden Farbfrequenzspektren anzeigen.
- 8. Bin: Wenn Raumfrequenzspektren als Farbfrequenzspektren codiert werden, können Gruppen von Raumfrequenzen durch Kombination ihrer zugehörigen Beträge (ein Beispiel dafür wäre die Summierung der Beträge) gruppiert werden, und jede Gruppe von Raumfrequenzen bildet das, was als „Bin” (Klasse, Intervall) bezeichnet wird.
- 9. Farb-Map: Eine Farb-Map (Farbabbildung) ist ein ein- oder mehrdimensionaler Plot, in welchem den Punkten innerhalb des Plots Farben zugewiesen sind. Im Fall des hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels kann dieser die Form eine zweidimensionalen Plots annehmen, bei dem die Farbfrequenzen verwendet werden, um Raumfrequenzen zu codieren.
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Biologische Strukturen können ihre Größe, Form oder Anordnung ändern, wenn sie sich von einem nicht-erkrankten in einen kranken Zustand ändern oder wenn sie zwischen verschiedenen Funktionsmodi wechseln. Viele dieser Strukturen sind von großem klinischen Interesse. Beispielsweise können sich während einer Angiogenese die Anzahl und Abstände der Blutgefäße ändern, und die Blutgefäße können eine andere Anordnung gegenüber einem normalen Gewebe annehmen. Die Fähigkeit, diese Strukturen schnell und in-vivo abzufragen, ist eine in hohem Maße erwünschte Fähigkeit. In ähnlicher Weise können physikalische Strukturen, wie beispielsweise Felsschichten oder Felsgebirge, Änderungen in der Struktur, entweder räumliche oder zeitliche, erfahren.
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Im Falle anatomischer Strukturen, beispielsweise Milchgänge oder Blutgefäße, können die Größen vieler dieser interessierenden Strukturen sehr klein und nur schwer oder gar nicht unter Verwendung gegenwärtiger in-vivo-Abbildungstechniken, beispielsweise Magnetresonanztomographie (MRI), abzubilden sein.
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MRI, welches inhärent eine dreidimensionale Technik ist, ist gut geeignet, um die Strukturdetails zu bestimmen, welche im Allgemeinen in drei Dimensionen variieren. So ist die Fähigkeit zum Quantifizieren und Anzeigen dieser Strukturen in drei Dimensionen eine erwünschte Fähigkeit.
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Jedoch erfordert eine hoch auflösende MRI-Abbildung, welche erforderlich wäre, um viele kleinere physikalische und biologische Strukturen zu erfassen, eine sorgfältige Patientenpositionierung und Stabilisierung sowie lange Messzeiten. Darüber hinaus können Systeme mit hohen Feldstärken erforderlich sein. Diese Systeme mit starken Feldern kosten etwa 2 Millionen Dollar und müssen in sorgfältig kontrollierten Umgebungen, die durch Radiologiespezialisten beaufsichtigt werden, untergebracht werden.
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MRI basiert auf einer Erweiterung der Mathematik der Fourierreihenentwicklung, welche besagt, dass eine eindimensionale sich wiederholende Signalform (zum Beispiel eine Signalamplitude als Funktion der linearen Position) als Summe einer Reihe von Sinussignalen mit abnehmender Periodendauer (ansteigender Frequenz) mit geeigneten Koeffizienten (k-Werten) dargestellt werden kann.
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Bei MRI ist der abzubildende Gegenstand (Körperteil) ein dreidimensionales Objekt. Das Grundkonzept der k-Werte in einer Dimension kann auf zwei oder drei Dimensionen erweitert werden. Dann gibt es anstelle einer Reihe von k-Werten eine zwei- oder dreidimensionale Matrix von k-Werten, wobei jeder k-Wert eine bestimmte Raumfrequenz und Richtung in der Probe repräsentiert.
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Bei der Fourier-Analyse wird die Konvertierung aus den k-Werten in den gewünschten Signalverlauf (Amplitude über der Zeit für ein zeitlich veränderliches Signal oder Bildintensität über der Position im MRI-Fall) unter Verwendung einer Fourier-Transformation ausgeführt. Einfach ausgedrückt ist die Fourier-Transformation ein gut bekanntes Mittel, um zwischen der Frequenzdomäne und der Zeitdomäne (bei zeitlich variierenden Signalen) zu konvertieren. Für Abbildungen, wie beispielsweise in dem MRI-Fall, wird die Fourier-Transformation verwendet, um zwischen der Raumfrequenzdomäne (der Reihe sinusförmiger Signalformen und ihrer Koeffizienten, die als k-Raum bezeichnet wird) und der räumlichen Anordnung der Signalintensitäten für jedes der abgebildeten Volumen (Voxel) zu konvertieren. Ähnlich dem Fall des zeitlich variierenden Signals, bei dem die k-Werte Koeffizienten für die Sinussignalverläufe mit gegebenen Periodendauern sind, sind die k-Werte in dem MRI-Fall die Koeffizienten für die sinusförmigen Signalverläufe mit gegebenen Wellenlängen (wobei die Wellenlängen Kehrwerte der Raumfrequenzen sind, das heißt eine lange Wellenlänge einer geringen Raumfrequenz entspricht).
