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Thermographische Diagnoseeinrichtung Die Erfindung betrifft eine
Diagnoseeinrichtung s mit der die Temperaturverteilung eines Oberïlachenbereichs
des menschlichen Körpers feststellbar ist.
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Es wurde bereits vorgeschlagen (Patentanmeldung ..., meine Akte 1535)
die Temperaturverteilung eines Oberflächenbereichs des menschlichen Körpers dadurch
zu bestimmen, daß auf diesem eine Schicht aus einem temperaturabhängig fluoreszierenden
Leuchtstoff aufgetragen wird, so dal3 mit hilfe der resultierenden Fluoreszenzstrahlung
ein der Temperaturverteilung entsprechendes optisches Bild sichtbar gemacht oder
photographiert werden kann. Ein derartiges Bild kann zu Diagnosezwecken dienen,
weil Temperaturunterschiede in der Ihut lLiickschliisse aui den physiologischen
Zustand des darunter liegenden Gewebes zulassen. Gewöhnlich ist eine Symmetrie der
Temperaturverteilung zwischen entsprechenden gegenüberliegenden Körpertellen vorhanden.
Durch Bestimmung der Temperalturverteilung des einen Bereichs ist es deshalb möglich,
lokalisierte normale oder pathologische Zustände in Form von Temperaturunterschieden
zu identifizieren, indem ein Vergleich mit einem entsprechenden gegeniiberliegenden
Bereich erfolgt, oder indem Temperaturgradienten in dem Bereich geeignet interpretiert
werden.
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Die Temperaturunterschiede in verschiedenen Oberflächenbereichen
des menschlichen Körpers können verschiedenen Faktoren zugeordnet werden, beispielsweise
Unterschieden des Stoffwechsels bei unterschiedlichen Geweben, Unterschieden der
thermischen Eigenschaften verschiedener Gewebe, oder Unterschieden in der Blutgefäßverteilung.
Beispielsweise wurde festgestellt, daß venöses Blut eine höhere Temperatur als arterielles
Blut hat, was dadurch bedingt sein kann, daß von dem abfließenden venösen Blut Warme
aus einem hinsichtlich eines Stoffwechsels aktiven Bereich absorbiert wird.
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Der Zustand eines Gewebes kann ebenfalls den Temperaturgradienten
auf der Oberfläche der IIaut beeinflussen. Normales Gewebe zeigt gewisse Temperaturunterschiede
von sich aus und relativ zu dem zufließenden und abfließenden Blut. Entzündet Gewebe
können eine vergleichsweise größere Blutzufuhr und einen wärmeren Zustand haben.
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Gewisse bösartige Tumore ergeben eine noch größere Blutzufuhr und
einen stärkeren Stoffwechsel, was sich in einer entsprechend höheren Temperatur
äußert. Tumortemperaturen ändern sich auch von einem Teil des Neoplasmas zu dem
anderen und sich gewöhnlich wärmer in deren Randzonen, da die zentralen Bereiche
oft abgestorben sind. Es gibt andere Beispiele von Temperaturverteilungen, welche
das Vorhandensein eines darunterliegenden bösartigen Tumors oder lediglich das Vorhandensein
einer ungefahrlichen Entzündung, einer Verletzung oder einer Zyste anzeigen. Fnr
die Feststellung derartiger Unterschiede in verschiedenen Bereichen der Oberfläche
des menschlichen Körpers sind in der Regel Temperaturdifferenzen zwischen 1,5 und
30C maßgebend.
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Bisher verwandte thermographische Einrichtungen fiir medizinische
Diagnosezwecke sind im wesentlichen Abtast-Radiometer. Der Körper wird durch ein
mechanisch bewegtes optisches System abgetastet. Es finden
Nachweisgeräte
fisr Infrarotstrahlung Verwendung, die entweder Thermistor-Bolometer oder Ilalbleiter-Photonennachweisgeräte
sind.
