DE2835602C2

DE2835602C2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontaktfreien subkutanen Körpertemperaturverteilungs-Bestimmung

Info

Publication number: DE2835602C2
Application number: DE2835602A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. 8035 Gauting Edrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-14
Filing date: 1978-08-14
Publication date: 1980-09-04
Also published as: DE2835602B1; FR2443234A1; US4407292A; FR2443234B3

Description

Zur Detektion oder Bestimmung struktureller Abnormalitäten oder Erkrankungen des menschlichen Körpers werden zunehmend Röntgenverfahren (Mammographie, CT Scanning und dgl.) eingesetzt. Diese diagnostischen Verfahren haben jedoch den Nachteil der Strahlengefährdung (BJ. Culliton. Science, Vd. 193, (1976), S. 555) und sind außerdem wirkungslos bei Entzündungsvorgängen, die lediglich von Temperaturänderungen begleitet sind, wie dies bei der häufigsten Form von Arthritis (J. Edrich und CJ. Smyth, »Arthritis Inflammation Monitored by Subcutaneous Millimeter Wave Thermography«, journal of Rheumatology, Bd. 5 (1978) Nr. 1, S. 59-67) und bei Frühstadien von gewissen Tumoren (M. Gautherie, Y. Quenneville und Ch. <}ros, »Functional Explorations in Senology« (Bd. 93,1975) der FaU ist

Hier hat man in der Vergangenheit Infrarot- oder Platten-Thermographie eingesetzt Beide Verfahren s führen zur bildlichen Darstellung der Hauttemperatur mit guter Temperatur- und Raumauflösung. Diese beiden Verfahren eignen sich jedoch nicht zur genauen Messung der subkutanen Temperaturverteilung, da die Temperatur der Haut im Gegensatz zu der des

ίο Körperinneren starken lokalen und zeitlichen Änderungen von mehreren Grad Celsius unterworfen ist Die Korrelation mit subkutanen Vorgängen, Tumoren, Entzündungsherden, etc. ist daher relativ gering. Diese Verfahren können daher im allgemeinen für Tumorfrüherkennung, insbes. für die Brustkrebs- und Gehirntumor-Frühdiagnose, als nicht ausreichend angesehen werden (M. Moscowit?, J. Milbrath, P. Cartside, A. Zermano und D. Mandel, »Lack of Efficacy of Thermography as a Screening Tool for Minimal and Stage I Breast Cancer«, New England, Journal of Medicine, Bd. 195 (I976), H. 5, S. 249 - 252).

Gute Eindringtiefen von mehreren Zentimetern sind mit kontaktierender Thermographie im Wellenlängenbereich von ca. 10 cm erzielt worden (A. H. Barrett, P. C.

Myers und N.L Sadowsky, »Detection of Breast Cancer by Microwave Radiometry«, Radio Science, Bd. 12, (1977), S. 167-171). Dieses stethoskopähnliche Verfahren ist jedoch umständlich, wegen des kritischen Einflusses von kleinsten Luftspalten schlecht reproduzierbar und kann vor allem nicht lokalisieren, da es nur extrem großflächige subkutane Temperaturabnormalitäten ohne Tiefenbestimmung erfassen kann.

Zur Vermeidung der Nachteile dieser Verfahren sind Versuche zur kontaktfreien subkutanen Körpertemperaturverteilungsbestimmung bekannt geworden (J. Edrich und CJ. Smyth, »Arthritis Inflammation Monitored by Subcutaneous Millimeter Wave Thermography , Journal of Rheumatology, Bd. 5, (1978), H. 1, S. 59-67), bei dem die vom subkutanen Körperbereich ausgehende thermische elektromagnetische Strahlung (Schwarzer-Körper-Strahlung) im Wellenlängenbereich von 68 GHz punkt- und zellenweise mit einem Punktdurchmesser von etwa 1/3 Wellenlänge abgetastet und fokussiert in einem Frequenzband von 2 GHz Breite radiometrisch detektiert und nach zeitlicher 1 bis 3 see dauernder Integration angezeigt und/oder aufgezeichnet wird. Andere Versuche wurden im Frequenzbereich von 66—71 GHz in einem Frequenzband von 2GHz durchgeführt. Dieses Verfahren wurde zur Bestimmung von Arthritis in einem Kniegelenk und von Brustkrebs verwendet. Kürzere Integrationszeiten sind dann anwendbar, wenn die empfangene Energie größer ist. Angestrebt werden möglichst kurze Integralionszeiten, um kurze Gesamtabtastzeiten zu erzielen.