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Die MRI-Technologie verwendet heute eine Reihe von Verfahren zur Bildgewinnung. Nahezu alle basieren auf der Gewinnung der k-Raum-Koeffizienten und der nachfolgenden Fourier-Transformation in ein Bild (oder einen Satz von Bildern, wie bei der 3D-Gewinnung). In der einfachsten Abstraktion wird dies ausgeführt, indem der abzubildende Teil in ein starkes Magnetfeld gebracht und die Wasserstoffkerne in der Probe durch Aussenden eines gepulsten elektromagnetischen Hochfrequenzsignals, das auf die Resonanzfrequenz der Wasserstoffkerne abgestimmt ist, auf die Probe angeregt werden. Dieser Impuls bringt die Kerne dazu, in ihrer Resonanzfrequenz zu schwingen. Um dann die Informationen darüber zu erlangen, aus welchem Ort in der Probe das Signal herrührt, werden die Spins der angeregten Wasserstoffatome mit einer Kombination einer Phasen- und Frequenzcodierung codiert, die den gewünschten k-Raum-Daten entsprechen, die bei dieser Anregung gewonnen werden (hier entsprechen die Phase und Frequenz der Resonanzfrequenz und -phase der Wasserstoffkerne). Dies wird ausgeführt, indem das Magnetfeld räumlich und zeitlich moduliert wird, so dass es die Resonanzfrequenz der Kerne entsprechend räumlich ändert und ihre Phase moduliert. Dann wird ein Signal aus den angeregten Wasserstoffkernen der Probe zurückempfangen, und die k-Raum-Werte werden aus dem Signal extrahiert. Dieser Prozess der Anregung, Codierung und Signalgewinnung wird wiederholt, bis die gesamte Matrix der k-Raum-Werte (die in geeigneter Weise ausgewählt sind, um eine Fourier-Reihe zu bilden) mit ausreichend hoher räumlicher Frequenz gewonnen wurde, um die gewünschten Merkmale in der Probe aufzulösen. Schließlich wird die Matrix der k-Werte Fourier-transformiert, um ein Abbild oder Abbilder zu erzeugen. Es gibt viele Variationen und Erweiterungen dieses Themas bei der Verwendung der gegenwärtigen MRI-Systeme. Eine Lösung verwendet eine Frequenzcodierung, um die k-Werte für jede dieser 2D-Scheiben zu erzeugen.
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Bei der Signalverarbeitung gibt es Techniken zum Erfassen der Spektralanteile eines zeitlich veränderlichen Signals, genannt Zeit-Frequenz-Darstellungen. Ein Beispiel dafür ist ein Spektrogramm. Bei einem Spektrogramm wird ein Plot erzeugt, wie die Spektraldichte mit der Zeit entlang des Signals variiert. Die Spektraldichtemessung wird entweder durch eine Reihe von Bandpassfiltern oder häufiger durch Anwendung der Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) auf das Signal erzeugt. Im Falle des STFT-Verfahrens wird die für einen gegebenen Zeitpunkt angezeigte Spektraldichte üblicherweise aus der Fourier-Transformation eines Bereichs (Segments) abgeleitet, der sich über eine Zeitperiode beidseitig dieses Zeitpunkts erstreckt.
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Die US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US-2006/0155186-A1 und US-2007/0167717-A1 beschreiben Techniken zum Erzeugen von Raumfrequenzspektren aus speziellen Orten und Richtungen in einer dreidimensionalen Probe unter Verwendung von MRI-Techniken. Diese beiden Patentanmeldungen werden hier durch Bezugnahme einbezogen.