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Nachgewiesene Temperaturunterschiede auf der Körperoberfläche werden
durch die Nachweiseinrichtung in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zur Modulation
der Intensität eines scharf fokussierten Lichtbündels verwandt wird, das synchron
über ein egistriermedium abgelenkt wird. Die Aufzeichnung kann mit hilfe einer Polaroidkamera
erfolgen, welche ein positives Bild herstellt, oder mit einer gewöhnlichen Kamera,
welche ein Negativ bildet. Unterschiede der optischen Dichte der linienförmigen
photographischen Aufzeichnung sind proportional den Temperaturdifferenzen in der
untersuchten Oberfläche. Bei diesem Verfahren kann keine direkte Sichtbarmachung
der Temperaturverteilung des Körpers erfolgen, sondern es muß abgewartet werden,
bis der Abtastvorgang beendet ist, was zwischen 1 und 5 Minuten dauern kann, sowie
bis der Film entwickelt ist.
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Es besteht insbesondere deshalb ein besonderes Interesse an der Thermographie,
weil dieses Verfahren möglicherweise soweit entwickelt werden könnte, daß es zur
Reihenuntersuchung der weiblichen Bevölkerung nach Anzeichen für Brustkrebs Verwendung
finden könne. Zur Zeit ist die früheste Anzeige des Vorhandenseins eines möglicherweise
pathologischen Zustands die Entdeckung einer Geschwulst oder eines Bereichs mit
erhöhter Dichte in der Brust mit Hilfe einer körperlichen Beruhrung. Wenn die Geschwulst
Krebs ist, hat sie sich schon oft zu dem Zeitpunkt verbreitet, zu dem sie abgefühlt
werden kann oder zum ersten Mal festgestellt wird.
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Andererseits sind nicht alle Fälle erhöhter Dichte krebsartig, so
daß viele davon nicht bösartige Zysten und faserige Gewächse sind,
die
einen niedrigeren Stoffwechsel als gewisse bösartige Erscheinungen haben können
und deshalb kühler als die letzteren sind.
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Durch ein empfindliches thermographisches System könnte eine geeignete
Unterscheidung erfolgen.
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Die oben erwähnten und andere bekannte Einrichtungen dieser Art sind
für Reihenuntersuchungen nicht geeignet, weil die Verfahren zu zeitraubend sind,
weil Temperaturdifferenzen zu schlecht aufgelöst werden und weil das umgewandelte
thermische Bild nicht sofort sichtbar ist. Ein bedeutsamer Fortschritt erfolgte
durch den erwähnten älteren Vorschlag. Dieser betrifft ein thermographisches Verfahren,
bei dem die Hautoberfldiche des Teils des zu untersuchenden Körpers mit einem thermisch
empfindlichen Leuchtstoff überzogen wird. Der Leuchtstoff fluoresziert umgekehrt
proportional zu der entsprechenden Temperatur, wenn er mit Strahlung wie ultraviolettem
Licht angeregt wird. Die Fluoreszenz des Leuchtstoffs ist in den Zonen geringer
in welchen die Temperatur der darunter liegenden Haut und des Gewebes höher ist,
so dalJ sich dunklere Schattierungen ergeben. Die Oberflächeneigenschaften des thermischen
Effekts können Stoffwecselbedingungen im tiefer darunter liegenden Gewebe zugeordnet
werden.
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Mit diesem Verfahren ist es möglich, ein thermisches Bild in voller
Größe und direkt sichtbar zu machen, um eine sofortige Diagnose zu ermöglichen,
und ferner das Bild auf einen photographischen Film oder dergleichen gewünschtenfalls
aufzuzeichnen. Dieses mit Leuchtstoff arbeitende Kontaktverfahren erhöht die für
den Diagnostiker verfpare Information, weil es sehr empfindlich ist, kleine Temperatur
unterschiede auflösen kann und diese mit ausreichendem Kontrast sichbar machen kann.
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Aus den vorangegangenen Ausfiihrungen geht hervor, daß die dem umgewandelten
thermischen Bild entnehmbaren Informationen teilweise von der Fähigkeit des menschlichen
Auges oder dem Aufzeichnungsmedium abhängen, inwieweit diese Kontrastunterschiede
empfinden oder aufzeichnen können. Durch die Erfindung soll die Wahrnehmbarkeit
verbessert werden, indem eine elektronische Einrichtung Verwendung finden soll.
