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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Brechungsindexes
in einer großen
Anzahl von zum Beispiel 10 000 Punkten p eines physikalischen Mediums.
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US-Patentschrift 4 792 227 gibt
eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindexes einer optischen
Speicherplatte in ihrer Dicke bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen
Laserstrahl, einen Polarisator zur Polarisierung des Laserstrahls,
einen Träger
zur Ausrichtung nach der Richtung des Laserstrahls, damit der Letzgenannte
unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die optische Speicherplatte
auftrifft, und ein Mittel zur Erfassung eines Laserstrahls, um den
Laserstrahl nach seinem Durchgang durch die optische Speicherplatte zu
empfangen.
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US-Patentschrift 5 588 032 gibt
eine Vorrichtung zur Abtastung von beispielsweise unterschiedlichen Teilen
einer Person unter Benutzung insbesondere von Lichtwellen bekannt.
Die Vorrichtung funktioniert mit einem Abbildungstechnikverfahren
durch Brechung von Energie, die auf den zu untersuchenden Teil des
Körpers übertragen
wird. Die Vorrichtung umfasst einen Laser, ein Mittel zur Erfassung
der Energie des Lasers, die auf den zu untersuchenden Teil des Körpers übertragen
wird und von Letzgenanntem gebrochen wird, und einen Computer zur
Verarbeitung der in Amplitude und Phase gebrochenen Energie, um
daraus ein gemessenes Brechungsfeld abzuleiten und dieses mit einem
geschätzten
Brechungsfeld zu vergleichen. Der Computer ist derart programmiert,
um auf iterative Weise das Brechungsfeld zu verarbeiten, bis es
mit den Messungen konvergiert. Somit wird ein Bild des Körpers erhalten,
das durch die Kartographie des Brechungsfeldes dargestellt ist.
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Die
Benutzung von zum Beispiel einem Infrarotlaserscanner stellt das
Problem der Suche nach dem optischen Weg dar, während ein Medium durchquert
wird, das sich aus unterschiedlichen Schichten Brechungsindex zusammensetzt.
Oft kommt es vor, dass der Brechungsindex aller Punkte des durchquerten
Mediums übersehen
wird.
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Zu
diesem Zweck liegt der Erfindung die Aufgabe einer Vorrichtung zur
Bestimmung eines Brechungsindexes in einer großen Anzahl von zum Beispiel
10 000 Punkten p eines physikalischen Mediums zugrunde, wobei jeder
Punkt durch einen festen Bezugspunkt festgelegt ist, indem er den
Schwerpunkt einer Elementarkachel einnimmt, und wobei p Elementarkacheln
eine Parkettierung des physikalischen Mediums realisieren, dadurch
gekennzeichnet, dass sie umfasst:
- – einen
Lichtlaser, zum Beispiel für
Infrarotstrahlen, der einem Bewegungsführer folgend um einen Elementarschritt
bewegt werden kann oder der bezüglich
eines Spiegels fixiert ist, der seinerseits dem Bewegungsführer folgend
um den Elementarschritt bewegt werden kann, um eine Reihe von p
koplanaren Strahlen auszusenden, von denen jeder von einem Ausgangspunkt
Ap ausgeht, der in Bezug auf den Bewegungsführer festgelegt ist, und an
einem Zielpunkt Bp ankommt, der durch Detektormittel festgelegt
ist, nachdem er das physikalische Medium durchquert hat, worin er
einem optischen Weg gefolgt ist, der als die kürzeste optische Strecke zwischen
den beiden Punkten Ap und Bp definiert ist;
- – einen
Zeitzähler,
der mit jedem Strahl synchronisiert ist, um einen Zeitpunkt Tp zu
verzeichnen, zu dem jeder Strahl den Zielpunkt Bp erreicht, und
zwar von einem anfänglichen
Zeitpunkt an gerechnet, zu dem der Strahl den Ausgangspunkt Ap verlassen
hat; und
- – einen
Computer, der gebührend
programmiert ist, um die folgenden Schritte auszuführen:
(1)
unter allen optischen Strecken, die vom Ausgangspunkt Ap ausgehen
und am Zielpunkt Bp ankommen, den optischen Weg zu suchen, wobei
jede optische Strecke durch eine Folge von elementaren optischen Wegen
(L) definiert ist, deren jeder das Produkt zweier Glieder ist, einem
ersten, das das Modul eines Vektors ist, der die beiden Schwerpunkte
zweier benachbarten Elementarkacheln verbindet, und einem zweiten,
das ein in jedem Schwerpunkt geschätzter Brechungsindex ist;
(2)
ausgehend von p linearen Gleichungen, die für jeden der p gesuchten optischen
Wege die elementaren optischen Wege (L) und die Brechungsindices
(N) mit der ersten erfassten Transitzeit Tp verbinden, eine quadratische
Matrix [L] der elementaren optischen Wege, einen Vektor [N] der
Brechungsindices der Elementarkacheln und einen Vektor [T] der Transitzeiten
des Lichtstrahles zu konstruieren und die Matrixgleichung: [N]·[L]
= [T]nach dem Vektor [N] der Brechungsindices der Elementarkacheln
aufzulösen;
und
(3) die Schritte (1) und (2) zu wiederholen, um mit den
in einer direkt vorausgehenden Iteration berechneten Brechungsindices
der Elementarkacheln neue optische Wege zu suchen, die Matrixgleichung
mit den neuen optischen Elementarwegen zu lösen, die den gesuchten neuen
optischen Wegen entsprechen, und einen neuen Vektor der Brechungsindices
der Elementarkacheln zu gewinnen, bis die Matrix [L] der optischen Elementarwege
konvergiert und der Vektor [N] der Brechungsindices der Elementarkacheln
ebenfalls konvergiert.
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Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung
eines Abschwächungskoeffizienten
an jedem Punkt des physikalischen Mediums, an dem ein Brechungsindex
bestimmt worden ist:
- – die Detektormittel so gestaltet
sind, dass unter Berücksichtigung
einer Abschwächung
der Lichtintensitäten
entlang der von jedem Strahl durchlaufenen elementaren optischen
Wege einer Intensitätsveränderung (Δlp) jedes
Strahls der Reihe zwischen dem Ausgangspunkt Ap und dem Zielpunkt
Bp erkannt wird, und zwar in Abhängigkeit
von einem jeder Elementarkacheln anhaftenden Abschwächungskoeffizienten
E; und
- – der
Computer gebührend
programmiert ist, um den folgenden zusätzlichen Elementarschritt auszuführen:
(4)
ausgehend von p linearen Gleichungen, die die elementaren optischen
Wege (L), für
die der Vektor der Brechungsindices der Elementarkacheln im Schritt
(3) konvergiert hat, und die Abschwächungskoeffizienten (E) der
Elementarkacheln (100) mit der Intensitätsveränderung (Δlp) jedes der p Strahlen der
Reihe verbinden, einen Vektor der Abschwächungskoeffizienten der Elementarkacheln
[E] und einen Vektor der Intensitätsveränderungen [Δlp] zu konstruieren und dann
durch ein mathematisches Verfahren der linearen Algebra die Matrixgleichung [E]·[L]
= [Δlp]nach
dem Vektor [E] der Abschwächungskoeffizienten
der Elementarkacheln aufzulösen.