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Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US-2007/0167717-A1 beschreibt ein Verfahren zum Gewinnen eines Raumfrequenzspektrums aus speziellen Orten in einer dreidimensionalen Probe unter Verwendung von Modifikationen der aktuellen MRI-Techniken für eine lokalisierte NMR-Spektroskopie. Die Innovation besteht in ihrer einfachsten Abstraktion darin, die Verwendung eines Auslesegradienten auf die gegenwärtigen NMR-Spektroskopie-Impulssequenzen hinzuzufügen und das sich ergebende Echo für eine nachfolgende Raumfrequenzanalyse aufzuzeichnen. Diese Techniken erzeugen Spektren aus einem ausgewählten Bereich oder erzeugen ein Abbild der Ergebnisse über einen Bereich der Probe. Diese Verfahren können angewendet werden, um die Struktur von trabekulären Knochen zu analysieren sowie zum Analysieren oder Diagnostizieren von Erkrankungen in Fällen, in denen es eine Differenz im räumlichen Frequenzleistungsspektrum infolge der physiologischen oder Erkrankungsprozesse gibt. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden offenbart. Diese Anmeldung offenbart jedoch nicht die Codierung des Raumfrequenzleistungsspektrums in Farbfrequenzen, welche dann als „Farbmap” dargestellt werden können. Diese Anmeldung enthält auch nicht die Anwendung dieses Verfahrens auf eines oder mehrere Volumina innerhalb der Probe, um eine Bilddarstellung der interessierenden Struktur oder Strukturen zu erzeugen. Darüber hinaus enthält diese Anmeldung nicht die Verwendung mehrerer Farb-Maps, die durch denselben Bereich laufen, aber in unterschiedlichen Richtungen und/oder zu späteren Zeitpunkten, was es gestatten würde, dass Informationen über die Anisotropie und zeitliche Entwicklung einer Struktur auf einfache Weise bewertet und auf eine wünschenswerte Art visualisiert werden können.
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Eine Abbildung (Mapping) von Raumfrequenzdaten wird gegenwärtig nicht durchgeführt und gehört somit nicht zum Stand der Technik.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Signal und sein zugehöriges Spektrogramm. Das Signal enthält drei verschiedene Bereiche. Bereich 1 enthält nur eine Frequenz, Bereich 2 enthält eine Kombination von zwei unterschiedlichen Frequenzen, und Bereich 3 enthält eine Kombination von drei verschiedenen Frequenzen. Das Spektrogramm zeigt die räumliche Verteilung der Frequenzen an, und die Bereiche mit einer, zwei und drei verschiedenen Frequenzen sind deutlich angezeigt.
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2 zeigt ein Beispiel eines Raumfrequenzspektrums.
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3 zeigt ein Diagramm, das die Codierung von Raumfrequenzdaten in Farbfrequenzdaten veranschaulicht. Die verwendeten Farbfrequenzen liegen im sichtbaren Bereich, so dass sie für eine menschliche Interpretation angezeigt werden können. Die Übertragungsfunktion selbst kann irgendeine gewünschte Übertragungsfunktion sein, zum Beispiel die Zuweisung einer bestimmten Farbe zu einer Frequenz oder einem Frequenzbereich, die bzw. der einen Erkrankungsprozess repräsentiert.
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4 zeigt den roten, den grünen und den blauen Farbkanal aus einer Farb-Map, die die Strukturinformationen veranschaulichen, die in dem erzeugten Abbild codiert sind. In diesem Fall rühren die Daten aus einem Satz von 9 parallelen horizontalen Prismen her.
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5 zeigt eine Beispiel-Farb-Map (umcoloriert in Grautöne). Die Figur veranschaulicht, dass die Farbe an jedem gegebenen Punkt die Strukturinformationen in einem Bereich um diesen Punkt herum codiert.
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6 zeigt den Grün-Kanal aus zwei Farb-Maps desselben Bereichs, aber bei jeweils in verschiedenen Richtungen verlaufenden Prismen. Die Farbdifferenz an äquivalenten Orten in jeder Map kennzeichnet die Anisotropie der an diesem Ort vorhandenen Strukturen.
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7 zeigt einen Satz (eine Menge) von Prismen (98), die durch eine Materialprobe (99) verlaufen. Das Profil entlang der Länge (97) eines der Prismen ist in (100) gegeben. Die Zuweisung einer repräsentativen zusammengesetzten Farbe (102) aus verschiedenen Segmenten (103) des Profils ermöglicht, dass eine Farb-Map (101) erzeugt wird.
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8 zeigt eine Farb-Map (111) und ihr zugehöriges Referenzbild (110).
