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Die Endung betrifft ein Verfahren
zur Untersuchung mehrdimensionaler inhomogener Strukturen, wobei
die jeweiligen Volumenelemente punktuell und differentiell in z-Richtung
des Strahlers bzw. der Sendeelemente bestimmt werden, und zwar durch die
Verwendung großflächig strukturierter
Senden/Empfängermatrizen,
die aus einer Vielzahl von Sender/Empfängerelementen bestehen. Die
Sender- und Empfängerelemente
sind in einer Ebene angeordnet und als Flächenmatrix oder Zeile ausgestaltet.
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Die Sender/Empfängerelemente bilden kleinste
Einheiten, in denen Sender und Empfänger getrennt angesteuert bzw.
ausgelesen werden kann. Die Sendeintensität und Wellenlänge der
Senderelamente kann variiert oder aber auch konstant gehalten werden.
Durch sukzessives Bestrahlen zirkulär um den oder die Detektoren
bzw. durch sukzessives ringförmiges
Herumführen
der Senderelemente im Multiplexverfahren wird der bei gleichzeitiger
Ringflächenbestrahlung
in der Tiefe der zu untersuchenden Struktur axial entstehende Streulicht-Intensitätsfokus in
defokussierter Weise detektiert bzw. das dort gelegene Volumenelement
tomographiert.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Untersuchung mehrdimensionaler imhomogener Strukturen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der Europäischen Patentanmeldung 0 387
793 A2 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Darstellung von
Strukturen, welche überwiegend
biologisch oder technisch gefertigt wurden, bekannt.
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Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht die
Darstellung inhomogener Strukturen und kann zur Erstellung von IR-
und NIR-Tomogrammen und zur Bestimmung des Volumenflusses in Kapillaren und
Filtern genutzt werden Gleichfalls können in Medizin, Biologie und
Technik zur Beurteilung von Strukturen, Oberflächen, Volumina und Volumenflüssen mit
darin ablaufenden chemischen und physikalischen Prozessen die hier
offenbarten Verfahrensmerkmale angewendet werden Hierfür werden NIR-Flächenstrahler
und Empfänger
im Multiplex- und Impulsbetrieb zum zu messenden Objekt geführt sowie
durch Flächenbestrahlung
in der Tiefe des Objekts ein Streulicht-Intensitätsfokus erzeugt, der axial bevorzugt
als Rückstreulicht
detektiert wird.
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Zur Darstellung von Volumenelementen
gleicher Abmaße
mit identischer Intensität
wird die Sende-Intensität
geändert.
Dies wird erreicht durch Volumenelementspezifische, in Echtzeit
erhaltene Schwächungskoeffizienten,
die auch zur Darstellung von Volumenflüssen in kapillaren Gefäßen verwendet
werden.
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Von demselben jeweiligen Volumenelement erhaltene
Schwächungsgradienten-Profile
werden zur exakten räumlichen
Zuordnung der mehrfach gemessenen Volumenelemente herangezogen.
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Eine entsprechende Anordnung von
in minus-z-Richtung strahlenden Sendern erleichtert die Zuordnung
der auf der unregelmäßigen Oberfläche der
Strukturen netzartig anliegend positionierten großflächigen Bauelemente
in einem x-y-z-Koordinatensystem.
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Ein wesentlicher Nachteil dieses
Verfahrens ist der große
apparative sowie rechentechnische und Zeitaufwand.
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Aus der internationalen Patentanmeldung WO
88/01485 wrerden ein IR-tomographisches System und eine Methode
beschrieben, die während
der Transmission der IR-Strahlung durch das Objekt die Transparenzvariationen
dreidimensional mißt.
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Dies geschieht, indem der Körper von
einem wesentlich monochromatischen Infrarotstrahl durchdrungen wird,
der in eine Vielzahl paralleler Strahlen separiert wurde, die als
Wellenfront mit uniformer Energiedichte die Struktur transmittiert.
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Dies erfolgt als zweidimensionales
Array von 90° zueinander
stehenden Wellenfronten. Von jedem einzelnen Strahl dieser Wellenfront
werden Effekte der Streuung eliminiert.
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Zur Generierung simultaner tomographischer
Bilder auf der Basis bekannter Techniken computergestützter Bildrekonstruktion
wird dies unter verschiedenen Eintrittswinkeln wiederholt. Nur die geradenwegs
den Körper
transmittierenden bzw. penetrierenden und damit rückseitig
aus ihm austretenden Strahlen werden gemessen.
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Dadurch und durch die Notwendigkeit,
bei Anwendung dieser Methode auch wenig lichtdurchlässige Körper ganz
durchdringen zu müssen,
ist das Verfahren nur eingeschränkt
in der Praxis anwendbar.
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In der britischen Patentanmeldung
GB 2 075 668 A ist
eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Messung des Metabolismus bekannt.
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Unter Einschluß einer Meßwellenlänge und einer Referenz-Wellenlänge wird
transmittiertes, reflektiertes und gestreutes Licht entlang des
Lichtweges und zum zu untersuchenden Organ hin gemessen. Dies erfolgt
durch einen ersten Detektor, der die direkt von der Haut, Knochen
und Gewebe rückreflektierten
Lichtemissionen innerhalb weniger Millimeter von dem Lichtaustrittspunkt
mißt und
durch einen zweiten Detektor, der einige Zentimeter entfernt vom
Punkt des Lichteintritts angeordnet ist.
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Das Output-Signal korrigiert Änderungen des
Blutvolumens. Die Lichtquellen arbeiten sequentiell, der erste Detektor
und die Lichttransrmission sind strukturell verbunden.
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Die rückreflektierten Lichtemissionen
stehen zur Korrektur von Variationen des Lichtimpuls zur Verfügung.
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Für
die lokalen Blutvolumenänderungen
im Organ ist eine Rückführung installiert,
um Referenz- und Meßwellenlängensignal
auf einem vorbestimmten Pegel zu halten und das Volumen messen zu können.
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Hierbei wird also jeweils mit einer
einzigen Referenz- und
Meßwellenlänge operiert.
Für die
Untersuchung inhomogener Strukturen ist dies von erheblichem Nachteil,
da die vorhandenen Imhomogenitäten
unbekannt sind und es daher bei Anwendung des Meßprinzips notwendig wäre, die
Meß- und
Referenzwellenlänge über einen
sehr großen
Bereich veränder-
bzw. einstellbar zu gestalten.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 0 374 844 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Information im
Inneren einer Substanz unter Verwendung von Licht bekannt Um eine Tiefeninformation
der zu untersuchenden Substanz zu erhalten oder um durch eine Oberflächenschicht bedingte
Meßfehler
auszuschalten, werden eine Vielzahl von Strahlungsquellen und ein
Strahlungsempfänger
benutzt. Durch die unterschiedliche Entfernung zwischen den Sendern
und dem Empfänger legt
das emittierte Licht bzw. die emittierte Strahlung einen unterschiedlich
langen Weg zurück.