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Vorzugsweise
führt der
Computer den Schritt (1) aus, indem er gebührend dafür programmiert ist, den optischen
Weg durch ein Berechnungsverfahren eines minimalen kritischen Weges
aus Abschätzungen
der Brechungsindices zu suchen, die durch ein Abbildungsverfahren
gewonnen wurden, worin ein Röntgenscanner,
eine Kernspinresonanz-Imaging-Einheit
oder eine Sonographie-Einheit eingesetzt werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass für eine Abschätzung der
Brechungsindices mit höherer
räumlicher
Auflösung
bezüglich
des physikalischen Mediums:
- – der Bewegungsführer mit
einem Mikro-Stellglied versehen ist, das den Lichtlaser oder den
Spiegel dem Bewegungsführer
folgend um einen elementaren Mikroschritt bewegt, der gleich einem
Elementarschritt, geteilt durch einen Verstärkungsfaktor K ist, um zwei
gekreuzte Reihen von X-Strahlen bzw. Y-Strahlen auszusenden, sämtlich koplanar
und ausgehend von einem bezüglich
des Bewegungsführers
festgelegten Ausgangspunkt Ax bzw. Ay, und nach Durchquerung des
physikalischen Mediums auf einem optischen Weg, der als die kürzeste optische
Strecke zwischen den beiden Punkten Ax und Bx bzw. Ay und By definiert
ist, bei einem durch die Detektormittel festgelegten Zielpunkt Bx
bzw. By ankommend, und
- – der
Computer gebührend
programmiert ist, um die folgenden zusätzlichen Elementarschritte
auszuführen:
(5)
unter einer großen
Anzahl von optischen Strecken, die sämtlich vom Ausgangspunkt Ax
bzw. Ay ausgehen und sämtlich
am Zielpunkt Bx bzw. By ankommen, und die durch eine Folge von mikroelementaren optischen
Wegen (μL)
definiert sind, deren jeder das Produkt zweier Glieder ist, eines
ersten, das der Modul eines Vektors ist, der die beiden Schwerpunkte
von zwei benachbarten elementaren Mikrokacheln verbindet, und eines
zweiten, das ein Brechungsindex (N') in jedem Schwerpunkt jeder elementaren
Mikrokachel ist und das gleich dem Brechungsindex der Elementarkachel
ist, aus der nach Teilung durch den Verstärkungsfaktor K die elementaren
Mikrokacheln hervorgegangen sind und für die der Vektor [N] der Brechungsindices
der Elementarkacheln im Schritt (3) konvergierte, und ausgehend
von K·p
= X + Y linearen Gleichungen, die für jeden der gesuchten optischen
Wege der einen X und anderen Y der beiden Reihen von Strahlen die
mikroelementaren optischen Wege (μL)
und die Brechungsindices (N')
der elementaren Mikrokacheln mit der Transitzeit Tx oder Ty verbinden,
die ausgehend von einem Anfangszeitpunkt, wo der Strahl vom Ausgangspunkt
Ax bzw. Ay abgegangen ist, mithilfe des Zeitzählers erfasst wurde, der mit
jedem Strahl synchronisiert war, der den Zielpunkt Bx bzw. By erreichte,
einen optischen Weg zu suchen, eine quadratische Matrix [μL] der mikroelementaren
optischen Wege sowie einen Vektor [N'] der Brechungsindices der elementaren
Mikrokacheln und einen Vektor [T] der Transitzeiten des Lichtstrahles
zu konstruieren; dann
(6) den Brechungsindex in jeder elementaren
Mikrokachel durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate anzupassen,
wobei die Constraints berücksichtigt
werden, die durch die Randwerte auferlegt werden, die durch die
erfassten Transitzeiten Tx bzw. Ty gebildet werden, indem die folgende
Formel verwendet wird: wobei
in dieser Formel
Cij = der gesuchte Wert,
Bij = der anfänglich geschätzte Wert,
(n)
= die Anzahl der Zeilen einer Matrix, die für eine Tabelle der Brechungsindices
der elementaren Mikrokacheln repräsentativ ist (n > X),
(m) = die
Anzahl der Spalten einer Matrix, die für eine Tabelle der Brechungsindices
der elementaren Mikrokacheln repräsentativ ist (m > Y),
Σni=1 Cij = ρj der
Constraint der Spalte j für
alle Werte von i,
Σmj=1 Cij
= ci der Constraint der Zeile i für alle Werte von j.
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Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Abschätzung der
Abschwächungskoeffizienten
mit größerer räumlicher
Auflösung
bezüglich
des physikalischen Mediums:
- – der Computer
(106) gebührend
programmiert ist, um die folgenden zusätzlichen Elementarschritte
auszuführen:
(7)
ausgehend von einer für
jeden Strahl der beiden gekreuzten Reihen X und Y zwischen dem Ausgangspunkt
Ax bzw. Ay und dem Zielpunkt Bx bzw. By unter Berücksichtigung
einer Abschwächung
der Lichtintensität
entlang der durch jeden Strahl verfolgten mikroelementaren optischen
Wege durch die Detektormittel erfassten Veränderung (Δlx, Δly) der Intensität in Abhängigkeit
von einem Abschwächungskoeffizienten (E'), der jeder elementaren
Mikrokachel anhaftet, und der gleich dem Abschwächungskoeffizienten (E) der Elementarkacheln,
aus der die elementaren Mikrokacheln hervorgegangen sind, geteilt
durch den Verstärkungsfaktor
K ist, und ausgehend von K·p
= X + Y linearen Gleichungen, die für jeden der gesuchten optischen
Wege des einen X und des anderen Y der beiden Reihen von Strahlen
die mikroelementaren optischen Wege (μL) und die Abschwächungskoeffizienten
(E') der elementaren
Mikrokacheln mit den Veränderungen
(Δlx, Δly) der Lichtintensität verbinden,
eine quadratische Matrix [μL]
der mikroelementaren optischen Wege, einen Vektor [μE'] der Abschwächungskoeffizienten
der elementaren Mikrokacheln und einen Vektor [Δl] der Veränderungen der Lichtintensität zu konstruieren;
und
(8) den Abschwächungskoeffizienten
in jeder elementaren Mikrokachel durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate
anzupassen, wobei die Constraints berücksichtigt werden, die durch
die Randwerte auferlegt werden, die durch die erfassten Veränderungen Δlx bzw. Δly der Lichtintensität gebildet
werden, indem die folgende Formel verwendet wird: wobei
in dieser Formel
Cij = der gesuchte Wert,
Bij = der anfänglich geschätzte Wert,
(n)
= die Anzahl der Zeilen einer Matrix, die für eine Tabelle der Abschwächungskoeffizienten
der elementaren Mikrokacheln repräsentativ ist,
(m) = die
Anzahl der Spalten einer Matrix, die für eine Tabelle der Abschwächungskoeffizienten
der elementaren Mikrokacheln repräsentativ ist,
Σni=1 Cij = ρj der
Constraint der Spalte j für
alle Werte von i,
Σmj=1 Cij
= ci der Constraint der Zeile i für alle Werte von j.