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Wie oben angemerkt, ist diese Anmeldung eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 12/710,065, angemeldet am 22. Februar 2010, welche die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/154,030, eingereicht am 20. Februar 2009, beansprucht. Diese früheren Anmeldungen beschreiben ein Verfahren zum Darstellen der Strukturinformationen in einer biologischen oder physikalischen Probe. Bei diesem Verfahren wird eine Zeit-Frequenz-Darstellung der räumlichen Verteilung innerhalb einer Probe in eine Farbdarstellung der Daten transformiert. Darüber hinaus können infolge der Richtungsempfindlichkeit des Verfahrens zum Erlangen der Daten Informationen über die Strukturanisotropie der Probe ebenfalls aus den Daten codiert werden. Die Anwendung dieses Verfahrens auf einen oder mehrere Bereiche innerhalb der Probe ermöglicht, dass eine Map (Abbildung) erzeugt wird, welche deutlich quantitative Maße der vorhandenen Strukturen veranschaulicht.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das in der US-Patentanmeldung mit der Publikationsnummer US-2007/0167717-A1 offenbarte Verfahren verwendet, um ein Maß des vorhandenen signalerzeugenden Materials über der Position entlang einer Richtung innerhalb eines Probenvolumen des Materials, das hier als „Prisma” bezeichnet wird, zu erzeugen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann dieses Probevolumen ein rechteckiger Stab sein, obgleich in der Praxis ein beliebig geformtes Volumen oder ein beliebig geformter Bereich potenziell verwendet werden könnte. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird diese Messung unter Verwendung einer Modifikation der gegenwärtigen MRI-Techniken ausgeführt, obwohl es einem Fachmann klar ist, dass die nachfolgende Analyse auch bei Informationen ausgeführt werden könnte, die über die räumliche Verteilung von Strukturen innerhalb eines prismatischen Volumens unter Verwendung anderer Techniken gewonnen worden sind.
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Konkret ergibt die Messung der Materialmenge entlang der Position in dem Volumen ein Signal, welches mit der Position in dem Volumen variiert. Der Betrag dieses Signals stellt ein Maß dafür dar, wie viel Material in dem Prisma enthalten ist. Beispielsweise kann dies das Vorhandensein oder Fehlen des Materials oder die Materialdichte sein. Jedoch könnte es ein Maß einer beliebigen Anzahl von Eigenschaften des Materials sein, solange das Signal über der Position ein Maß einer physikalischen Eigenschaft gegenüber der Position entlang des Prismas ergibt. Dieses Signal über der Position wird als „Profil” bezeichnet und könnte, wie es einem Fachmann klar ist, irgendeine messbare physikalische Eigenschaft in Abhängigkeit von der Position darstellen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wäre dieses Maß die Magnetresonanzsignalintensität über der Position entlang des Prismas.
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Im Allgemeinen messen Signalverarbeitungstechniken die Veränderung irgendeines Signals über der Zeit. Sie können verwendet werden, um einen Bereich des Signals auszuwählen, welcher kleiner als die Länge des Gesamtsignals sein kann, und die Signale innerhalb dieses Bereichs abzufragen. Der Bereich, für welchen diese Abfrage ausgeführt wird, wird als „interessierender Bereich” oder „ROI” (Region of Interest) bezeichnet. Im Falle der Profildaten tritt die Veränderung des Signals über die Position, nicht aber über der Zeit auf, obwohl die gleichen Techniken ohne weiteres auf diese Informationen angewendet werden können. Bei der Signalverarbeitung gibt es viele Techniken zum Abschätzen der Frequenzanteile eines Signals. Wenn diese Techniken auf ein Signal angewendet werden, welches mit der Position variiert statt mit der Zeit, wäre das Analogon der Frequenzanteile ein Maß der Frequenz der räumlichen Variationen entlang des Profils. Zum Zwecke dieser Erörterung soll dies als „Raumfrequenz” bezeichnet werden. Die zum Abschätzen der Frequenzanteile eines Signals verwendeten Techniken erzeugen grundsätzlich irgendein Maß der Verteilung der Frequenzen, die in dem Signal vorhanden sind, oder eine Abschätzung des bei einer gegebenen Frequenz vorhandenen Signalanteils. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Maß der Raumfrequenzanteile des Profils erzeugt durch die Anwendung von Signalverarbeitungstechniken, was eine Abschätzung der Menge und Verteilung der in einem Bereich des Profils vorhandenen Raumfrequenzen gibt. Diese Abschätzung von Betrag und Verteilung der Raumfrequenzen wird als „Raumfrequenzspektrum” bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung ist eine weitaus einfachere und elegantere Lösung zum Visualisieren physikalischer oder biologischer Strukturen als der Stand der Technik. Beispielsweise schließt dies Weichgewebestrukturen einschließende Strukturen innerhalb des Körpers ein.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Zeit-Frequenz-Darstellung (zum Beispiel ein Spektrogramm) verwendet, um die Profildaten darzustellen. Bei einem Spektrogramm wird ein Plot erzeugt, wie die Spektraldichte mit der Distanz entlang des Profils variiert. Da MRI-Daten grundsätzlich digital dargestellt sind, geht das bevorzugte Verfahren des Messens der Spektraldichte über die Berechnung der Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) aus dem Profil. Ein Beispielspektrogramm ist in 1 gezeigt. Das Analogon zu einem zeitlich veränderlichen Signal ist bei dieser Anmeldung das Profil, welches mit der Distanz variiert. In diesem Fall kennzeichnet die Zeit-Frequenz-Darstellung die Variation der Spektraldichte in Abhängigkeit von der Distanz entlang des Profils.