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Der Abstand zwischen den Sendern
ist dünner
als die Dicke der zu untersuchenden Struktur bzw. Schicht. Durch
die vorgeschlagene Lösung
werden zwar die Auswirkungen von Oberflächenlicht auf die Meßergebnisse
verringert, jedoch ist die Untersuchung von inhomogenen Strukturen
größerer Tiefe, d.
h. in z-Richtung nicht möglich.
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In der
EP 0 286 142 A2 wird ein Oximeter nach dem
Reflexionstyp beschrieben.
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Eine Vielzahl von auf einem Substrat
angeordneten lichtemittierenden Dioden erzeugen Licht unterschiedlicher
Wellenlänge,
welches die zu untersuchende Schicht durchdringt.
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Jeweils Gruppen von lichtemittierenden
Dioden befinden sich in unterschiedlichem Abstand zum Lichtempfänger. Durch
die unterschiedlich emittierten Wellenlängen sowie den unterschiedlichen
Abstand kann beim beschriebenen Oximeter die Quantität von Hämoglobin
und die Sauerstoffverteilung im Blut eines lebenden Körpers bestimmt
werden.
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Die differierenden Wellenlängen und
Abstände
dienen dem Eliminieren auftretender Meßfehler und dem Kalibrieren
der Gesamtanordnung.
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Mehrdimensionale räumliche
Strukturen können
jedoch nicht bestimmt werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zur
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Untersuchung mehrdimensionaler inhomogener
Strukturen anzugeben, welches räumlich,
zeitlich und qualitativ unterschiedliche Strukturen auf der Basis
der Anwendung des Rückstreulicht-Meßprinzips
und mit Strahlungsintensiltäten
erfassen kann, wobei stärker
lichtabsorbierende oder relativ große Strukturen nicht transmittiert
werden müssen.
Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine hohe Auflösung bei
der Untersuchung der Strukturen zu erreichen, wobei sowohl statische
Tomogramme als auch dynamisch zeitfunktionelle Tomogramme hoher
zeitlicher Auflösung
erhalten werden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung
erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß werden zur Untersuchung mehrdimensionaler
inhomogener Strukturen die jeweiligen Volumenelemente punktuell
und differentiell in z-Richtung des Strahlers bzw. der Sendeelemente bestimmt
und zwar durch die Verwendung großflächig strukturierter Sender/Empfängermatrizen,
die aus einer Vielzahl von Sender/Empfängerelementen bestehen. Die
Sender- und Empfängerelemente
sind in einer Ebene angeordnet und als Flächenmatrix oder Zeile ausgestaltet.
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Die Sender/Empfängerelemente bilden kleinste
Einheiten, in denen Sender und Empfänger getrennt angesteuert bzw.
ausgelesen werden kann. Die Sendeintensität und Wellenlänge der
Senderelemente kann variiert oder aber auch konstant gehalten werden.
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Durch sukzessives Bestrahlen zirkulär um den
oder die Detektoren bzw. durch sukzessives ringförmiges Herumführen der
Senderelemente im Multiplexverfahren wird der bei gleichzeitiger
Ringflächenbestrahlung
in der Tiefe der zu untersuchenden Struktur axial entstehende Streulicht-Intensitätsfokus in
defokussierter Weise detektiert bzw. das dort gelegene Volumenelement
tomographiert.
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Das vorerwähnte zirkuläre Tomographieren läßt sich
beliebig oft, beispielsweise in Form einer unendlichen Schleife
wiederholen, wodurch ortsvektoriell erhaltene Informationen ausgewählter Volumenelemente
mit hoher zeitlicher Auflösung
bestimmt werden können.
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Durch Bestrahlung des in seiner inhomogenen
Struktur mehrdimensional bzw. dreidimensional zu untersuchenden
lichtstreuenden Objekts wird in diesem am Ort des Einstrahlens eine
Intensitätskeule streuenden
Lichts erzeugt.
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Im Falle einer Sender-Empfängermatrix
erzeugen ringförmig
um einen im Zentrum befindlichen Empfänger angeordnete Senderelemente
im Objekt Intensitätskeulen,
deren Intensitätsränder in
der Tiefe der Struktur, sich axial summierend, den erwähnten Streulicht-Intensitätsfokus
bilden. Dieser Streulichtfokus streut Licht nach allen Richtungen.
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Ebenso können um einen zentralen Sender ein
oder mehrere Empfänger
ringförmig
angeordnet sein oder bewegt werden; in beiden Fällen liegt das zu bestimmende
Volumenelement auf der zentralen z-Achse des Systems.
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Erfindungsgemäß wird in der Tiefe des zu untersuchenden
Objekts bzw. der zu untersuchenden Struktur das jeweilige Volumenelement
an dem Ort bestimmt, an dem kein Streulicht-Intensitätsfokus während der
Be- strahlung vorhanden ist. Das heißt, das Volumenelement wird
defokussiert bestimmt an dem Ort in der zu untersuchenden Struktur,
wo durch sukzessives zirkuläres
Herumführen
der Senderelemente bzw. Strahler beim Aussenden von Strahlung der
Streulicht-Intensitätsfokus
entstehen würde.
Das jeweilige Volumenelement der zu untersuchenden Struktur wird
also durch zirkuläres
Tomographieren bestimmt.
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Ein dreidimensionales zirkuläres Tomographieren
eines Volumenelementes bzw. einer Inhomogenität der Struktur erfolgt durch
Detektion der vom imaginären
Intensitätsfokus
nach allen Richtungen ausgesendeten, bevorzugt vorwärts gestreuten Strahlung
in dem bzw. den axial zum Zirkel positionierten Streudetektoren,
d. h. Strahlungsempfängern.
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Den jeweiligen Strahlungsempfänger erreicht
damit somit geradewegs das vom imaginären Streulicht-Intensitätsfokus
ausgesendete, gegebenenfalls mit einem Mie-Vorwärtsstreuschub versehene Licht.
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Wird durch sukzessiv zirkuläres Herumführen der
Senderelemente auf kleinstem Radius ein Volumenelement defokussiert
bestrahlt, so durchläuft der
im potentiellen bzw. imaginären
Streulicht-Intensitätsfokus
defokussiert seinen Ursprung nehmende Streulichtstrahl das Objekt
vom zu bestimmenden Volumenelement bis zum Strahlungsempfänger auf geradem
kürzestem
axialem Weg. Das heißt,
der jeweils intensivste Strahl, welcher von einer Inhomogenität der Struktur
herrührt,
erreicht den Rückstreudetektor
bzw. Empfänger
quasi als Zentralstrahl. Dessen Modulierung auf diesem Wege ist
durch Lichtschwächung
des zum bestimmenden Detektor nächsten
Volumenelements aufgrund seiner Inhomogenität bedingt und wird bei Messung
des nächsttiefer
auf der z-Achse des Detektors gelegenen Volumenelements berücksichtigt
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Daran anschließend wird durch zirkuläres sukzessives
Strahlen auf nächst
größerem Radius das
dem Sensor bzw. dem Empfänger
nächstfernere Volumenelement
auf der z-Achse des Detektors bestimmt und so weiter bis zur Bestimmung
des detektorfernsten Volumenelements durch zirkuläres Tomographieren
auf dem größten möglichen
Radius.