Eine Diagnoseeinrichtung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das
in ein sichtbares Bild umgewandelte thermische Bild, das von dem Leuchtstoff auf
dem Patienten erzeugt wird, mit einer Videokamera aufgenommen und mit einem Fernsehmonitor
wiedergegeben wird, der unter anderem elligkeits- und Kontrastregler aufweist. Durch
Einstellung dieser Regler können sonst nicht wahrnehmbare Kontraste intensiviert
werden und durch das menschliche Auge besser unterschieden werden. Ferner ist die
Kamera mit einer Zoom-Optik oder mit einem anderen derartigen optischen System ausgerichtet,
welches die Auswahl eines Körperbereichs ermöglicht und diesen in vergrößerter Form
auf dem Bildschirm des Monitors wiedergibt. Dadurch wird weiter das Auflösungsvermögen
erhöht und eine Beobachtung in eine Maßstab ermöglicht, der noch größer als die
Lebensgröße ist. Das System kann ferner eine Kamera zur Aufzeichnung der auf dem
Bildschirm auftretenden Bilder aufweisen.
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Mit bekannten Einrichtungen, mit denen aus dem Körper austretende
Infrarotstrahlung direkt gemessen wird, muls die Infrarotstrahlung zerhackt werden,
damit von der Nachweiseinrichtung ein Vechselspannungssignal abgegeben werden kann,
um eine leichtere Verstärkung zu ermöglichen. Dies führt zu dem Verlust von Informationen
wrend der Zeit, während der Zerhacker sich in dem Strahengang befindet, da sich
die Abtasteinrichtung kontinuierlich bewegt. Bei der
Einrichtung
gemäß der Erfindung ist jedoch kein derartiger Verlust von Informationen vorhanden,
weil der abtastende Elektronenstrahl in der Videokamera ununterbrochen ber jedes
Teilstück der in sichtbare Informationen umgewandelten thermischen Informatione
verläuft.
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Es s ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der erwähnten
Art so auszubilden, daß die Informationen entsprechend tatsächlichen thermischen
Unterschieden wiedergegeben werden, statt mit diskreten Temperaturabstufungen bei
bekannten Einrichtungen.
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Es ist ferner ein Merkmal der Erfindung, daß eine Ansicht des Patienten
auf dem Monitor bei üblichen eleuchtungsbedingungen wieder gegeben werden kann.
Diese Ansicht kann auf dem Monitor photographier werden. Ein thermographisches Bild
kann dann auf den Monitor wiedergegeben und photographiert werden. Das thermographische
Negativ kann direkt oder durch eine optische Einrichtung über die übliche Photographie
überlagert werden, so daß der pathologische Zustand, der durch die thermischen Unterschiede
charakterisiert ist, genau auf einem Bild des Körpers lokalisiert werden kann. Die
überlagerten Negative können zusammen auf Photopapier kopiert werden, und ein Abzug
kann als Führung für den Chirurgen verwandt werden, wenn ein chirurgischer Eingriff
erforderlich werden sollte.
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Die Erfindung bezweckt also insbesondere die Verbesserung von bekannten
Einrichtungen und Verfahren zur Durchführung thermographischer Untersuchungen des
menschlichen Körpers.
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Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, die für eine thermographische
Untersuchung erforderliche Zeitspanne zu verringern, um di Empfindlichkeit thermographischer
Verfahren zu erhöhen, so da eine Auflösung von Thermogrammen in genaue thermische
Konfigurationen an Stelle von verschwommenen, durch optische Abtasteinrichtungen
erzeugten Wiedergaben möglich ist, um eine sofortige Fernbetrachtung
und
Interpretation der thermischen Informationen zu begünstigen, und um zu vermeiden,
daß der Patient während einer Untersuchung unbeweglich gehalten werden muß, wie
dies bisher bei bekannten Mftastverfahren der Fall war.
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Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine Ansicht des Patienten und der Einrichtung
zur Durchführung einer thermographischen Untersuchung.
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Der Patient 1 liegt auf einem Tisch 2, der vorzugsweise wie ein öntgentisch
in Längsrichtung verschwenkbar ist. Zur Vereinfachung der Erläuterung soll angenommen
werden, daß der zu untersuchende Bereich der Brust bereits mit einem Leuchtstoff
der oben beschriebenen Art überzogen ist. Über dem Patienten sind beispielsweise
an einem Deckengehänge verschiedene Lichtquellen 3 fiir anregende Strahlung angeordnet.