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Im
Sonderfall, wo das physikalische Medium ein Teil des Körpers eines
Menschen oder eines Tieres ist, und um eine Singularität der Brechungsindices
zu behandeln, die für
einen Tumor oder eine andere Pathologie eines Teiles dieses Körpers repräsentativ
ist, ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass: im Falle, wo
das physikalische Medium ein Teil des Körpers eines Menschen oder eines
Tieres ist, und um eine Singularität der Brechungsindices zu behandeln,
die für
einen Tumor oder eine andere Pathologie eines Teiles dieses Körpers repräsentativ
ist,
- – diese
einen Behandlungs-Lichtpulslaser zur Erzeugung eines Strahles einer
sehr hohen Energie während einer
sehr kurzen Zeit von z. B. 100 Femtosekunden umfasst, der auf den
Bewegungsführer
montiert und mit einer Linse versehen ist, die verschoben werden
kann, um eine Brennweite einzustellen, die eine neutrale Achse der
Linse durchläuft,
und den Strahl im Brennpunkt der neutralen Achse konvergieren zu
lassen; und
- – der
Computer gebührend
programmiert ist, um die folgenden zusätzlichen Elementarschritte
auszuführen:
(9)
unter den im Ergebnis des Schrittes (3) berechneten oder im Ergebnis
des Schrittes (6) angepassten Brechungsindices oder unter den im
Ergebnis des Schrittes (4) berechneten oder im Ergebnis des Schrittes (8)
angepassten Abschwächungskoeffizienten
eine Singularität
C zu suchen und die elementaren Kacheln bzw. Mikrokacheln der Singularität C bezüglich des
Bewegungsführers
festzulegen, und
(10) für
mehrere Punkte der Linse den optischen Weg zwischen einem Ausgangspunkt
Aq und der Singularität
C zu suchen, die als Zielpunkt betrachtet wird, und einen Konvergenzwinkel
zu berechnen, der über die
verschiedenen gesuchten optischen Wege gemittelt wurde, die von
den verschiedenen Punkten der Linse ausgehen und eine Symmetriebedingung
bezüglich
des Strahles verifizieren, um die Brennweite auf einen virtuellen
Brennpunkt einzustellen, der durch den Konvergenzwinkel bestimmt
ist, wobei berücksichtigt wird,
dass der Strahl so in der Luft verläuft, dass er auf den virtuellen
Brennpunkt fokussiert wird, damit die Singularität mit einem wirklichen Brennpunkt
zusammenfällt,
um unter der Einwirkung der wiederholten Laserlichtpulse zum Beispiel
durch Verdampfung zerstört
zu werden.
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Weitere
vorteilhafte Charakteristiken der Erfindung werden mittels mehreren
Ausführungsformen
beschrieben, die durch Zeichnungen dargestellt sind.
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1 stellt
die Punkte eines physikalischen Mediums dar, wobei jeder Punkt den
Schwerpunkt einer Elementarkachel einnimmt, wo die Elementarkacheln
eine Parkettierung des physikalischen Mediums realisieren.
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2 eine
graphische Darstellung einer quadratischen Matrix von 10 000 Punkten
der Brechungsindices ist, die zufällig zwischen 1 und 2 und fünf optischen
Wegen zwischen einem Ausgangspunkt und fünf Zielpunkten variieren.
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3 ist
eine Schemazeichnung einer Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
eine Schemazeichnung einer Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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5 ist
eine Schemazeichnung einer zu 3 analogen
Vorrichtung.
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Die
Vorrichtung nach der Erfindung setzt ein Berechnungsverfahren des
optischen Weges und seine Anwendungen zur Erfassung von Objekten,
insbesondere in Wassermedium, oder zur Durchführung eines nachfolgend erläuterten
Tomodensitometervorgangs ein. Tatsächlich setzt die Verwendung
von Infrarotstrahlen, ob kohärent
oder nicht, durch heterogene Medien voraus, dass der optische Weg
im Medium gezeichnet werden kann. Dies legt nahe, dass die Brechungsindices
in allen Punkten des untersuchten Mediums bekannt sind, sowie die
etwaige, totale oder teilweise Reflexion oder die etwaigen, totalen
oder teilweisen Reflexionen auf der Strecke.
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Die
Experimentatoren sind daher mit verschiedenen Fällen konfrontiert. Im ersten
Fall sind das durchquerte Medium und der Brechungsindex jedes Punktes
bekannt. Im zweiten Fall wird lediglich über unvollkommene Informationen
verfügt.
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Im
ersten Fall können
zwei Verfahren verwendet werden, um den optischen Weg zu berechnen,
das eine, das das zweite Gesetz von DESCARTES verwendet oder ein
Verfahren, das die Prinzipien verwendet, die von FERMAT formuliert
wurden, wenn der Brechungsindex in allen Punkten bekannt ist.