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Hierdurch wird durch sukzessives
Bewegen der Sender oder Empfänger
auf verschiedenen Radien zum axialen Empfänger oder Sender Inhomogenität für Imhomogenität dreidimensional
auch in der z-Achse bestimmt. Durch Multiplex in x- und y-Richtung
wird die gesamte inhomogene Struktur dreidimensional zirkulär tomographiert.
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Um Inhomogenitäten unbekannter Zahl, Größe und Verteilung
in der Struktur feststellen zu können,
werden die sukzessiv und alternierend strahlenden, auf einer Zeile
spiegelbildlich gegenüberliegenden
Sender miteinander durch den in der Symmetrieebene bzw. im Mittelpunkt
liegenden Empfänger
verglichen. Zusätzlich
werden alternierend zur jeweiligen Zeile im 90°-Winkel sich befindende Sender
betrieben und mit den erstgenannten Sendern in Beziehung gesetzt.
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Die derartig kreuzweise alternierend
verglichenen gegenüberliegenden
Senderelemente werden sukzessiv in wählbaren ½-, 1-, 3- oder auf 45°-Schritten
bzw. kreissegmentiert auf verschiedenen Radien um den im Mittelpunkt
befindlichen Strahlungsempfänger
herumgeführt.
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Dabei strahlen kreissegmentweise
mehrere Strahler gleichzeitig auf jeweils gleichem Radius und alternierend
zu denen, die auf gleichem Radius spiegelbildlich diesen gegenüberliegen.
Diese werden, wie beschrieben, mit den 90° dazu strahlenden Sendern verglichen.
Mit anderen Worten werden beim sukzessiven zirkulären Herumführen die
gleichzeitig betriebenen Senderele mente als Flächenstrahler eines bestimmten
Radius sich überlappend
und als sich derart überlappende
Ring-Kreissegmente
einander in Beziehung gesetzt.
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Jedes so proportional zur Distanz
zwischen Strahler und Detektor bestimmte Volumenelement weist ein
vektorielles Ortspektrum auf, das zu den Ortsspektren benachbarter
Volumenelemente bzw. Inhomogenitäten
in Beziehung gesetzt wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform
wird zirkulär
tomographiert, indem die auf dem zu untersuchenden Objekt als Matrix
positionierten Sender- und Empfängereinheiten
in z-Richtung senden und das zurückgestreute
Licht auf verschiedenen Radien, die sich in k-Distanz zum Sender
befinden, empfangen wird. Proportional zum jeweiligen Abstand zwischen Sender
und Empfänger,
d. h. im k-Abstand, wird die Schichttiefe bzw. das Volumenelement
auf der z-Achse des Strahlers bestimmt, indem die Sender-Empfängereinheiten
funktional auf gleiche Weise zirkulär tomographierend um den Mittel-
bzw. Schwerpunkt der Matrix herumgeführt werden.
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Vorteilhaft erweist sich bei dieser
Art des Tomographierens, daß mit
ein und derselben Strahlung in z-Richtung sämtliche Volumenelemente bzw.
Imhomogenitäten
auf der z-Achse des Strahlers gleichzeitig erfaßbar sind, so daß ausgewählte Orte
bzw. Inhomogenitäten
in ausgewählten
Schichttiefen durch quasi kontinuierliche Strahlungsapplikation
in ihren zeitlichen Änderungen,.
beispielsweise das Gewebe lebender Pflanzen, Tiere und Menschen,
hochaufgelöst
bestimmt werden kann. Das heißt,
es wird in diesem Falle zeitfunktional tomographiert.
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Durch alternierendes Betreiben zweier
benachbarter, funktional eine einzige Strahlereinheit bildende Senderelemente,
kann von beliebigen gewählten
Detektionsorten das im jeweiligen Detektor entstehende Differenzsignal
analog verstärkt
und auf einem AC-Kanal registriert bzw. die Zeitfunktion einer Perioden-
und Frequenzanalyse unterzogen werden.
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Ein solchermaßen alternierendes Betreiben erlaubt
eine primär
dreidimensionale Detektion mit hoher zeitlicher und Amplitudenauflösung.
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Sollen Feinstrukturen bzw. Inhomogenitäten der
zu bestimmenden Struktur mit höchster
Auflösung
bestimmt werden, wobei diese Feinstrukturen über die minimale k-Distanz
hinausgehen, so wird das Aussenden von Strahlung sowie der Empfang der
Strahlung unter matrizenrechnerischen Gesichtspunkten durchgeführt.
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Insbesondere wird so durch sukzessiv
zikuläre
Ringbestrahlung mit axialem Empfang bzw. umgekehrt axialem Senden
und beschriebener kreissegmentierter Ringdetektion die Struktur
im mikroskopischen Bereich zirkulär tomographiert.
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Zirkuläre Remissions-Tomographie im
mikroskopischen Bereich einer in der Tiefe der Struktur gelegenen
Schicht bzw. eines empfängerfernen
Volumenelements auf der z-Achse des Senders bzw. Empfängers erfolgt,
indem matrizenrechnerisch determiniert sendende bzw. empfangende
Sender-Empfängereinheiten
eingesetzt werden, die sich auf einander benachbarten oder gleichen
Radien befinden.
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Matrizenrechnerisch bestimmtes zirkuläres Remissions-Tomographieren
mit gleichen oder verschiedenen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen
ermöglicht
die Bestimmung einer Vielzahl von Inhomogenitäten innerhalb des sonst in
seiner Auflösung
durch die erwähnte
k-Distanz bzw. den Abstand zwischen jeweils
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betrachteten Sender- und Empfängerelementen
begrenzten Auflösungsvermögens.
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Das Verfahren wird dabei mit verschiedenen Wellenlängen bzw.
Wellenlängenbereichen
derart durchgeführt,
daß die
matrizenrechnerisch determiniert positionierten gleichzeitig sendenden
Elemente matrizenrechnerisch verteilt und mit verschiedenen Wellenlängen bzw.
Wellenlängenbereichen
senden und die so durch mehrere Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche
an verschiedenen Orten gesendeten und empfangenen Intensitätsverhältnisse
miteinander verglichen werden Eine weitere Differenzierung ist möglich, indem
die Intensitäten
bestimmter Wellenlängen
bzw. Wellenlängenbereiche
gezielt geändert
bzw. konstant gehalten werden
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Hierbei strahlen die Sender-Empfängerelemente
in verschiedenen Wellenlängen
bzw. Wellenlängenbereichen
mit einer bestimmten Intensität,
wobei die Schichttiefe der z-Achse der Struktur aus den Intensitätsverhältnissen
der zurückgestreuten
und detektierten Strahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen bestimmt
wird. Die verwendeten Wellenlängen
bzw. Wellenlängenbereiche
weisen Unterschiede bis zu mehreren hundert Nanometern auf.