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Somit kennzeichnet jeder Punkt entlang der Distanzachse des Spektrogramms die Spektraldichte in einem Bereich des Materials in einem gewissen Ausmaß um diesen Punkt herum. In seiner allgemeinsten Form weist jeder Punkt entlang des Profils ein Raumfrequenzspektrum auf, dass aus einer Reihe von „Raumfrequenzen” besteht, von denen jede einen zugeordneten „Betrag” aufweist, der den relativen oder absoluten Anteil der bei diesem Raumfrequenzwert vorhandenen Strukturen anzeigt. Dies ist in 2 veranschaulicht. Um diese große Datenmenge auf eine sinnvolle Weise anzuzeigen, werden den Raumfrequenzen entsprechende „Farbfrequenzen” zugewiesen und wird eine Übertragungsfunktion verwendet, um jeden Raumfrequenz-„Betrags”-Datenpunkt als eine Farbfrequenz-„Intensität” zu codieren. Dies ist in 3 veranschaulicht. Die Kombination dieser Farbfrequenzen, gewichtet durch ihre zugehörigen Intensitäten, ergibt einen zusammengesetzten Endfarbwert, welcher für sämtliche Raumfrequenzen für diese Position entlang der Distanzachse des Spektrogramms repräsentativ ist. Dies wird für jedes Inkrement entlang des Profils ausgeführt, um einen linearen Plot der Farbe über der Distanz zu erzeugen.
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Das Raumfrequenzspektrum kann in Farbfrequenzen auf verschiedene Weise codiert werden, welche einschließen: a) Codieren jeder Raumfrequenz in eine gegebene Farbfrequenz, so dass es die gleiche Anzahl von Farbfrequenzen wie Raumfrequenzen gibt, b) die Anzahl der Farbfrequenzen kann gesenkt werden, indem Gruppen von Raumfrequenzen in eine geringere Anzahl von Gruppen von Raumfrequenzen, „Bins” genannt, kombiniert werden, oder c) Verwenden einer Untermenge der Raumfrequenzen (entweder eine aufeinanderfolgende Untermenge oder ausgewählte Raumfrequenzen, die über den Bereich der Raumfrequenzen verteilt sind) anstelle der vollständigen Menge und Zuweisen der Farbfrequenzen zu dieser Untermenge.
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Die einer gegebenen Raumfrequenz entsprechende Intensität der Farbfrequenz wird aus dem relativen oder absoluten Wert des Raumfrequenzspektrumbetrags bei der gegebenen Frequenz berechnet. Die Transformation des Raumfrequenzbetrags in eine Farbfrequenzintensität kann linear sein oder kann irgendeine andere Übertragungsfunktion haben. Darüber hinaus können die einzelnen Farbfrequenzen identische oder verschiedene Übertragungsfunktionen haben. Die Menge der Übertragungsfunktionen kann variiert werden, um die Darstellung der Raumfrequenzdaten in Abhängigkeit von der speziellen zu untersuchenden Struktur zu verbessern.
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Die aus dem Raumfrequenzspektrum eines Segments des Profils abgeleitete zusammengesetzte Farbe kann auf unterschiedliche Weise angezeigt werden, einschließlich: a) Zuweisen zu demjenigen Punkt entlang des Profils, der sich am Mittelpunkt des zum Erzeugen des Raumfrequenzspektrums verwendeten Segments befindet, b) Zuweisen zu einem Bereich von Punkten entlang des Profils mit Intensitäten, die so gewichtet sind, dass sie die Breite des Segments, das zum Erzeugen des Raumfrequenzspektrums verwendet wurde, anzeigen (beispielsweise gewichtet durch dieselbe Fensterfunktion, die für die Frequenzanalyse verwendet wurde).
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Ein oder mehrere Prismen können auf diese Weise analysiert werden, wobei sie so angeordnet sind, dass sie eine ausreichende Abdeckung des interessierenden Bereichs zur Verfügung stellen. Dies schließt Arrays paralleler Prismen (entweder überlappend oder nicht überlappend), oder Prismen, die unter verschiedenen Winkeln durch einen interessierenden Bereich positioniert sind, ein, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Die Zuweisung von Farben zu den Raumfrequenzdaten ermöglicht, dass eine „Farb-Map” erzeugt wird, welche es gestattet, dass die räumliche Verteilung der Raumfrequenzdaten unter Bezugnahme auf interessierende anatomische Merkmale interpretiert wird. Ein Beispiel des roten, des grünen und des blauen Kanals aus einer Farb-Map ist in 4 gezeigt.