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Das
zweite Gesetz von DESCARTES der Brechung drückt die Abweichung eines Lichtstrahls,
der eine Schnittstelle zwischen zwei Medien durchquert, mit der
unten stehenden Gleichung aus, die angibt, dass der Einfallswinkel
im Medium 1 mit dem Brechungswinkel im Medium 2 durch die folgende
Gleichung verbunden ist: n2sini2 = n1sini1 wobei:
n1 der Brechungsindex,
i1, der Brechungswinkel des ersten Mediums, ist
n2 der Brechungsindex,
i2, der Brechungswinkel des zweiten Mediums, ist
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Es
kann auch das FERMAT-Prinzip verwendet werden, um den optischen
Weg zwischen zwei Punkten zu berechnen. Tatsächlich kann das Fermatprinzip
auf folgende Weise ausgedrückt
werden: jegliche Trajektorie, die von einer Strahlung gefolgt wird,
entspricht einem stationären
optischen Weg, wobei die Summe der elementaren optischen Wege minimal
ist. Ein elementarer optischer Weg ist das Produkt der Länge des
Vektors, der durch den Brechungsindex des durchquerten Mediums zwei
Punkte verbindet.
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Allgemein
ausgedrückt,
kann der folgende Ausdruck für
den optischen Weg zwischen einem Punkt A und einem Punkt B beschrieben
werden: L = ∫BA nds
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Es
sei daran erinnert, dass der optische Weg derjenige ist, der aus
unterschiedlichen möglichen
Strecken einer Strecke entspricht, wobei die Summe der konsekutiven
elementaren optischen Wege, welche diese Strecke ausmacht, minimal
ist. Jeder der elementaren optischen Wege entspricht dem Produkt
der geometrischen Entfernung zwischen den Enden des Vektors durch
den Brechungsindex des durchquerten Mediums.
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Der
Autor der vorliegenden Erfindung hat eine Originalmethode konzipiert,
um den optischen Weg zu berechnen, indem ein Verfahren verwendet
wird, das in einem Graph mit Vektoren, die unterschiedliche Punkte verbinden,
das Erstellen nicht des längsten
Weges sondern der kürzesten
Trajektorie ermöglicht.
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In
einer komplexeren Situation, zum Beispiel der in 1 dargestellten,
ist lediglich der Ausgangspunkt und der Zielpunkt des Strahls bekannt,
und zum Zeichnen des optischen Weges wird das Fermatprinzip verwendet.
Die Verwendung dieses Prinzips ist möglich, indem die Methode des
kritischen Weges verwendet wird, die das Berechnen einer Trajektorie
ermöglicht,
während
man sich im Rahmen eines Netzes von Vektoren befindet, die unterschiedliche
Punkte verbinden, zum Beispiel von einem Punkt A zu einem Punkt
B. In diesem Fall ermöglicht
die Methode des kritischen Weges das Berechnen des längsten Weges,
der erhalten werden kann, indem der elementare Trajektorienvektor
durch einen Vektor ersetzt wird, der einer Erhöhung minus dem elementaren
Trajektorienvektor entspricht, womit:
- – zum Gehen
von beispielsweise Punkt A zu Punkt 1.2 (im Zentrum der Schicht
I des Graphs in 3) die elementare Trajektorie
folgendem entspricht: M – 0.5L1·1.003 – 0.5L1.2·1.003
- – zum
Gehen von Punkt 1.1 zu Punkt 2.3 die elementare Trajektorie folgendem
entspricht: M – 0.5L1.2·1.003 – 0.5L2.3·1.333
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Die
Methode des kritischen Weges bestimmt also die kürzeste Trajektorie für die Werte
von Lij, das heißt
von der Durchgangsentfernung jedes hexagonalen Elementes, das auf
dem Graph in 1 gezeichnet ist.
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Es
ist möglich
den Vorgang zur Berechnung des kritischen Weges durch eine Methode
zur Berechnung des minimalen Weges zu ersetzen. Der Vorteil relativ
zur Verwendung der Methode des kritischen Weges besteht darin, dass
Software verfügbar
ist.
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Bereits
im Jahre 1965 hat der Autor ein Verfahren zur Erstellung des kritischen
Weges mittels einer Vorgängermethode,
der TELOR-Methode, entwickelt. In Rahmen dieser Erfindung ließ er sich
von dieser Methode inspirieren, um direkt einen optischen Weg zu
zeichnen, indem Schritt für
Schritt auf den minimalen Wert der angegebenen Vorgänger Bezug
genommen wurde.
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Unter
Bezugnahme auf den Graph in 1 können ab
Punkt A 3 Vektoren gezeichnet werden, die an die Punkte 1.01, 1.02
und 1.03 anstoßen.
Der kürzeste
Weg ab A stößt an Punkt
1.02 an, da seine Länge
1.003 entspricht. Wenn zum nächsten
Schritt übergegangen
wird, wobei von der Schicht 1 zur Schicht 2 übergegangen wird, wurden dort
9 Vektoren gezeichnet, ausgehend von den Punkten 1.01, 1.02 und
1.03, was den Weg ergibt, der vom Ausgang zu einem beliebigen der
angegebenen Punkte verläuft,
indem zum Wert des Vektors (Länge)
die Werte der vorhergehenden Vektoren hinzugegeben werden. Zum Beispiel
weist der Vektor 8, der von Punkt 1.02 zu Punkt 2.02 verläuft, zwei
Vorläufer,
die Vektoren 2 (A, 1.02) und 4 (1.01, 1.02), auf. Die kürzeste Länge ist
diejenige, die 2.02 entspricht, was sich auf dem optischen Weg der
gesuchten Trajektorie befindet.
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So
wird Schritt für
Schritt vom Vektor A zum Vektor B übergegangen, der optische Weg
bestimmt, der übrigens
in unserem Beispiel eine in 3 gezeichnete
Divergenz aufweist. Die beiden optischen Wege sind also die folgenden:
- – A,
1.02, 2.02, 3.02, 4.03, 5.03, 6.04, 7.05, 8.05, B
- – A,
1.02, 2.02, 3.03, 4.03, 5.03, 6.04, 7.05, 8.05, B
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Dieses
Beispiel zeigt dass beim Durchqueren eines vollständig kohärenten Mediums,
wie dies für Schicht
Nr. 3 der Fall ist, der optische Weg zwei unterschiedliche Bahnen
einschlagen kann, selbst, wenn es sich dabei um ein kohärentes Licht
handelt.
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Das
System ermöglicht
ebenfalls, ausgehend von einem Punkt, das Zeichnen einer großen Anzahl von
Wegen, die beispielsweise Abtastungen des Laserstrahls entsprechen,
wie in 2 dargestellt.