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Die ebenfalls in bestimmter k-Distanz
positionierten Mehrwellenlängensender-Empfängereinheiten
sind ebenfalls bezogen auf die jeweilige Reihe oder Zeile spiegelbildlich
angeordnet. Detektierte Wellenlängen-Intensitätsverhältnisse
an unterschiedlichen Orten werden miteinander verglichen, wobei,
wellenlängenbezogen,
auch ein gekreuzter Vergleich mit dem Zweck örtlicher Differenzierung von
Inhomogenitäten
innerhalb der mehrwellenlängen-bestrahlten
Region erfolgt.
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Neben der Verwendung von Strahlung
mit konstanter Intensität
kann ohne negativen Einfluß auf das
Meßergebnis
die Intensität
dann verändert
werden, wenn an Stelle absoluter Werte eine Verhältnis- bzw. Quotientenauswertung
der Detektionswerte erfolgt.
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Eine Berücksichtigung von Laufzeitunterschieden
ist bei einer Ausführungsform
der Erfindung möglich,
bei welcher ein zentraler Sender vorgesehen ist, um den herum kreissegmentweise
detektiert wird. Hierfür
wird vorteilhafterweise als Sender ein Laser verwendet, welcher
Laserblitze bestimmter Intensität
und Dauer aussendet. Laufzeit und Intensität der Reflexionen werden dann
wie beschrieben detektiert.
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Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen
und von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei zeigen:
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1 die
x-, y- und z-Ebenen einer beliebigen zu untersuchenden inhomogenen
Struktur mit darauf positionierten Sender-Empfängerelementen,
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2 Ergebnisse
der Anwendung des Verfahrens an Beispielen der funktionellen Bestimmung zweier
Gewebeschichten,
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3 ein
Optomyogramm des sichtbaren Lichts bzw. des 635 nm-Bereichs,
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4a bis 5c 940-nm-Optomyogramme, wobei 5b ein okuläres Optomyogramm
durch das geschlossene Lid eines liegenden Probanden darstellt,
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6a bis 6e und 7 Befunde
einer funktionsdiagnostisch angewandten 940-nm-Optomyographie, wobei 6a das Emissionsoptomyogramm
der Daumenballenmuskulatur vor, 6b während und 6c eine Minute nach , willkürlicher maximaler
isometrischer Kontraktion als Periodogramm der Autokorrelationsfunktion
zwischen Kanal 1 und Kanal 2 bei Verwendung nur eines Senders und
zweier Empfänger
mit einer k-Di stanz von 0,5 und 4 cm darstellt.
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Mit Hilfe der 1 werden die x-y-z-Ebenen einer beliebigen
zu untersuchenden inhomogenen Struktur schematisch dargestellt.
Die x-z-Ebene 3 mit den Tiefenbzw. z-Schichten 10 im oberen Teil
der Figur, die x-y-Ebene 4 als
Oberfläche
der Struktur mit den darauf positionierten Sender-Empfängerelementen 2 im
unteren Teil.
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Das rückgestreute Licht des im Multiplexbetrieb
angesteuerten und aktuell mit bestimmter vorgegebener Intensität strahlenden
Senders wird mittels eines vorgegebenen Algorithmus durch bestimmte
ausgewählte
Empfänger
detektiert.
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Aktuell strahlender Sender wie aktuell
zugeordneter Empfänger
befinden sind in k-Distanz 1 zueinander. In jeder Sender-
und Empfängereinheit 2 ist mindestens
ein Sender und ein. Empfänger
integriert, wobei der Abstand zwischen den Sender- und Empfängerelementen
in jeder Einheit 2 viel kleiner als die k-Distanz bzw.
nk-Distanz 1 mit n = 1, 2, 3,..., ist.
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Die z-Schichten 10 der Struktur werden
proportional zur k-Distanz 1. bestimmt, d. h. oberflächennahe
z-Schichten mittels kleiner k-Distanzen und oberflächenferne
tiefe Schichten der Struktur durch große k-Distanzen 1 bzw. nk-Distanzen.
Gleiche k-Distanzen 1 bilden eine k-Reihe bzw. eine k-Zeile aus
einer Vielzahl von Sender- und Empfängereinheiten 2. Im
gleichen Sinne ist es möglich,
anstelle einer k-Zeile eine Matrix aus einer Vielzahl von k-Zeilen auszubilden
Im oberen Teil der 1 wird
mit dem Bezugszeichen 2 versehen und als schraffiertes
Viereck ausgebildet eine ausgewählte
k-Reihe bzw. Zeile dargestellt. Selbiges wurde im unteren Teil durch schwarze
Kreisflächen
symbolisiert.
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Zirkuläres Tomographieren, symbolisiert durch
den Pfeil 12, nach 1 erfolgt,
indem eine aus detektierenden Empfängern bestehende k-Reihe um
einen betrachteten aktiven Sender in beispielsweise ½-, 3-
oder auch 90°-Schritten
gegebenenfalls einander überlappend,
herumgeführt
wird.
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Dabei wird der auf dem ausgewählten bestimmten
Radius, proportional zur z-Schichttiefe bestimmte regionale, mit
Hilfe des Empfängers
detektierte Wert zu den übrigen
Detektionswerten desselben Radius sowie der jeweiligen Sendeintensität des Senders
in Beziehung gesetzt.
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Analog kann zirkulär tomographiert
werden, indem im Multiplexverfahren eine sukzessiv einen Ring bildende
Bestrahlung, beginnend mit dem kleinsten Radius, durchgeführt und
der jeweilige Rückstreustrahl
im Empfänger
detektiert wird. Hierfür wird
die vorerwähnte
Matrix verwendet.
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Die auf diese Weise in z-Richtung
gesendeten und dezentral detektierten bzw. sukzessiv dezentral auf
gleichen Radien strahlenden in z-Richtung detektierten Intensitäten werden
einander und zu der jeweiligen Sendeintensität in Beziehung gesetzt.
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Die punktuelle Bestimmung eines Volumenelements
bzw. einer Inhomogenität
einer bestimmten z-Schicht in der inhomogenen Struktur erfolgt durch Inbeziehungsetzen
der detektierten Intensitäten,
die voneinander auf gleichem Radius gegenüberliegenden Empfängern sowie
von auf gleichem und nächst-nachbarlich
angrenzendem Radius 14 erhalten wurden bzw. durch alternierendes
nächst-nachbarliches
sowie alternierendes Aktivieren einander auf gleichem Radius gegenüberliegender
Sender bei Empfang des Rückstreulichts
im mittleren Empfänger,
wobei die jeweils alternierend detektierten Signale vorverstärkt auf
einen AC-Kanal gegeben bzw. entsprechend aufbereitet und abgespeichert
werden.