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Die Raumfrequenzanalysetechnik ist richtungsempfindlich. Folglich können im Falle von Prismen, die sich durch denselben interessierenden Bereich, aber bei verschiedenen Winkeln erstrecken, die Informationen über die Raumfrequenzverteilung in Abhängigkeit vom Winkel durch einen gegebenen Bereich dann durch geeignete Analyse und Interpretation dieser Daten bestimmt werden. Biologische oder andere Strukturen können anisotrop sein, und somit kann dieses Verfahren nützliche Informationen über die strukturelle Anisotropie in einem gegebenen anatomischen Bereich (erkrankt oder von anderer Art) geben. Ein Beispiel der Art und Weise, wie eine Anisotropie durch dieses Verfahren hervorgehoben werden kann, ist in 6 gezeigt.
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Nachfolgende Mengen oder Sätze von einem oder mehreren Prismen können dann durch denselben anatomischen Bereich hindurch gewonnen werden. Im Allgemeinen können die weiteren Sätze von Prismen in verschiedenen Winkeln gegenüber dem anfänglichen Satz orientiert sein. Durch Erlangen der Daten zu nachfolgenden Zeitpunkten kann dann eine Farb-Map zu jedem Zeitpunkt, zu welchem Daten gewonnen wurden, erzeugt werden und dann die Daten als Serie von Bildern oder Videoanimation angezeigt werden. Dies würde es gestatten, dass zeitliche Änderungen der Struktur visualisiert werden können.
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Nachfolgend wird eine schrittweise Beschreibung des Verfahrens zum Erzeugen einer Raumfrequenz-Farb-Map mit Farbton und Intensität gegeben, die Raumfrequenzen bzw. ihre Beträge als Funktion des Orts in einer Probe darstellt. Diese kurze Beschreibung veranschaulicht eine grundlegende Implementierung des Verfahrens. Es wird auf 7 Bezug genommen. Der erste Schritt besteht darin, eine Signalamplitude über die Position (ein Profil) entlang eines Prismas oder eines Arrays von Prismen (97, 98) zu gewinnen. In 7 ist das Array als paralleles Array benachbarter Prismen mit einem rechteckigen Querschnitt gezeigt. Grundsätzlich können die Prismen von beliebigem Querschnitt sein und ist die Anordnung so gewählt, dass sie auf geeignete Weise den zu analysierenden Bereich der Probe (99) abdeckt. Der nächste Schritt besteht darin, mehrere Segmente jedes der Profile (100) zu analysieren. Die Segmentlänge (103) ist teilweise so gewählt, dass sie für die zu erkennenden gewünschten Strukturmerkmale lang genug ist (zum Beispiel länger als deren Wellenlänge), aber kürzer als das Prisma bzw. die Prismen ist.
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Unter Verwendung der ausgewählten Segmentlänge wird dann die Raumfrequenzanalyse an so viel benachbarten oder überlappenden Segmenten ausgeführt, wie es gewünscht ist, um die Verteilung der Raumfrequenzen in jedem Segment des zu analysierenden Bereichs der Probe (99) anzuzeigen. Für jedes dieser Segmente wird eine Verteilung von Farben dem Bereich der Raumfrequenzen, jeweils eine Farbe zu einer zugehörigen Frequenz, zugeordnet und eine Intensität jeder Farbe dem Betrag der zugehörigen Raumfrequenz zugeordnet. Dann wird eine polychromatische Farbe und eine Intensität auf der Basis der Übertragungsfunktion berechnet. Die polychromatische Farbe und ihre Intensität stellen eine Kombination der Farben und der Beträge der zugehörigen Farben für jedes Segment dar. Gemäß 3 kann diese Übertragungsfunktion vielfältiger Form sein. Bei diesem Beispiel trägt die Intensität bei einer hohen Raumfrequenz, die in dem Raumfrequenzspektrum vorhanden ist, zur einer Intensität hochfrequenter Farben (zum Beispiel Blau) und tragen geringe Raumfrequenzen zu niederfrequenten Farben (zum Beispiel Rot) mit einem dazwischenliegenden Kontinuum bei. Wiederum gemäß 3 erzeugt dies ein zusammengesetztes polychromatisches Farbspektrum, welches dann an dem geeigneten Ort entlang des Prismas (102) angezeigt wird, um eine eindimensional farbabgebildete Darstellung der Verteilung der Raumfrequenzen als Funktion der Position entlang des Prismas (101) zu erzeugen. Die Veranschaulichung in 7 zeigt die Wiedergabe (plotting) der zusammengesetzten Farbe am Mittelpunkt des analysierten Segments; alternativ könnte die Farbe auf eine verteilte Weise entlang der gesamten Länge des analysierten Segments wiedergegeben werden. Dies könnte auf eine gewichtete Weise geschehen, so dass das Maximum sich beim Mittelpunkt befindet und die Intensität zu den Rändern hin abfällt. Eine zweidimensionale Abbildung wird dann erzeugt, indem die eindimensionalen farbabgebildeten Bilder (101) in geeigneter relativer Beziehung so angeordnet werden, dass die Farben eine Abbildung (Map) erzeugen, wie sie in 8 dargestellt ist (111). Alternativ könnte die zusammengesetzte Farbe in ihre Farbkomponenten aufgeteilt werden, um für jede Farbkomponente eine Map zur Verfügung zu stellen, wie beispielsweise für jede der drei Primärfarben. Die Hinzufügung eines Referenzbildes (110) (Magnetresonanzbild oder andere Ausführungsart), das im gleichen Maßstab und der gleichen Orientierung wie die Farb-Map präsentiert wird, schafft eine räumliche Referenz zum Interpretieren der Farb-Map (oder Maps) in Bezug auf die zu analysierende Probe.
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Das Ergebnis der Ausführung von Raumfrequenzanalysen auf das aus der Probe gewonnene Signal kann selbst dann, wenn es auf ein ausgewähltes Segment des Bereichs begrenzt ist, in dem das Signal gewonnen wurde, und auf eine oder mehrere Bereiche von Spektralfrequenzen begrenzt ist, komplexe Werte erbringen, welche als Amplituden- und Phasenwerte oder als reelle und imaginäre Komponentenwerte ausgedrückt werden können. Die aus der Raumfrequenzanalyse gewonnenen tatsächlichen Werte, wie sie zur Bereitstellung einer Ausgabe verwendet werden, hängen, unabhängig davon, wie sie verwendet werden, davon ab, welche Werte entweder mehr Informationen bereitstellen oder deutlicher die gewünschten Informationen veranschaulichen, und können eine einzelne Analyse der Amplitude, Phase, des Realteils oder Imaginärteils oder zwei oder mehr Analysen jeweils für einen dieser Werte, umfassen.
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Somit gibt es zusätzlich zu einem Schema, bei dem die Farbe grundsätzlich verwendet wird, um Raumfrequenzen oder Bereiche von Raumfrequenzen darzustellen (wie in 3 veranschaulicht) und der Betrag (Amplitude ungeachtet der jeweiligen Phase) des Raumfrequenzspektrums als Intensität der angezeigten Farbe abgebildet wird, zahlreiche weitere wünschenswerte Lösungen zum Anzeigen (Mapping) von Charakteristika des Raumfrequenzspektrums als Farben oder Intensitäten oder beides. Eine andere Lösung besteht darin, einen Bereich interessierender Raumfrequenzen zu identifizieren (zum Beispiel die charakteristischen Wellenlängen, die einer Leberfibrose im frühen Stadium zugeordnet sind) und die Amplitude (Durchschnittsamplitude) oder einen anderen Wert in diesem Bereich der Raumfrequenzen (zum Beispiel Grauwert, Schwarz/Weiß oder eine bestimmte Farbe) als Intensität des ausgewählten monochromatischen Displays abzubilden (anzuzeigen). Diese Lösung kann besondere nützlich sein, wenn sie als halbtransparentes Overlay über andere Bilder desselben Bereichs der Probe gezeichnet wird. Dies würde ausgeführt werden, indem das Overlay in geeigneter Weise skaliert wird, so dass die Raumfrequenzdaten, die in dem Overlay angezeigt werden, aus dem betreffenden Bereich des anderen Bildes herrühren, welches überlagert wird.
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Eine andere Lösung könnte in der Verwendung eines „Falschfarb”-Schemas bestehen, bei dem die in der Abbildung (Map) angezeigte Farbe eine Intensität repräsentiert. Zusätzlich könnte eine Farbe verwendet werden, um unterschiedliche Gewebetypen anzuzeigen, wie sie durch ihre spektralen Charakteristika bestimmt werden. Beispielsweise Rot für den Raumfrequenzbereich von Strukturcharakteristika einer Erkrankung und Grün für gesunde Strukturen. Selbstverständlich erfordert dies wiederum das Einrichten eines Algorithmus zum Analysieren der Ergebnisse der Raumfrequenzanalyse, um daraus zu folgern, was eine erkrankte gegenüber einer gesunden Struktur ist. Dies könnte einfach eine Anzeige von Rot oder Grün sein, wäre aber wahrscheinlicher eine gewichtete Mischung der beiden Farben in einem Bereich irgendeiner Erkrankung.