Für die Fokussierung der vom zu beobachtenden subkutanen Bereich ausgehenden Strahlung auf das Empfangshorn der Empfangseinrichtung (Radiometer) dienten Linsen aus dielektrischem Material (Kunststoff) mit einem Durchmesser von 20 bis 25 cm und etwa 5 cm Dicke. Zur Erleichterung der Abstandseinstellung der Linse zum zu beobachtenden Bereich waren auf beiden Seiten fokussierende punkt- oder V-förmige Lichtquellen angebracht, die sich oberhalb des Brennpunktes in einem Abstand kreuzten, der der Tiefe bzw. dem Abstand des abzutastenden Bereichs von der Hautoberfläche entspricht. Durch Abbildung des Kreuzungspunkies von der Haut läßt sich so der Abstand der Fokussierlinse bequem einstellen.

Die Erkennbarkeit tieferliegender Tumore oder Entzündungsherde (2 bis 4 cm) bzw. Unregelmäßigkeiten befriedigte noch nicht, auch wenn wegen der hohen Emissivität im Frequenzbereich oberhalb 60 GHz mit handlichen Linsen im angegebenen Größenbereich gearbeitet und eine gute räumliche Auflösung erzielt werden konnte. Zur Temperaturempfindlichkeitssteigerung wurden Versuche mit größeren Linsen gemacht, doch zeigte sich, daß man hinsichtlich der anzuwendenden Größen schnell an herstellungs- und klinisch anwendungsiechnische Grenzen stieß, da die Linsen außerordentlich groß werden mußten. Außerdem nimmt der störende Einfluß der Reflektionen und Absorption zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung dieses kontaktfreien Meßverfahrens im GHz-Frequenzbereich anzugeben, mit welchem sich eine bessere Temperaturempfindlichkeit bei guter Auflösung von Temperaturverteilungsfeldern realisieren läßt, so daß auch tiefliegende kleine Temperaturänderungen erfaßt werden können, wie dies für eine in ausreichend hohem Maß zuverlässige Tumor- oder Arthritis-Früherkennung erforderlich ist. Außerdem soll das Meßverfahren wesentlich kürzere Arbeitszeiten zulassen, um den Einfluß von Temperaturänderungen und Körperverlagerungen während der Messung zu verringern oder gar auszuschalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Strahlung im Frequenzbereich von 8 bis 36 GHz gewählt, mit einem elliptischen Empfangsreflektor fokussiert, dessen Apertür zu 50 bis 100 cm gewählt wird und dessen Objektbrennweite dem 0,6- bis l,2fachen der Apertur entspricht.

Im Bildbrennpunkt des elliptischen Empfangsreflektors befindet sich das Empfangshorn der Empfangseinrichtung, während im Objektbrennpunkt des Empfangsreflektors der zu beobachtende subkutane Bereich liegt. Eine besonders hohe Auflösung läßt sich mit einer Objektbrennweite vom 0,8- bis 1 fachen der Apertur erzielen.

Der ausgewählte Frequenzbereich wurde allgemein wegen seiner Kombination von starken Reflektionen und unrealisierbar großen dielektrischen Linsen als ungeeignet betrachtet. Mit Hilfe der vorgesehenen speziellen elliptischen reflektorischen Nahfeldfokussierung gelingt es, die Einschränkungen des bisherigen Verfahrens bei guter subkutaner Auflösung zu überwinden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren den Vorteil, daß es um den Faktor 3—4 schneller ist. Es erlaubt eine erhöhte Tumorerkennbarkeit, insbes. in tiefen Bereichen von einem Zentimeter bis mehreren Zentimetern, je nach Gewebe und Knochenmaterial mit guter Temperaturauflösung und Lokalisierbarkeit in allen drei Dimensionen.

Eine noch empfindlichere und schnellere Lokalisierung von subkutanen »Temperaturabnormalitäten« ist durch eine multispektrale Detektion bzw. Messung im angegebenen Frequenzbereich möglich, bei der gleichzeitig mehrere Frequenzbär icr, jeweils z. B. mit einer Bandbreite von 2—5 GHz, mit mehreren Empfangshörnern im Bereich des Bildbrennpunktes empfangen und ausgewertet werden, so daß bei einem Abtastdurchgang gleich mehrere, z. B. drei, Tiefen erfaßt werden, um eine sofortige Aussage über den Temperaturverlauf in der Tiefe zu erhalten. Die Auswertung der voneinander getrennten Frequenzbänder erfolgt natürlich gleichzeitig getrennt