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Oft
kommt es jedoch auch vor, dass der Brechungsindex aller Punkte des
durchquerten Mediums übersehen
wird. Im zweiten Fall wird eine Vorrichtung nach der Erfindung auf
folgende Weise umgesetzt:
- 1/ Vornehmen einer
Evaluierung der Beschaffenheit des Mediums, zum Beispiel dank einer
ersten Untersuchung, die zum Beispiel mittels eines Röntgenscanners
mit geringer Definition im Bereich von 1 mm durchgeführt wird.
- 2/ Aufteilen der Densitometerebene, entweder in Form von Quadraten,
zum Beispiel aus 100 Mikron, oder in feinerer Form mittels einer
hexagonalen Parkettierung, wie im Graph in 1 dargestellt.
- 3/ Erhalten, dank der Kenntnis der Materialien des durchquerten
Mediums, einer Abschätzung
des Brechungsindexes für
jedes der Quadrate oder jedes der hexagonalen Elemente.
- 4/ Zeichnen eines Graphs von Punkt A zu Punkt B, indem durch
alle Zentren der elementaren Quadrate oder der elementaren Sechsecke
gegangen wird.
- 5/ Bestimmen, für
jeden Vektor des Graphen, eines Wertes, der gleich einer Erhöhung, vermindert
um den Wert des elementaren optischen Weges ist, oder Fortfahren
durch das direkte Suchen nach dem minimalen Weg.
- 6/ Bestimmen des kritischen Weges dieses Graphen, der somit
gleich der Summe der Erhöhungen
minus der Summe der elementaren optischen Wege ist, wobei somit
der gesuchte optische Weg erhalten wird. Es kann auch mit der direkten
Suche nach dem minimalen Weg fortgeschritten werden.
- 7/ Dieser optische Weg entspricht einer linearen Relation zwischen
den elementaren optischen Wegen, das heißt den Werten der Indices jeder
Mini-Zone oder Elementarkachel.
- 8/ erneutes Auflegen des Experimentes für eine große Anzahl, zum Beispiel p gleich
10 000, von Ausgangspunkten Ap und Zielpunkten Bp und es wird somit
eine Anordnung von linearen Relationen erhalten, welche untereinander
die Werte der gesuchten Brechungsindices verbinden.
- 9/ Lösen
durch lineare Algebra der Gleichung, die somit gestellt wird, um
den Realwert der Indices jeder Mini-Zone zu erhalten.
- 10/ somit Verfügen über eine
erste Berechnung der Brechungsindices.
- 11/ Wiederholen des Vorgangs bis zu dem Moment, in dem die erhaltenen
Ergebnisse physikalisch befriedigend sind.
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Anders
ausgedrückt
setzt die Vorrichtung nach der Erfindung eine Methode um, bei der
vorausgesetzt wird, dass über
Informationen über
das Medium verfügt
werden, die das Schätzen
des Brechungsindexes aller Punkte des beobachteten Mediums ermöglichen,
ein wahrscheinlicher optischer Weg zwischen einem Punkt A und einem
anderen Punkt B berechnet wird, was dazu führt, dass eine lineare Relation
zwischen den Indices entlang der Strecke erstellt wird, diese Berechnungen
für eine
ausreichende Gruppe von Punkten Ap und Bp wiederholt werden, woraus
p Gleichungen für
p Punkte gefolgert werden können,
und die Brechungsindices in p Punkten berechnet werden, der Vorgang
bis zu dem Moment wiederholt wird, in dem die Ergebnisse auf geometrischer
Ebene zusammenfallen.
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Tatsächlich soll
bei vielen Anwendungen die Strecke eines Lichtstrahls oder optischen
Weges berechnet werden, um optische Materialien zu verifizieren
oder realisieren, um die oder Objekte oder Hindernisse zu erfassen
oder auch um Bilder zu erstellen.
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Also
hat der Autor in dieser Erfindung auf allgemeine Weise untersucht,
wie die Brechungsindices erstellt werden können, während unzureichende Informationen
beseitigt werden.
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In
einem ersten Schritt wird eine Evaluierung des Brechungsindexes
in jedem der Punkte, zum Beispiel durch Kenntnis des Mediums, das
ein durch Röntgenscanner,
IRM (Magnetresonanzbilderzeugung) oder Sonographie erhaltenes Bild
ergibt, durchgeführt.
Tatsächlich
besteht eine gewisse Korrelation zwischen dem Abschwächungskoeffizienten
in jedem Punkt, der das Bild zeigt, das zum Beispiel durch Röntgenscanner
(oder anders) erhalten wird, und dem Brechungsindex, insoweit als
das mögliche
Medium, dem eine gewisse Zone des durch den Röntgenscanner oder eine beliebige
andere interne medizinische Bilderzeugungsmethode erzeugten Bildes
entspricht, definiert werden kann. Es ist deutlich, dass die unterschiedlichen
menschlichen Gewebe, Knochen, Fette usw. auf unterschiedliche Weise
auf dem Bild erscheinen.
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In
einem zweiten Schritt kann die Trajektorie zwischen einem Punkt
A und einem Punkt B bestimmt werden, wie dies zum Beispiel in der
hexagonalen Parkettierung und in der Berechnung, die auf die Suche nach
dem optischen Weg in diesen Fall angewendet wurde, gezeigt wird.
Beim Wiederaufnehmen der vorhergehenden Formulierung (siehe S. 4,
Z. 13 bis 16) können
die angegebenen Koeffizienten 1.003 und 1.333, die den beiden angeblich
bekannten Medien entsprechen, durch unbekannte ersetzt werden, was
entlang dem optischen Weg eine Relation ergeben würde, die
sich somit für
den p-ten Strahl zeichnet: 0.5NA + N1.02 + N2.02
+ N3.03 + N4.03 + N5.03 + N6.04 + N7.05 + N8.05 + 0.5B
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Durch
das Herbeibringen einer einfachen Änderung der Variablen, wobei
festgestellt wird, dass die zurückgelegte
Entfernung proportional zur Geschwindigkeit Vp = K/Np ist, was dazu
führt,
dass der Brechungsindex proportional zur Durchlaufzeit Tp einer
gegebenen Entfernung ist, kann eine lineare Relation erstellt werden
zwischen den Nn, die (bis auf weitgehend eine Konstante) proportional
zur Durchlaufzeit sind, und im Falle einer hexagonalen Parkettierung
für den
p-ten Strahl 5NA + ... + O.5NB = Tp
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Tatsächlich entspricht
jedem Brechungsindex eine Lichtgeschwindigkeit und es kann mit der
Zeit zwischen A und B der Wert Tp der optischen Strecke gemessen
werden. Dieser Wert Tp lässt
sich zum Beispiel für
eine Länge
von 10 cm bei einer Durchlaufzeit in der Luft von 0.333 Nanosekunden
beobachten, wohingegen die gegenwärtigen Vorrichtungen das Messen
von Femtosekunden und zwar von Zeiten, die eine Million kleiner
als die Nanosekunde sind, ermöglichen.