Die Vorderseite jeder Strahlungsquelle kann ein Glasfilter 4 sein, das vorzugsweise
den größten Teil des sichtbaren Lichts entfernt und nur den Teil des Spektrums durchlässt,
der am meisten wirksam ist, den verwandten Leuchtstoff zur Fluoreszenz anzuregen.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurden im handel verfügbare schwarze Lichtquellen
verwandt, die deshalb benutzt wurden, weil sie eine enge Bandbreite anregender Strahlung
in der Nähe des langwelligen Endes des ultravioletten Spektrums erzeugen, welche
Strahlung gut zur Anregung des Zink-Cadmium-Sulfid-Leuchtstoffs geeignet ist, der
mit Silber und Nickel dotiert ist. Das langwellige Ende der ultravioletten Strahlung
wird auch deshalb vorgezogen, weil es keine Erythema oder kein Mißbehaben des Patienten
verursacht. Der Patient wird trotzdem mit zwei orangefarbigen Brillengläsern 5 ausgerüstet,
um eine Akkommodation an Beleuchtungsänderungen zu erleichtern, und um irgendwelches
Mißbehagen zu vermeiden, das durch Fluoreszenz in der Innenseite des Auges durch
die ultraviolette Anregung bewirkt werden könnte. Die
Lichtquellen
3 weisen nicht dargestellte Regeleinrichtungen für die Lichtintensität auf.
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Nachdem der interessierende Oberflächenbereich des Patienten gleichförmig
mit einem Leuchtstoff verzogen ist, der beispielsweise Bestandteil eines Aerosols
ist, das 5 bis 15 Gewichtsprozent eines feinverteilten keuchtstoffes, 2 bis 5 Gewichtsprozent
eines Bindemittels, 10 bis 20 Gewichtsprozent eines flüssigen Lösungsmittels sowie
ein Zerstäubungsmittel enthält, wird die Raumbeleuchtung reduziert oder ausgelöseilt,
während die schwarzen. Lichtquellen 3 angeschaltet werden. Hunter diesen Voraussetzungen
fluoresziert der Leuchtstoff. Diejenigen Teile, unter denen die ilauttemperatur
höher ist, erscheinen dunkler, so daß die Schattierung den Temperaturgradienten
entspricht. Zum Beispiel können die Blutgefäßverteilung und Gewebe unterschiedlicher
Dichte und Stoffwechselaktivität sichtbar gemacht werden, so daß eine Temperaturverteilung
in ein sichtbares Bild umgewandelt wird. Der Untersuchende kann dann sofort diagnostische
Rückschlüsse aus der direkten Beobachtung der umgewandelten Temperaturverteilung
ziehen, oder kann ein Photograhieren des Bilds veranlassen.
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Gemäß der Erfindung wird jedoch das umgewandelte thermische Bild
mit einer Videokamera 6 betrachtet. Diese Kamera kann mit einer Zoom-Linse 7 versehen
sein, die ein Filter 8 in ihrem optischen Weg aufweist. Das Filter ist so ausgewählt,
daß derjenige Teil des sichtbaren Spektrums durchgelassen wird, welcher von dem
Leuchtstoff emittiert wird, während ultraviolettes und anderes Licht, das irgendwo
reflektiert wird, praktisch nicht hindurchgelassen wird.
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Da ein Leuchtstoff aus Zink-Cadmium-Sulfid in erster Linie grünlich-gelbes
Licht emittiert, ist ein gelbes oder oranges Filter 8 zufriedenstellend, um Störstrahlung
von der Videokamera 6 fernzuhalten, wenn ein derartiger Leuchtstoff Verwendung finden
Die
Zoom-Linse 7 kann irgend eine bekannte Zoom-Linse sein, welche eine Fokussierung
auf einen gewünschten Bereich ermöglicht.
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Der für ein praktisches Ausführungsbeispiel verwandte Typ ermöglichte
eine drei- bis vierfache Vergrößerung auf einem Videamonitor, ohne daß eine Verringerung
der Schärfe auftrat. Die Videokamera 6 ist über ein Kabel 9 mit dem Videomonitor
10 verbunden, der bei diesem Beispiel ein Bild mit 876 Zeilen auf dem Leuchtschirm
der Bildröhre 11 aufzeichnete. Der Monitor dient als Beobachtungsstation und kann
in einer Konsole angeordnet sein, von der verschiedene Steuerfunktionen ausgeführt
werden können, wie unten noch näher erläutert werden soll.