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Dies erfolgt sowohl bei axialer Strahlung
und zirkulärem
Empfang als auch bei zirkulärer
Strahlung und axialem Empfang 9 des in der Tiefe der Struktur imaginär erzeugten
Streulcht-Intensitätsfokus 6.
Das sukzessiv zirkuläre
Herumführen
der Sender-Empfängerelemente 2 im
Multiplex auf demselben Radius erlaubt, entsprechend der jeweiligen
k-Distanz 1 und bezogen auf den aktuellen Strahler und den zugehörigen Intensitätsfokus 6 die
defokussierte Volumenelementbestimmung der entsprechenden z-Schicht
10 der Struktur durch Detektion mit dem im Mittelpunkt bzw. in der
Symmetrieachse befindlichen Detektor 13, wobei das derart
dreidimensional bestimmte Volumenelement bzw. die Inhomogenität 6 auf
der Achse des Detektors gelegen ist.
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Im anderen Fall wird durch funktional
sukzessives zirkuläres
Herumführen
der Sender-Empfängerelemente 2 auf
jeweils demselben Radius 15 bzw. der k-Distanz 1 entsprechend
eine defokussierte Detektion der durch den Strahler 13 erzeugten
axialen Streulicht-Intensitätskeule
als ein quasi realer Streulicht-Intensitätsfokus 6 ermöglicht.
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Die anfallende Datenmenge läßt sich
in geeigneter Weise reduzieren, indem die auf mehreren Radien um
den/die Sender angeordneten Empfänger als
Halb- oder Viertelringempfänger
betrieben werden. Das heißt,
k-Reihen aus einander gegenüberliegenden
Halb- oder Viertelringdetektoren werden gebildet. Derartige Ringdetektoren
lassen sich sowohl aus einer Sender-Empfänger-Einheiten-Matrix funktionalisieren
als auch zwiebelscheibenartig mir um den axialen Sender angeordneten
Ringflächendetektoren,
wobei diese in Kreissegmente, beispielsweise Quadranten unterteilt
werden, realisieren.
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Nach Art eines Quadrupols verschaltbare Quadranten
lassen sich kreissegmentweise Schritt für Schritt um den mittleren
Strahler herumführen, wobei
jeweils die durch die Schrittfolge benachbarten Kreissegmente, die
sich überlappen
können,
sowie, bezogen auf den mittleren Strahler, die 180° gegenüberliegenden
Kreissegmente verglichen werden.
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Umgekehrt lassen sich kreissegmentierte, auf
verschiedenen Radien nacheinander sendende Strahler Kreissegment
für Kreissegment
zirkulär
um einen Empfänger
herumführen
Bei dieser Realisierungsvariante des zirkulären Tomographierens besteht
der Vorteil, daß auf
größtem Radius
angeordnete Strahler beispielsweise gleichzeitig im Halbkreis strahlen
und somit eine relativ größere Anzahl
von Photonen aus größtmöglicher
Tiefe der Struktur geradenwegs den axialen Rückstreudetektor erreichen Ein
Optimum an Photonen aus der Tiefe der Struktur gelangt durch zirkuläres Tomographieren
dann in den axialen Detektor, wenn während der Ringbestrahlung lediglich
ein einziges Ring-Kreissegment von der gleichzeitigen Strahlung
ausgespart bleibt, wobei die Winkelgröße dieses Kreissegments die
zirkuläre
Tomographieschrittweite bestimmt.
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Auch kann dieses Ringsegment alternierend zu
den übrigen,
gleichzeitig strahlenden Sendern des restlichen Ringsegments in
Beziehung gesetzt werden, d. h. es werden Verhältnisse zwischen dem kleinsten
und größten strahlenden
Ringsegment mit Bezug auf die gesendeten Strahlungsintensitäten gebildet.
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Bevorzugt erfolgt die jeweils dreidimensionale
Bestimmung eines Volumenelements bzw, einer Inhomo genität auf der
z-Achse eines Empfängers oder
Senders durch aktueller Vergleichen von jeweils 180° einander
gegenüberliegenden
Quadranten, indem so durch Überkreuzvergleich
ein Ortsvektor für die
k-Distanz proportionale z-Schicht 10 angezeigt wird, in welchem
Abschnitt des Streustrahlengangs sich jeweilige Inhomogenitäten der
Struktur 5 befinden Durch systematischen x-y-Multiplex
in Schritten minimaler k-Distanz 1 erfolgt die zirkuläre Tomographie
der gesamten Struktur.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin,
eine sukzessiv zirkuläre
Bestrahlung über
ein mikroskopisches Linsensystem zu applizieren Hierdurch können auch
mikroskopisch kleine Objekte zirkulär tomographiert werden. Gleichzeitig
kann über ein
schwenkbares Linsensystem aus größerer Distanz
zum zu bestimmenden Objekt zirkulär tomographiert werden.
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Bei nichtmikroskopischer zirkulärer Tomographie
liegt in der Regel die aus Sender-Empfänger-Einheiten 2 bestehende
Sensormatrix der inneren oder äußeren, gegebenenfalls
unregelmäßigen Oberfläche 4 der
zu untersuchenden Struktur netzartig an. Danach resultieren aktuelles
Einstrahlen und Empfangen bzw. Detektieren nur zufällig unter
gleichen Winkeln. Kreuzweise kreissegmentbestimmte Ortsvektoren
bzw. ein resultierendes Ortsvektor-Spektrum ermöglichen diesbezüglichen
Ausgleich und Korrektur.
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In ähnlicher Weise gilt dies für Ausfälle von Sendern
oder Detektoren der Sensormatrix, Durch derartiges zirkuläres Tomographieren
werden Mineralien, nichtmetallische Werkstoffe, Holzstrukturen oder
auch künstlerisch
gearbeitete Plastiken sowie Gemälde
mittels nichtionisierender Strahlung bestimmt; Gemälde beispielsweise
in ihrer oberflächlichen
und tieferen Schichtstruktur differenziert und einem Imaging-Prozeß zugeführt.
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Die Feinstruktur wird durch mikroskopisches zirkuläres Remissions-Tomographieren
bestimmt, wobei die z-Schichtung durch matrizenrechnerisch determiniertes
Bestrahlen und Empfangen mit einer oder mehreren Wellenlängen sowie
Wellenlängenbereichen
auf minimal dicke z-Schichten im Mikrometerbereich aufgelöst wird;
Wellenlängenbereichen
auf minimal dicke z-Schichten im Mikrometerbereich aufgelöst wird;
bzw.
es wird die inhomogene Struktur mit einer Auflösung darstellbar, die über die
des bauelementbedingten Abstands zwischen Sender und Empfänger hinausgeht.