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Eine noch andere Lösung bestünde darin, Spektralanalysetechniken aus Feldern zu verwenden, wie beispielsweise (aber nicht ausschließlich) eines Hyperspectral Imaging, um Metriken zu entwickeln, welche als Map angezeigt werden können. Diese Metriken könnten den Vergleich von Spektren über dem abgetasteten Bereich mit einem oder mehreren Referenzspektren darstellen, oder auch die automatische Klassifikation der Spektren in dem Bereich in Klassen. Immer dann, wenn Referenzspektren verwendet werden, könnten die Referenzspektren die Spektren von derselben Struktur aus einem früheren Zeitpunkt sein oder enthalten, um schneller das Voranschreiten oder die Rückbildung der Erkrankung hervorzuheben.
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Zusätzlich zur Erzeugung von Abbildungen (Maps), die eine oder mehrere Charakteristika verschiedener Frequenzbänder des Raumfrequenzspektrums anzeigen, wie sie irgendwo in dieser Offenbarung offenbart sind, können Abbildungen (Maps) erzeugt werden, die andere Charakteristika der Variationen von einem Ort zum anderen der hervorstechenden Merkmale des Raumfrequenzspektrums in einer Probe darstellen. Ein Krankheitszustand kann gekennzeichnet sein durch das Verhältnis oder die Verhältnisse der Ergebnisse der Raumfrequenzanalysen in zwei oder mehr verschiedenen charakteristischen (sentinel) Raumfrequenzbereichen, das heißt, eine gesunde Gewebsstruktur könnte einen relativ gleichen Betrag von Strukturmerkmalen kleiner und großer Wellenlängen haben, wohingegen ein erkranktes Gewebe zweimal so viel oder mehr der größeren Strukturen relativ zu den kleineren Merkmalen haben könnte. Ein Mittelwert über jeden Bereich könnte für diesen Zweck verwendet werden. Ein anderes Beispiel wäre eine anisotrope Struktur (das heißt eine Struktur, die verschiedene Raumfrequenzen (Wellenlängen) in verschiedenen Richtungen der Probe anzeigt). In diesem Fall kann man eine Map erzeugen, die Spektren von mehreren nicht parallel orientierten Prismen verwendet.
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Somit könnte die Raumfrequenzanalyse auf den interessierenden Frequenzbereich oder die interessierenden Frequenzbereiche in einer bestimmten Probe begrenzt sein, und die aus der Raumfrequenzanalyse gewonnenen Werte könnte einfach eine Amplitude oder ein Betrag, oder Amplitude und Phase oder Real- und Imaginärteile sein. Jeder dieser Werte könnte zur Ausgabe oder zur Anzeige (Mapping) in Farbe oder monochrom verwendet werden, entweder direkt oder als Verhältnisse oder Differenzen in Übereinstimmung mit irgendwelchen weiteren Algorithmen. In zumindest einigen Fällen wird ein Signal über einer Position entlang eines vorgegebenen Bereichs einer Probe gewonnen, eine Segmentlänge, die länger als das Strukturmerkmal der zu analysierenden Probe und kürzer als der zugehörige Bereich der Probe ist, ausgewählt, eine Raumfrequenzanalyse an jedem der benachbarten oder überlappenden Segmente entlang des Bereichs ausgeführt und die Ergebnisse dieser Raumfrequenzanalyse, allein oder zusammen mit Referenzspektren, verwendet, um die Spektralanalyse für jedes Segment zu charakterisieren, um einen Plot (Darstellung) der Charakterisierung jedes Segments entlang des Bereichs der Probe zu bilden zur Anzeige in Grauton oder monochrom (fest vorgegebene Farbe) oder in einer Farbvariation einer fest vorgegebenen Intensität oder einer Kombination von Farb- und Farbintensitätsvariation zur Ausgabe, typischerweise zum Bilden einer visuell wahrnehmbaren Anzeige, entweder allein oder als skaliertes Bild-Overlay (oder Underlay) eines Bildes eines anderen Ursprungs, aber desselben Bereichs der Probe.
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Während bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart und hier zum Zwecke der Veranschaulichung und nicht zum Zwecke der Beschränkung beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen an der Form und an Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es ist folglich die Intention, dass die beigefügten Ansprüche angesichts des Standes der Technik so breit wie möglich interpretiert werden sollen, so dass sie sämtliche derartigen Variationen einschließen.