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Auf dem Monitor ist eine Reihe von Schaltknöpfen zur Steuerung der
Videoschaltungen und der Art des Bilds vorhanden. Einer der dargestellten Knöpfe
12 kann zum Einschalten dienen, während zwei andere zur Einstellung der Bildhelligkeit
beziehungsweise zur Kontrastregelung dienen können. Die Schaltung dieser Steuer-
und Regeleinrichtungen ist im wesentlichen die übliche. Auf der obersten Zeile ist
ferner ein vierter Knopf vorgesehen, durch den das Bild entweder als Positiv oder
als Negativ auf dem Bildschirm 11 erscheint. Diese Art der Steuerung ist aus der
Fernsehtechnik bekannt.
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Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß der Schalter zur Umwandlung
eines positiven in ein negatives Bild eine Phasenverschiebung in der Videokamera
6 über die Leiter im Kabel 9 oder eine Phasenverschiebung in dem Monitor bewirken
kann.
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Auf der Monitorkonsole 10 ist ferner eine untere iteihe von Regelknöpfen
13 vorgesehen. Die Anzahl kann der Anzahl der schwarzen Lichtquellen 3 entsprech-en,
um eine Fernsteuerung der Intensität der Lichtquellen zu ermöglichen. Ein weiterer
Knopf kann fiir die Steuerung eines Motors in der Videokamera 6 vorgesehen sein,
welcher Motor die Zoom-Linse verschiebt, um einen größeren oder kleineren
Bereich
des Körpers aufzunehmen. Andere Knöpfe können dazu dienen, um durch Motoren angetriebene
Getriebeeinrichtungen zur Anordnung der schwarzen Lichtquellen und der Videokamera
relativ zu dem Patienten zu steuern. Daraus ist ersichtlich, daß der Diagnostiker
das gesamte Verfahren von einer einzige + ontrollstation steuern kann. Eine für
Aufzeichnungen dienende Kamera 14 kann verwandt werden, um umgewandelte thermographische
Bilder in dem gewünschten Augenblick aufzuzeichnen, während sie auf dem Bildschirm
11 auftreten. Die Kamera 14 kann eine Filmkamera oder eine übliclje Kamera sein.
Bei einer praktischen Erprobung wurde eine iteflexkamera verwandt, die einen schnell
arbeitenden elektrischen Filmvorschub aufwies. Um den Einfluß von gestreutem ultraviolettem
Licht zu vermeiden, wird der Monitor über ein geeignetes Filter in der Stirnfläche
der Linsenanordnung 15 der Kamera 14 photographiert. Bei einem System mit Zink-Cadmium-Sulfid
als Leuchtstoff findet ein oranges Filter Verwendung. Die Kamera 14 kann mit einem
Kabel 16 verbunden werden, um dessen elektrische Leistung von der Konsole aufzunehmen
und um eine gemeinsame Steuerung der Videokamera 6, der Lichtquellen 3 und anderen
Lichtquellen vorzunehmen, welche die nicht dargestellte Raulubeleuchtunb ergeben.
Dadurch wird das oben erwähnte Verfahren vereinfacht, bei dem der Patient durch
die Videokamera 6 bei gewöhnlicher Beleuchtung aufgfflommen wird, so daß ein sichtbares
Bild auf dem Bildschirm erscheint. Die Kontrast-und llelligkeitsregler werden eingestellt,
bis das Bild photographiert werden kann. Dann nimmt die Kamera 14 zwei verschiedene
Arten von Bildern auf, die auf den Bildschirm 11 auftreten. Die aufeinanderfolgend
erhaltenen Filmnegative können nach einer Entwicklung überlagert werden, um das
thermische Bild itn Hinblick auf denjenigen Teil der Anatomie, der untersucht wird,
zu lokalisieren. Die Einzelheiten derer- und Regeischaltung, der Relais und dergleichen,
die
zur Durchführung des obigen Verfahrens dienen, wurde nicht dargestellt, weil sie
entsprechend den obigen Angaben unter Berücksichtigung des speziellen Zwecks ohne
Weiteres zusammengestellt werden können.