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Zirkuläres Remissions-Tomographieren
bestimmt die Rinden-, Saft- und Holzstruktur eines Baumes, dessen
Jahresringe, Krankheit sowie Schädlingsbefall
ohne Verletzung mittels nichtionisierender und den nutritiven Kreislauf
des Baumes nicht gefährdender,
relativ geringer Strahlenintensität, indem wahlweise dessen statischstrukturelle
resp. anatomische Beschaffenheit oder dessen Wasser-Elektrolyt-Kreislauf
orts- bzw. schichtdefiniert dynamisch-funktionell mit hoher zeitlicher
Auflösung
bestimmt wird.
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Durch Einsatz der IR-spektroskopischen Stoffbestimmung
im NIR ergeben sich wesentliche Möglichkeiten einer spezifischen
Stoffwechsel- bzw. metabolischen Bestimmung in Strukturen biologischer
Herkunft. Auch Stoffumwandlungsprozesse in technischen Systemen
können
beobachtet werden.
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Insbesondere werden mit nichtionisierenden Strahlen
und relativ geringen Strahlungsintensitäten inhomogene Strukturen biologischer
Herkunft weitgehend rückwirkungsfrei
bestimmbar. Menschliche und tierische Körper bzw. Körperteile, Organe und Gewebe
in vivo und in situ sind einer zirkulären Remissions-Tomographie
zugänglich.
Bekanntlich zeigen biologische Systeme ihre Differenzierung in Anatomie
und Funktion bzw. sind anatomisch und funktionell inhomogen struktriert
Anatomisch-strukturelle resp. funktionell-dynamischzeitliche Strukturen
lassen sich erfindungsgemäß bestimmen.
Dabei wird die optische Wellenlänge
vorteilhaft als gegenüber elektrodiagnostischen
Methoden verfügbare
zusätzliche
Koordinate auf der Basis der IR-Spektroskopie eingesetzt: im NIR-Bereich
Diagnostik bei photoplethysmographischen und oximetrischen Methoden
genutzt wird.
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2 demonstriert
die Anwendung der Erfindung am Beispiel der funktionellen Bestimmung zweier
Gewebeschichten durch eine Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereich
mittels eines Strahlers und zweier, im Zentimeterbereich zum Sender
verschieden distanter Empfänger.
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Die Positionierung des 940-nm-Zeilensensors
erfolgte am Unterarm über
den Muskelbäuchen der
Fingerstrekkenmuskulator eines gesunden, radsporttreibenden 24jährigen freiwilligen
Probanden.
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Die k-Distanz 1 bzw. der Abstand
zwischen Sender und Empfänger
für den
ersten Kanal betrug 4 cm, für
den zweiten Kanal 0,5 cm Die Verstärkungspegel Für beide
Kanäle
waren gleich. Mit dem nah-distanten Detektor einer k-Distanz von
0,5 cm wurde die Mikrozirkulation des Haut- und Unterhautgewebes
bestimmt; mit dem fern-distanten Detektor einer k-Distanz von 4
cm simultan dazu Funktion und metabolischer Aktivitätszustand
der Fingerstreck-Muskulator 15 Minuten nach einer bis zur
Ermüdung
durchgeführten
alternierenden Kontraktion durch Fingerstrecken und -beugen.
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Im oberen Teil der 2 und 3 sind
Ausschnitte der detektierten Signale als Zeitfunktionen wiedergegeben.
Im unteren Teil die Fourier-analysierten Amplitudenspektren sowie
die Autokorrelationsfunktionen der Periodizitäts-Analyse. Die Signale beider
Kanäle
bzw. der simultan mit einem Strahler und zwei Detektoren registrierten
NIR-Remissions-Kurven zeigen in allen analysierten Bereichen keinerlei Übereinstimmung:
Amplitudenspektrum sowie Zeitfunktion und Autokorrelationsfunktion
des zweiten Kanals bzw. der Haut und Unterhaut weisen neben Rauschanteilen
lediglich eine der Herzaktion entsprechende Frequenz von ca.1,3
Hz auf.
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Dagegen finden sich im ersten Kanal
Pseudoperioden mit sägezahnartigem
Verlauf der Zeitfunktion bzw. in ihrer Periodenbreite außerordentlich differierende
Sägezähne mit
allmählichem
Anstieg der Lichtabsorption im Gewebe, wie dies bei Blutvolumenzunahme,
aber auch bei allmählich
sich kontrahierendem Muskel beobachtet werden kann. Dem Sägezahn entsprechend
findet sich im Fourier-Amplitudenspektrum ein mit zunehmender Frequenz
exponential abklingendes Rauschspektrum, das von einem maximalen
Amplituden-Peak bei knapp 1 Hz sowie einem zweiten Peak bei ca.1,9
Hz dominiert wird.
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Ein der Herzaktion entsprechender
Peak bei ca. 1,3 Hz geht im biologisch bedingten Rauschen unter.
Im entsprechenden Periodogramm der normierten Autokorrelationsfunktion
dominiert eine Periodik um 0,9 Hz, was dem maximalen Peak im Fourier-Amplitudenspektrogramm
entsprechen dürfte. Insgesamt
finden sich zwischen den Signalen des ersten und zweiten Kanals,
bzw. den fern-distant und nah-distant detektierten Signalen, bzw.
tiefen und oberflächlichen
Gewebeschichten, bzw. Muskelgewebe und Haut keine Zeichen der Übereinstimmung, woraus
geschlossen werden kann, daß bei
simultaner Registrierung und nur einem Strahler sowie Verwendung
zweier zu diesem distanter Detektoren zwei völlig unterschiedliche Funktionssysteme
bestimmt wurden; bzw. durch die intakte Haut hindurch selektiv die
Musskulatur in ihrer aktuellen Funktion durch funktionelle Opto-Myographie
bestimmt werden konnte.
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Auf prinzipiell gleiche Weise dürfte sich
eine Opto-Enzephalographie
durch intakte Kopfhaut und Schädelkalotte
hindurch durchführen
lassen, beispielsweise als 8-kanaliges NIR-Opto-Enzephalogramm simultan
mit einer EEG-Registrierung vom jeweils gleichen Detektionsort und
identischen Ableitungsprogrammen.