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Wenn über p optische
Wege für
p Punkte verfügt
wird, wird durch lineare Algebra die Berechnung des Wertes der Brechungsindices
in allen Punkten gelöst,
vorausgesetzt, dass die optischen Wege in jedem Fall unverändert bleiben.
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Da
nicht sicher ist, ob die erste Evaluierung gut ist, werden die Werte
der zweiten Evaluierung ersetzt, die optischen Wege erneut berechnet,
bis zu dem Moment, in dem sich der Brechungsindex einer berücksichtigten
Zone im Berechnungsvorgang nicht mehr weiterentwickelt im Vorgang
des Berechnens oder auf bequemere Weise durch das Zugestehen, dass
eine ausreichende Präzision
erreicht worden ist, während
die Summe der Entfernungen oder die Summe der Entfernungen, die
die globale Variation zwischen zwei Berechnungsebenen angeben, kleiner
als eine im Voraus bestimmte Schwelle ist.
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Zugestandenermaßen ist
der physikalische Weg praktisch derselbe, wenn die Entfernung zwischen der
evaluierten Zeit und der gemessenen Zeit gering ist. Diese Analyse
der Entfernung kann gegebenenfalls in jedem Schritt vorgenommen
werden und die Validierung der Berechnungen ermöglichen.
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Somit
kann fortgefahren werden, indem der nachstehend erläuterte Algorithmus
verwendet wird, wobei zu zwei Sequenzen von Kreuzabtastungen X und
Y mittels Infrarotlaser (oder einem anderen Lichtlaser) übergegangen
wird. Es wird durch Matrizenverstärkung fortgefahren, um die
Brechungsindices einer Mikro-Zone oder elementaren Mikrokachel ohne
Teilung durch das Quadrat der Brechungsindices der Brechung der Zone
oder Elementarkachel zu evaluieren, wobei jedoch als Wert des Indexes
der Mini-Zone derjenige der Zone genommen wird.
-
Für den Abschwächungskoeffizienten
kehren wir wieder zu den Prinzipien der Teilung durch den Verstärkungsfaktor
K zurück.
-
Durch
die Zugestehung in einer ersten Annäherung, dass die optischen
Wege auf der Basis der evaluierten Brechungsindices erstellt werden
können,
werden die evaluierten Brechungsindices korrigiert, um die quadratischen
Entfernungen zwischen dem anfänglich
geschätzten
Brechungsindex und dem erneut geschätzten Brechungsindex zu minimieren,
wobei die Constraints, welche die reellen Trajektorien ausmachen, berücksichtigt
werden.
-
In
diesem Fall kann auch die Analyse abgeschlossen werden, indem erneut
die Brechungsindices oder die Abschwächungen, wie oben beschrieben,
berücksichtigt
werden, und dies unter Befolgung eines Vorgangs in zwei Schritten:
- 1/ einem Schritt mit einer großen Definition
(zum Beispiel 1 mm)
- 2/ einem Schritt mit einer feineren Definition (zum Beispiel
10 Mikron)
-
Die
hexagonale Parkettierung weist Vorteile auf, die eine Erwähnung wert
sind. Sie deckt die Gesamtheit einer Oberfläche gut ab. Die Entfernung
zwischen zwei zentralen Punkten von benachbarten Hexagonen ist immer
dieselbe. In gewissen Fällen
bei der Suche nach dem optischen Weg eines Punktes Ap zu einem Punkt
Bp kann die Berechnung der Methode der Graphen vereinfacht werden,
indem lediglich jene Vektoren verwendet werden, die unter einem
begrenzten Winkel liegen, was die Anzahl an zu erforschenden Strecken reduziert.
-
Im
Falle der hexagonalen Parkettierung kann entweder jedes Hexagon
in sechs gleichseitige Dreiecke geteilt werden oder es kann eine
erste hexagonale Parkettierung (mit einem Ausmaß von 1 mm) und eine feinere
hexagonale Parkettierung (mit einer Parkettierung von 10 Mikron)
erstellt werden, indem die Informationen genutzt werden, die in
der ersten Phase erhalten wurden, um die zweite zu evaluieren und
um die Indices und die Abschwächungskoeffizienten
der zweiten Phase zu evaluieren. Die Definition eines medizinischen Scanners
ermöglicht
das Unterscheiden der Elemente von ungefähr 1,5 mm3, da sich in einem
einfachen mm3 ungefähr
1 Milliarde Zellen befinden. Es scheint, als ob sich ein Krebs in
drei Phasen entwickelt: einer langsamen Phase bis zum Moment, in
dem das Knötchen
eine kritische Größe von ungefähr 50 Mikron
erreicht, einer Vaskularisierungsphase, wobei der Krebs durch ein
Blutnetz mit dem Organismus verbunden ist, von dem aus er die Aufstellung
erzeugt, einer schnelleren Phase, wobei der Krebs ein wirkliches
Organ wird, das vom Organismus schmarotzt und Abfälle und
gegebenenfalls maligne Zellen in diesen abschiebt.
-
In
diesen Bedingungen reicht die Definition von 1 mm nicht aus, um
einen Krebs in dem Moment zu definieren, in dem er dank der Vaskularisierung
ein gefährliches
Wachstum in Gang bringt.
-
Eine
Verbesserung der Definition um einen Faktor 10 durch die herkömmlichen
Verfahren brachte folgendes mit sich: die Multiplikation um 1 000
der Anzahl an Abtastungen mit einem Röntgenstrahl, also Bestrahlung,
die Multiplikation um 1 000 der Kosten der Computerbehandlung.
-
Eine
erste Aufgabe besteht im Verringern der Anzahl an Abtastungen und
daher der Bestrahlungsrate. Somit ist also die Suche nach einem
Behandlungsvorgang des schnellsten Bildes nötig. Ein derartiger Vorgang kann
auf dem mathematischen Algorithmus fundieren, dessen Prinzip weiter
unten dargelegt wird.
-
Zunächst sei
also an die Prinzipien der Skanographie und den Stand der Technik
erinnert.
-
Die
Skanographie (oder Computertomographie) wurde von einem Ingenieur
der Firma EMI, G. N. Hounsfield im Jahre 1968 entdeckt. Das Patent
(
US 3 924 131 ,
US 3 919 552 ) aus dem Jahre
1972 trägt
den Titel: „A
method and apparatus for examination of a body by radiation such
as X oder gamma-radiation".