Beim Abtasten einer Körperoberfläche längs einer geradlinigen Bewegungsbahn des Reflektors kann sich der Abstand zur Körperoberfläche und damit der Abstand des beobachteten Bereichs zur Hautoberfläche ändern. Es ist ohne weiteres möglich, hier eine automatische Fokussierung unter Verwendung von zwei seitlich des Reflektors angebrachten fokussierenden punkt- oder V-förmigen Lichtquellen, wie sie an sich bekannt sind, vorzusehen. Um die Abweichungen möglichst gering zu halten, wird die Abtastbahn des Reflektors bzw. der Empfangseinrichtung derart gelegt werden, daß diese Abstandsänderungen im Abtastbereich möglichst gering sind.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß bei der Messung an einer Brust die Patientin zweckmäßigerweise in einer um ca. 30" um die Körperlängsachse zum Empfangsreflektor hin gedrehten Schräglage gemessen wird, bei der die Brust etwa gleichmäßig vom Brustkorb unterstützt ist Diese künstlich bewirkte schräge Rückenlage ermöglicht besonders scharfe Bilder, eine Reduzierung der Winkelabhängigkeit der im gewählten Frequenzbereich stark frequenzabhängigen Emissivität und eine genaue Rechts-Links-Symmetrie bei Brustkrebs-Thermogrammen der linken und rechten Brust.

Aus den ein vollständiges thermographisches Bild (Thermogramm) ergebenden Meßwerten kann man nach Digitalisierung und Zwischenspeicherung in Matrizenform Temperaturmittelwerte bestimmen und sie mit denen eines Vergleichsthermogramms korrelieren. Auf diese Weise lassen sich besonders leicht Unterschiede zwischen dem Thermogramm einer turmorverdächtigen Brust, z. B. der linken Brust, und der anderen Brust gewinnen, da eine gewisse Temperatursymmetrie bei gesunden Brüsten vorhanden ist

Aus den Temperaturmittelwerten können auch Isothermen bestimmt, vorgefiltert und in an sich bekannter Weise geglättet und dann wiedergegeben werden. Eine derartige Auswertung erleichtert die Beurteilung des Thermogramms weiter, da die Messung aufgrund ihrer durch die Wellenlänge begrenzten Auflösung einen scheinbar unregelmäßigeren Isothermenverlauf ergibt als er tatsächlich vorliegen kann. Das Glätten von Meßwertkurven ist bekannt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung mit einer radiometrischen Empfangseinrichtung für die von einem abzutastenden subkutanen Körperbereich ausgehende thermische elektromagnetische Strahlung im GHz-Bereich sowie einer bei dem Empfangshorn der Empfangseinrichtung angeordneten Fokussiereinrichtung für die einzufangende Strahlung, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Empfangseinrichtung für den Empfang von thermischer Strahlung im Frequenzbereich von 8 bis 36 GHz ausgelegt ist und daß die Fokussiereinrichtung als ein elliptischer Empfangsreflektor mit einer Apertur von 50 bis 100 cm und einer Objektbrennweite vom 0,6- bis l,2fachen der Apertur ausgebildet ist, in dessen Bildbrennpunkt das Empfangshorn angeordnet ist. Da es wegen der Nahfeldfokussierung auf eine hohe Formgenauigkeit ankommt, wird der Empfangsreflektor zweckmäßigerweise als tiefgezogene bzw. -gerollte Schale aus Aluminiumblech von insbes. 1 bis 2 mm Dicke hergestellt. Diese Ausbildung hat den Vorteil der außerordentlichen Leichtigkeit, Formgenauigkeit und -Stabilität sowie Preiswürdigkeit. Auf schwerere, z. B. gegossene schalenförmige Empfangsreflektoren kann ebenso wie auf aus dem Vollen gedrehte

Reflektoren verzichtet werden. Als Alternative wären dickere Kunststoffschalen, insbes. druckfeste Schaumstoffschalen, verwendbar, die innenseitig homogen metallisiert sind.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels im folgenden näher anhand einer Zeichnung erläutert, die eine das erfindungsgemäße Verfahren durchführende Vorrichtung in Schrägperspektive sowie einen Patienten auf einem schräggestellten Bett zeigt.

Die Vorrichtung dient der Brustkrebs-Frühdiagnose. Die von einem subkutanen Mamma-Karzinom ausgehende thermische elektromagnetische Strahlung im angegebenen GHz-Frequenzbereich wird mittels eines elliptischen Reflektors 1 mit kurzer Objekt-Brennweite f(f/D = 0,6- i ,2) mit D dem Reflektordurchmesser bzw. der Reflektorapertur in ein Empfangshorn 2 einer Empfangseinrichtung 5 (hochempfindliches Radiometer), mit welcher das Empfangshorn mittels eines gekrümmten Hohlleiters verbunden ist, fokussiert. Das Ausgangssignal des Radiometers wird synchron detektiert und nach zeitlicher Integration an einem in Grad Celsius geeichten Digital-Anzeigegerät 6 angezeigt.

Zwei am Reflektor befestigte, fokussierende punkt- oder V-förmige Lichtquellen 3 kreuzen sich auf der Haut im gewünschten Abstand vom subkutanen Brennpunkt des Reflektors. Sie erleichtern dadurch das Einstellen des Reflektors auf die gewünschte Abtasttiefe. Mit ihrem reflektierten Strahlenbild dienen sie dazu, einen Infrarot- oder Photo-Detektor auszusteuern, der am Krümmer des Empfangshorns 2 befestigt ist und die Intensität der auf der Haut überlagerten Lichtpunkte mißt Das Ausgangssignal dieses Detektors wird zur automatischen Steuerung des Abstandes des Reflektors von der Hautoberfläche verwendet Dazu wird das Ausgangssignal in einer Steuerschaltung ausgewertet, die einen Höhen- bzw. Fokussiermotor 4 ansteuert.

Die punktweise Abtastung erfolgt längs einer Zeile und dann in weiteren Zeilen. Ein Zeilenbild wird se durch eine automatische X- und K-Bewegung eine! tragenden Arms 7 des Reflektors und des Radiometers ί erzeugt. Die Bewegungsgeschwindigkeit, die Zeilenlän ge und der Zeilenabstand sowie die Anzahl dei Abtastzeilen wird an einem einstellbaren Kontrollgerät 8 vorgegeben.

Der Ausgang des Temperaturanzeigegerätes 6 ist mil einem X-Y- oder Χ-Γ-Schreiber 9 zur direkter Aufzeichnung verbunden. Außerdem werden das Temperatur- und Abtastsignal, welches die A"-K-Information enthält, auch noch frequenzmoduliert und im langsamsten Gang auf einem Tonbandgerät 10 gespeichert. Nach Beendigung der Messung kann das Tonbandgerät im Schnellgang zur Wiedergabe der Meßwerte abgespielt werden. Das demodulierte Temperatur-Signal und das Abtastsignal werden in ein oszillographisches Sichtgerät (Oszilloskop) 11 mit Helligkeitsmodulation eingespeist. Das dadurch erzeugte Grautonbild wird mittels einer photographischen Kamera aufgezeichnet.

Eine weitere Bildverarbeitung erfolgt in einem Mikro-Komputer 12 mit einer Mini-Speicherplatte 13. Hier wird das thermographische Bild (Temperatursignal

und X-y-Signal) zuerst digitalisiert und in Matrizenform zwischengespeichert; anschließend werden verschiedene, zum Rechts-Links-Vergleich (Vergleich des Thermogramms für die linke und für die rechte Brust) benötigte Temperaturmittelwerte errechnet und korreliert Abschließend werden Isothermen bestimmt, vorgefiltert, geglättet und mittels eines Kodierers 14 und eines Video-Sichtgerätes 15 in Färb- oder Grauton wiedergegeben. Das hierdurch erheblich verbesserte und geglättete Bild wird mit oder ohne die erwähnten Temperaturfelder und Werte photographisch festgehalten, um vom Arzt ausgewertet zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontaktfreien subkutanen Körpertemperaturverteilungs-Bestimmung, bei dem die vom subkutanen Bereich ausgehende thermische elektromagnetische Strahlung im Gigahertz-Frequenzbereich (Schwarzer-Körper-Strahlung) punkt- und zeilenweise mit einem Punktdurchmesser von etwa 1/3 Wellenlänge abgetastet und fokussiert in einem Frequenzband radiometrisch detektiert und nach zeitlicher Intensitätsintegration angezeigt und/oder aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im Frequenzbereich von 8 bis 36GHz gewählt wird, daß mit einem elliptischen Empfangsreflektor fokussiert wird, daß dessen Apertur zu 50 bis 100 cm gewählt wird, und daß dessen Objektbrennweite dem 0,6- bis 1 ^fachen der Apertur entspricht

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige multispektrale Detektion in mehreren, voneinander getrennten Frequenzbändern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung an einer Brust die Patientin in einer um ca. 30° um die Körperlängsachse zum Empfangsreflektor hingedrehten Schräglage ausgemessen wird, bei der die Brust etwa gleichmäßig vom Brustkorb unterstützt ist

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer radiometrischen Empfangseinrichtung für die von einem abzutastenden subkutanen Körperbereich ausgehende thermische elektromagnetische Strahlung im GHz-Frequenzbereich sowie mit einer bei dem Empfangshorn der Empfangseinrichtung angeordneten Fokussiereinrichtung für die einzufangende Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (5) für den Empfang von thermischer Strahlung im Frequenzbereich von 8 bis 36 GHz ausgelegt ist und daß die Fokussiereinrichtung als elliptischer Empfangsreflektor (1) mit einer Apertur von 50 bis 100 cm und einer Objektbrennweite vom 0,6- bis l,2fachen der Apertur ausgebildet ist, in dessen Bildbrennpunkt das Empfangshorn (2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsreflektor (1) als tiefgezogene bzw. tiefgerollte Schale aus Aluminiumblech, insbes. von 1 bis 2 mm Dicke, hergestellt ist.