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Die einzelnen Signale der 2 bis 7 lassen sich wie folgt interpretieren:
Die
im ersten Kanal von 2 durch
biologische Aktivität
stark rauschenden Signale zeigen im Durchschnitt etwa eine Sekunde
dauernde, wesentlich aperiodische, sägezahnartig allmählich zunehmende und
abrupt abfallende Lichtabsorptionen des detektierten Gewebes, was
der Ruhefunktion der Muskelvenenpumpe im Bereich des Mikrogefäßsystems entspricht,
wie sich diese bei bestimmter Position des Sensors bei dem aktiv
Radsport treibenden Probanden im venolären Kapazitätsgefäßbereich des nichtkontrahierten
Muskels darstellt. Diese Frequenz um etwa 0,9 Hz dominiert das Signal
des ersten Kanals, was Fourier-Amplitudenspektrum und Autokorrelogramm
bestätigen
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Zu weiterer Differenzierung der von
diesen sägezahnartigen
Pseudoperioden dominierten Zeitfunktion des ersten Kanalsträgt das Fourier-Amplitudenspektrum
bei: Wesentlich und wie noch darzustellen sein wird, findet sich
im normierten Amplitudenspektrum des fern-distanten 940-nm-NIR-Remissionssignals
ein zweiter Frequenz-Peak bei etwa 1,94 Hz, der in seiner Amplitude
dem metabolischen Aktivitätszustand
des Muskels entspricht und in Analogie zur bekannten Eigenfrequenz
des quergestreiften Herzmuskels als Eigenfrequenz der quergestreiften Skelettmuskulatur
bezeichnet werden kann.
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Dieser der Eigenfrequenz der quergestreiften
Skelettmuskulatur vermutlich entsprechende Frequenz-Peak bei ca.
1,94 Hz fand sich bei nichtinvasiver 940-nm-Opto-Myographie sowohl in der Skelettmuskulatur
der oberen und unteren Extremitäten
als auch bei okulärer
Optomyographie durch das geschlossene Lid hindurch. Insbesondere
stellt er sich in 4 und 5 deutlich mit seinen Harmonischen bei etwa
1,94, 3,88 und 5,82 Hz dar.
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Während
aktiver Muskelkontraktion formieren sich nach 4a und 5c um
diesen muskeleigenen Frequenzgenerator von etwa 1,94 Hz aktivierte Frequenzen
als Histogramm bzw. verbreitertes Frequenzband.
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Im Optomyogramm des sichtbaren Lichtes bzw.
635-nm- resp. Rot-Bereichs dagegen konnte dieser 1,94-Hertz-Peak
nach 3 weder mit dem nah-distanten
Detektor des ersten Kanals (der an derselben Stelle über der
Fingerstreckmuskulatur positioniert war wie der fern-distante während der 940-nm-Optomyographie
nach 2) noch mit dem fern-distanten
Detektor des zweiten Kanals nachgewiesen werden. Im nah-distanten
Detektorbereich des Rot-Optomyogramms zeigt sich dagegen in der Zeitfunktion
des ersten Kanals ein nahezu identisches sägezahnartiges Muster im Vergleich
mit dem in 2 mit allmählichem
Ansteigen sowie abruptem Abfallen der Lichtabsorption im Gewebe,
dem in beiden Kanälen
mit etwa gleicher Amplitude biologisch-aktivitätsbedingtes Rauschen überlagert
ist.
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Im Fourier-Amplitudenspektrogramm
findet sich insbesondere dem Sägezahn
der Muskelvenenpumpe des Mikrogefäßgebietes der Muskulatur entsprechend
das exponentiell mit zunehmender Frequenz abfallende, biologisch
bedingte Rauschamplituden-Frequenzmuster; und zwar sowohl im nah-
wie ferndistanten Detektor.
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Im Amplitudenspektrum beider Rot-Optomyogrammelassen
sich weitere Frequenz-Peaks dieses Bereiches nur unsicher ausmachen – wenn überhaupt,
dann im ersten Kanal bei etwa 1,6 Hz sowie im zweiten bei knapp
1 Hz, woraus keine Schlußfolgerungen
gezogen werden sollen.
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Im 940-nm-Optomyogramm der Fingerstreckmuskulatur
nach 4a eines gesunden 53jährigen freiwilligen
Probanden findet sich während
exzessiver isometrischer Muskelkontraktion einer 70-Sekunden-Meßstrecke
im momierten Fourier-Amplitudenspektrum der beschriebene Frequenz-Peak
von etwa 1,94 Hz, dessen Maximalamplitude den allgemeinen Rauschpegel
um das etwa 5fache überragt.
Das zugehörige
Periodogramm der normierten Autokorrelationsfunktion bestätigt die
dominierende Periodik einer Periodendauer von etwa ½ Sekunde,
wie sie aus der im unteren Abbildungsteil wiedergegebenen otpomyographischen
Zeitfunktion des 940-nm-NIR-Bereiches berechnet wurde und sich durch
aspektmäßiges Befunden
aus der determiniert chaotisch rauschenden Registrierkurve kaum herauslesen
läßt.
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Im postaktiven 940-nm-Optomyogramm
der 4b fünf Minuten
nach der exzessiven isometrischen Kontraktion der – untrainierten – Fingerstreckmuskulatur
findet sich während
Muskelrelaxation der 1,94-Hertz-Peak
wiederum als maximaler Peak, nunmehr nahezu nadelförmig bzw.
sich deutlich vom Umgebungs-Frequenzrauschen abhebend. Das Periodogramm
der normierten Autokorrelationsfunktion zeigt dabei in Korre-lation zum Amplitudenspektrum einen
Periodizitätsanteil
im postaktiven Optomyogramm von etwa 36% insgesamt möglicher
Periodizität
im Vergleich zu etwa 20% während
isometrischer Muskelkontraktion.
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Die Kurven in 4a und 4b wurden
bei einer k-Distanz bzw. einem Sender-Empfänger-Abstand von 4 cm erhalten.
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Für
eine okuläre
Optomyographie ist dieser Abstand zu groß, sofern mit einem dem Augapfel durch
das geschlossene Lid aufgesetzten Sensor optomyographiert werden
soll.
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Der Bewegungsapparat des Auges wurde deshalb
mittels eines remissions-optomyographischen Sensors untersucht,
der bei einer k-Distanz von 0,5 cm dem geschlossenen Lid unmittelbar
aufgesetzt und mit einem breiten Klettverschluß-Kopfband fixiert wurde.
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Verglichen mit den durch je einen
nah- und fern-distanten Detektor separat auf zwei Kanälen erhaltenen
Signalen in 2 wurden
so – die
Besonderheiten der optischen Gegebenheiten des Auges nutzend – die Augenmuskulatur
sowie der M. orbicularis oculi durch das geschlossene Lid hindurch
remissions-optomyographiert.
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Dementsprechend zeigen 5a und 5b ein durch muskuläre und nichtmuskuläre Gewebeschichten
moduliertes 940-nm-optomyographisches Signal Die okulären Optomyogramme,
die von zwei gesunden 53- bzw. 55jährigen freiwilligen Probanden
registriert wurden, weisen dementsprechend neben den für die Mikrozirkulation
der Haut bekannten, der Herz-, Atmungs- und Blutdruckperiodik zuzuschreibenden
Frequenzpeaks bei 1,4, 0,2 und 0,1 Hz zusätzliche, aus der quergestreif ten
Muskulatur des Augapfels herrührende
Nadel-Peaks bei 1,94, 3,88 und 5,82 Hz auf. Das zu diesem komplexen
Frequenzgemisch korrespondierende Periodogramm der Autokorrelationsfunktion
sowie ein Registrierausschnitt der Zeitfunktion sind 5a zu entnehmen.