Diese Erfindung brachte ihrem Erfinder im Jahre 1979 den NOBEL-Preis
ein. Das Prinzip ist das Folgende:
Ein Röntgenstrahl tastet eine definierte
Ebene ab, überquert
ein Organ auf lineare Weise und trifft auf eine Platte oder einen
Röntgendetektor
auf. Der Durchgang durch das Organ ruft eine Abschwächung des
Strahls hervor, dessen Messung dank des Detektors erfolgen kann.
Die Abtastung auf kreuzende Art und Weise auf der Schnittebene erzeugt
eine Reihe von Informationen, die von angemessener Software auf
einem angeschlossenen Computer behandelt werden.
-
Die
Computerbehandlung einer ausreichenden Anzahl an Kreuzabtastungen,
welche tatsächlich
kleine Zellen oder elementare Zonen definieren, ermöglicht die
Auflösung
einer Gruppe von linearen Gleichungen, vorausgesetzt, dass die Anzahl
an Abtastungen gleich der Anzahl an Zellen ist.
-
Die
Edition und Verwendung der Informationen erfolgen mittels eines
angeschlossenen Computers. Der Computer sammelt die Gruppe von Daten
und berechnet somit den Wert des Abschwächungskoeffizienten jeder elementaren
Zone. Die aus den Berechnungen resultierenden Informationen werden
von einer Karte der Ebenen des Tomographieschnitts übersetzt.
-
Die
Gruppe an Karten macht den Bildscanner in drei Dimensionen der Analyse
aus, was Längs-
oder Querschnitte ermöglicht.
Die medizinische Interpretation stützt sich somit auf ein wirkliches
inneres Bild der Gewebe. Den Forschungen waren andere Forschungen
vorausgegangen oder wurden durch diese vervollständigt, zum Beispiel die Ultraschalluntersuchung
oder die Magnetresonanzbilderzeugung.
-
Der
Scanner und die Methoden, welche er auslöste, bleiben ein wichtiges
Werkzeug der medizinischen Forschung. Heutzutage werden Volumen
jeder elementaren Zone im Bereich von mm3 erreicht.
Dennoch liegt dies noch weit entfernt vom mikroskopischen Maßstab, da
die Anzahl an lebenden Zellen im Bereich von einer Milliarde in
einem mm3 liegt.
-
Die
frühe Erkennung
von Krebs setzt eine bedeutende Zunahme der Definition voraus. Jedoch
kann die Verwendungszeit des Systems für einen bestimmten Patienten
keine offensichtliche wirtschaftliche Schwelle überschreiten.
-
Somit
ermöglicht
die Kombination von Geräten
mit feiner Abtastung, die mit Füllbefehlen
von sehr geringer Dimension verbunden sind, welche auf hochpräzise Weise
positionierbar und veränderbar
sind, mit einer Computerbehandlung, welche eine annehmbare Evaluierung
der Werte des Abschwächungskoeffizienten
jeder elementaren Mikro-Zone ermöglicht,
das Teilen durch einen bedeutenden Faktor der Anzahl an Strahlen, also
der Anzahl an zu speichernden Profilen, wobei gleichzeitig die Definition
von einem mm bis 10 oder 20 Mikron beträgt, ohne dass ein prohibitives
Strahlungsniveau erreicht wird.
-
Zur
Untersuchung einer Zone von 20 × 20
cm bei einer Definition von 1 mm, wie dies gegenwärtig praktiziert
wird, werden die relativen Abschwächungskoeffizienten zu 200 × 200 Punkt
erhalten, wobei 40 000 Punkte die Erstellung von 40 000 Profilen
erfordert. Wird das Erhalten einer Definition von 10 Mikron erwünscht, muss über Werte
der Abschwächungskoeffizienten
mit einer Anzahl von Punkten verfügt werden, die 10 000 Mal mehr
betragen, das heißt
400 Millionen Punkte, und dem Patienten eine letale Bestrahlungsrate zugefügt werden,
dies führt
jedoch zu Verzögerungen
und prohibitiven virtuellen Kosten, übrigens ungeachtet des verwendeten
Verfahrens, sei es Echographie oder Magnetresonanz.
-
In
dem hier dargelegten Verfahren ist das Umsetzen von 40 000 Profilen
vorgesehen, um das Bild mit geringer Definition zu erhalten, mehr
als 40 000 zusätzlichen
Profilen zur Kreuzabtastung mit hoher Definition, das heißt insgesamt
80 000 Profile anstatt 400 Millionen, das heißt eine Teilung durch 5000
der Anzahl an Profilen und der damit verbundenen Bestrahlung.
-
Es
gilt jedoch immer noch, das Problem der Behandlung des Signals und
der Werte, mit denen es verbunden ist, zu lösen.
-
Den
Autor bewegte es also zur Aufstellung von Methoden zur Behandlung
des Signals und der Informationen im Hinblick auf das Lösen des
bestimmten Problems bezüglich
der Evaluierung der Glieder einer rechteckigen Matrix, die für die Profile
eines Schnitts eines bestimmten Flächeninhalts stehen, welcher
von eine Scanner untersucht werden, während über angenäherte Abschätzungen relativ zu jedem Glied
verfügt wird,
aber über
präzise
Informationen betreffend der Summe jeder Zeile oder Spalte der Matrix.
-
Es
wurden mehrere Methoden aufgestellt und erforscht, um das Problem
zu lösen,
das in unterschiedlichen Zusammenhängen der Bilderzeugung angetroffen
wird. Die Forschungsarbeiten führten
zu einer Originalmethode, die eine bedeutende Vereinfachung des
Berechnungsvorgangs im Hinblick auf das Erhalten des gesuchten Bildes,
das durch eine rechteckige Matrix dargestellt ist, ermöglicht.
-
Sie
ermöglicht
im Falle der medizinischen Bilderzeugung das Einschränken der
Anzahl an zu realisierenden Profile.
-
Diese
Methode, die hier dargelegt wird, ermöglicht im Grunde das Erzeugen
von Matrizen mit größerem Ausmaß durch
eine Verteilung oder eine Extrapolierung der Werte jedes Gliedes
oder jeder Zone einer anfänglichen
Matrix mit geringer Definition, um geschätzte Werte in den Mikro-Zonen
zu erhalten, die aus der Aufteilung jedes Gliedes oder jeder Zone
der anfänglichen
Matrix resultiert.