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Eine Regelung des Bildkontrasts und der Helligkeit auf dem Bildschirm
11 ermöglicht einen anderen überraschenden Vorteil.
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Damit ist es möglich, die thermische Information in dem Bild so herunterzuregeln,
daß diejenige Information verdunkelt werden kann, die bei einer Interpretation zu
einer Verwirrung fiihren könnte.
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Beispielsweise durch Verringerung der helligkeit können verhältnis-Liäßig
kühle Zonen wie solche, die gewisse Blutgefäße abgrenzen, benaeijteiligt werden,
während die heißeren Bereiche, die beispielsweise auf gewisse bösartige Zustände
zurückzufuhren sind, beibelten werden und mit Hilfe der Kontrastregelung kontrastreicher
gemacht werden können.
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Da das oben beschriebene System eine sofortige Untersuchung eines
sichtbaren Bilds in Lebensgröße auf einem Bildschirm ern (jglieht, stellt es eine
vorteilhafte Einrichtung für Forschungszwecke sowie für diagnostische Untersuchungen
dar. Beispielsweise kann ein Patient untersucht werden, der chemotherapeutisch wegen
einer bösartigen Krankheitserscheinung oder einem anderen Leiden behandelt wird,
dem eine Droge eingegeben wurde. Die Auswirkungen einer Droge treten schneller als
thermische Änderungen an der betreffenden Stelle auf, in welcher diese einen Effekt
hervorrufen sollen, sind also schneller als bei anderen üblichen Verfahren feststellbar,
die bisher als traditionelle Kriterien der Wirksamkeit dienten. Selbst der Verbreitungseffekt
von einen Stoffwechsel verhindernden Drogen kann sichtbar gemacht werden. Das neue
Verfahren ist auch zur Durchffihrung wiederholter Untersuchtungen unter reproduzierbarcn
Bedingungen geeignet, so daß eine ltückbildung, ein
Stillstand
oder ein Fortschritt gewisser Krankheitserscheinungen gelegentlich erneut überprüft
werden kann. Derartige rasche Bestimmungen sind möglich, weil sich die Fluoreszenzstrahlung
des Leuchtstoffs praktisch augenblicklich bei verhältnismäßig kleinen Temperaturänderungen
ändert, und weil derartige Änderungen ohne Weiteres festgestellt werden können,
weil das System sehr schnell anspricht und eine hohe Empfindlichkeit hat.
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Die tatsächliche Temperatur eines vorgegebenen Bereichs kann bestimmt
werden, indem eine Temperatur-Bezugsskala im Aufnahmebereich der Video-Kamera angeordnet
wird. Die Skala erscheint dann auf dem Monitor zusammen mit dem umgewandelten thermischen
Bild.
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Eine derartige Skala kann mit einer Anzahl von mit Leuchtstoff überzogenen
Metallscheiben ausgebildet sein, deren Temperatur mit Hilfe von Thermoelementen
geregelt wird. Die als Bezugsgröße dienend Leuchtstoffe werden von derselben ultravioletten
Strahlungsquelle angeregt wie der Überzug auf dem Patienten. Zonen in dem umgewandelt
thermischen Bild auf dem Leuchtschirm oder in einer entsprechenden Aufzeichnung
können visuell oder photometrisch mit den Bezugstemperaturen verglichen werden,
um die einem Bildpunkt entsprechende tatsächliche Temperatur ermitteln.
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Es wurde deshalb eine Einrichtung beschrieben, mit der eine vollständige
thermische Abbildung ausgewählter Bereiche des menschlichen Körpers erhalten werden
kann. Mit dieser Einrichtung ausübbare Verfahren sind zur Untersuchung dynamischer-thermischer
Bedingungen und verschiedenartiger diagnostischer und wissenschaftlicher Beobachtungen
geeignet. Schnelle und wenig kostspielige thermographische Reihenuntersuchungen
der Bevölkerung können damit ferner mit einem Minimum an Unbequemlichkeit für den
Patienten durchgeführt werden. Die thermischen Konfigurationen sind genauer, weshalb
mehr oder genauere Informationen als bisher abgeleitet werden können. Patentansprcc