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5b zeigt
das okuläre
Optomyogramm durch das geschlossene Lid eines liegenden relaxierten
Probanden: es dominieren die langsamen Frequenzen im Amplitudenspektrum;
Herzfrequenzpeak bei 1,5 Hz und Amplitudenpeak der Muskel-Eigenfrequenz
bei 1,94 Hz stellen sich mit nahezu gleichen Amplituden dar. Auch
die dieser vermutlichen Grundfrequenz der quergestreiften Muskulatur
zugehörigen Harmonischen
bei etwa 3,88 sowie 5,82 Hz lassen sich bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von
knapp 2 : 1 gerade noch ausmachen.
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5c zeigt
das aktivierte 940-nm-Optomyogramm des gleichen 55jährigen Probanden
während
eines über
die gesamte Meßstrecke
von 70 Sekunden anhaltenden maximalen willkürlichen Lidschlusses mit dadurch
unvermeidbar und anhaltend ausgeübtem
Druck auf den Augapfel bei subjektiv angegebenen Mißempfindungen.
In der vollständig
wiedergegebenen Zeitfunktion läßt sich
die allmähliche Wandlung
der dominierenden Frequenz erkennen. Das Fourier-Amplitudenspektrum
bestätigt
dies, auch indem es den allmählich
neu entstehenden maximalen Amplitudenpeak bei 0,78 Hz zeigt, als
dessen 1. Harmonische sich die Herzfrequenz bei 1,56 Hz darstellt.
Von außerordentlichem
theoretischen Interesse ist diese neu entstandene dominierende Frequenz
jedoch, da das ganzzahlige Fünffache
dieser Frequenz bzw. deren 4. Harmonische bei 3,9 Hz liegt und damit
der 1. Harmonischen der Eigenfrequenz quergestreifter Muskeln bei
3,88 Hz nahezu identisch ist: Daraus ist zu schließen, daß zwei wesentliche
Generatoren des Mikrozirkulationssystems, d. h. die frequenzvariable
Herfrequenz und die frequenzinvariable vermutliche Skelettmuskel-Eigenfrequenz
(1,94 Hr) über
deren Harmonische an die aktuell neu generierte Grundfrequenz passager
gekoppelt erscheinen – ein
Befund, der als bedeutsame Stütze
der Hypothese gewertet werden kann, die im Herzkreislauf-System
regionale Frequenzgeneratoren notwendig annimmt, um die zentral
als kardiogen, respiratorisch und blutdruckperiodisch vorgegebenen
Frequenzen insbesondere im Mikrogefäßgebiet zu koordinieren und
aktiv zu verstärken.
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Im gleichen Sinne lassen sich Zusammenhänge herstellen
zwischen der Skelettmuskel-Eigenfrequenz bei 1,94 Hz und der in 2 sich im 940-nm-Optomyogramm
bei einem Radsportler 15 Minuten nach exzessiver alternierender
Streckung und Beugung der Fingermuskulatur dominant darstellenden
und zur Herzfrequenz deutlich sich absetzenden Zirka-1-Hertz-Frequenz:
Im Fourier-Amplitudenspektrum der postaktiven relaxierten Fingerstreckmuskulatur
stellt sich dieser neue Frequenzpeak als Grundfrequenz dar, deren
1. Harmonische der Amplitudenpeak bei 1,94 Hz bzw. die Skelettmuskel-Eigenfrequenz
ist.
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Wesentliche Befunde einer funktionsdiagnostisch
angewandten 940-nm-Optomyographie sind aus den Darstellungen von 6a, b, c und 7 zu entnehmen.
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In 6 ist
das Remissions-Optomyogramm der Daumenballenmuskulatur vor (6a), während (6b), und eine Minute nach (6c) willkürlicher maximaler
isometrischer Kontraktion als Periodogramm der Autokorrelationsfunktion
des nah-distanten Kanals 1 und des fern-distanten Kanals 2 bei
Verwendung nur eines Strahlers sowie zweier Detektoren mit einer
k-Distanz von 0,5 und 4 cm dargestellt. Im ferndistanten eigentlichen
optomyographischen Muskeldetektor findet sich vor der Muskelkontraktion lediglich
höherfrequentes
Rauschen; während
der isometrischen Muskelkontraktion dagegen eine deutliche Periodik
um knapp zwei Hz (1,94 Hz), die sich als außerordentlich frequenzstabil
bzw. frequenzinvariabel erweist und die postaktiv fortbesteht und
nun ein in ihrer Amplitude und Frequenz stabiles Bild der 1,94-Hz-Periodik
bietet. Lediglich die Periodogramme des nah-distanten Detektors
zeigen vor und nach der Muskelkontraktion annähernde Übereinstimmung, während im
fern-distanten optomyographischen Detektor eine deutliche Funktionsbezogenheit zum
metabolischen Zustand der Muskulatur vor, während und unmittelbar nach
geleisteter Kontraktionsarbeit des Muskels besteht. Mit anderen
Worten: die im 940-nm-Optomyogramm feststellbare vermutliche Skelettmuskel-Eigenfrequenz ändert sich
muskelfunktionsbezogen in ihrer Amplitude, nicht aber bzw. nur unwesentlich
in ihrer Frequenz.
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Durch weitere Untersuchungen wurde
gefunden, daß beispielsweise
die im Alltag mehr beanspruchten Fingerbeuger bei Beanspruchung
schneller diese muskeleigene Periodisierung zeigen sowie postaktiv
schneller abklingen lassen als untrainierte Muskeln wie beispielsweise
die Finger- oder Fußstreckmuskulatur,
bei der postaktiv eher noch eine leichte Zunahme der Amplitude der
charakteristischen 1,94-Hz-Periodik beobachtet werden kann sowie
eine Aperiodik erst am darauffolgenden Tag manchmal gefunden wird.
Dies läßt den Schluß zu, daß die so
bezeichnete Skelettmuskel-Eigenfrequenz bei etwa 1,94 Hz im 940-nm-Optomyogramm in
besonderem Maße
metabolish an die Muskelkontraktion sowie an postaktiv sich abspielende
Stoffwechselprozesse gekoppelt ist und insofern als Maß für die metabolische
Aktivität
des Muskels einschließlich
der Beurteilung seines Trainingszustandes herangezogen werden kann.
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Ein Beispiel hierfür geben
die in 8 in ihrer zeitlichen Abfolge
wiedergegebenen Periodogramme der Autokorrelationsfunktion von der
Unterarm-Fingerstreckmuskulatur 3 Minuten vor exzessiver
isometrischer Kontraktion (oben), während der Kontraktion und 30
Sekunden danach – sowie
15 Minuten danach mit annäherndem
Erreichen des Ausgangszustandes vor der Kontraktion (unten).