-
Somit
wird eine verstärkte
Matrix erhalten.
-
Diese
verstärkte
Matrix wird somit mittels eines Berechnungsverfahrens angepasst,
welches auf verlässliche
Weise das Evaluieren jedes Gliedes ermöglicht, wenn die Werte der
Randelemente erstellt werden können,
wobei ein Randelement die Summe der Glieder einer Zeile oder einer
Spalte ist.
-
In
diesem Fall kann zum Beispiel von einer Matrix 5×4, die 20 Glieder enthält, zu einer
Matrix 25×20, die
500 Glieder enthält, übergegangen
werden, wobei danach jedes der Glieder durch das dargelegte Verfahren
berechnet wird.
-
Somit
gibt es Verstärkung
und Anpassung der anfänglichen
Matrix, die für
die erhaltenen Signale zur Realisierung unterschiedlicher Profile
repräsentativ
ist.
-
Die
Beschreibung des Anpassungsverfahrens wird anschließend dargelegt,
wobei dieses Verfahren eine bestimmte Rolle bei der Berechnung spielt,
die gegebenenfalls nach dem Erhalten einer Matrix mit großem Ausmaß aus einer
anfänglichen
kleinerer Matrix erfolgt.
-
Die
nachfolgende Beschreibung erläutert
also die Methode zur Berechnung der eigentlichen Anpassung nach
der Erfindung. Diese Methode spielt eine wichtige Rolle bei der
Behandlung von Signalen, die aus der Messung, durch die Röntgendetektoren,
der Intensität
oder des Restwertes des elementaren Strahls, der durch die Röntgenstrahlenvorrichtung
erzeugt wurde, nach dem Durchgang durch den zu untersuchenden Organismus.
-
Wenn
eine Matrix mit den Ausmaßen
n Zeilen und m Spalten behandelt werden soll
wenn Bij als der
geschätzte
Wert in Zeile i und in Spalte j bezeichnet wird
wenn Cij als
der wahrscheinlichste Wert des Gliedes, das der Matrix entspricht,
bezeichnet wird
wenn pj als die Summe der Glieder der Spalte
j bezeichnet wird
wenn cj als die Summe der Glieder der Zeile
i bezeichnet wird.
-
Die
Abschätzung
von Bij resultiert entweder im Vorgang der Matrizenverstärkung, oder
in einer anderen Methode, die eine derartige Abschätzung ermöglicht,
insbesondere ausgehend von Techniken der linearen oder polynomischen
Anpassung.
-
Im
vorliegenden Fall wird nach der Lösung der Werte von Cij gesucht,
wobei die Constraints der Zeilen und Spalten berücksichtigt werden, das heißt das Minimum
der Funktion:
Σ(Cij – Bij)2 für
alle Werte von i und von j
unter den Constraints:
ΣCij = ρj f ür alle Werte
von j
ΣCij
= ci für
alle Werte von i
-
Die
Suche nach einem Minimum der Funktion unter Constraints erfolgt
durch das Verwenden der Methode der Multiplikatoren von Lagrange,
die Lagrangefunktion schreibt sich wie folgt: L
= –Σij(Cij – Bij)2 + Σmj=1 λj(Σni=1 (Cij – ρj)) + Σni=1 μi(Σmj=1 (Cij – ci))
-
Diese
Funktion setzt sich aus zwei Teilen zusammen, einem ersten, der
kein niedrigstwertiges Zeichen aufweist, und dem zweiten, der eine
Gruppe von linearen Relationen ist.
-
Die
Lagrangefunktion ist also für
die Variablen Cij und λj
und μi ableitbar,
Multiplikatoren von Lagrange, die mit den Constraints der Zeilen
und Spalten verbunden sind (es sind tatsächlich zwei Constraint-Gruppen vorhanden,
die Constraints der Zeile und die Constraints der Spalte).
-
In
diesen Bedingungen kann eine Gruppe von linearen Relationen bezüglich den
Cij durch Ableitung der Lagrangefunktion und einer Gruppe von Werten
der relativen Relationen zu den Werten der Constraints erhalten
werden, wobei sich dies wie folgt schreibt:
Genau bezeichnet
dL/dCij eine teilweise Ableitung der Funktion L für die Variable
Cij. dL/dCij = –2(Cij – Bij) + λj and μi = 0 (1)und die Constraints
Σni=1 Cij = ρj für alle j
Σmj=1 Cij = ci für alle i
(1) ⇔ Cij = Bij
+ (λj + μi)/2
-
Die
Gruppe von n·m
Relationen, die den teilweisen Ableitungen entspricht, plus die
n + m Relationen der Constraints ist linear und erlaubt lediglich
eine Lösung,
die den nm + n + m Variablen entspricht.
-
Wenn
zum Beispiel eine Matrix behandelt werden soll, wobei n, die Anzahl
an Zeilen, gleich 25 ist und m, die Anzahl an Spalten, gleich 30
ist, besteht die Lösung
durch lineare Algebra im Behandeln von:
750 Variablen Cij
25
Variablen, die den Multiplikatoren der Zeilen entsprechen, μi
30
Variablen, die den Multiplikatoren der Spalten entsprechen, λj
-
Eine
erste Aufgabe ist bereits erfüllt,
da lediglich 55 Profile anstelle von 750 erstellt werden müssen
-
Es
werden insgesamt über
750 Relationen verfügt,
die den teilweisen Ableitungen entsprechen, und über 55 Relationen, die den
Constraints entsprechen, und dies für 805 Variablen. Die Auflösung dieses
Problems durch das Verwenden der Matrixberechnung ist die offensichtlichste
Lösung,
jedoch impliziert sie schwere, etwas schwerere Berechnungen als
jene, die mit den klassischen Methoden einhergehen. Der Autor rechnete
zunächst
mit der schnellen Verbesserung der Berechnungsvorgänge, aber über sein
wichtiges Ziel der Einschränkung
der Bestrahlungsraten während
der Untersuchung hinaus.
-
Diesbezüglich kann
ein Scanner betrieben werden, der die Bestrahlung einschränkt aber
der zusätzliche
Kosten aufgrund der Berechnung, die durch die oben erläuterte Methode
erzeugt wird, mit sich bringt.
-
Wenn
diese Methode wirklich eine bedeutende Einschränkung der Bestrahlung (oder
der Echographiebehandlung) ermöglicht,
bringt sie einen Berechnungsvorgang mit sich, der ebenso schwer
ist wie die klassischen Methoden zum Erhalten einer Abschätzung, die
gewiss im Allgemeinen unzureichend ist, aber ohne auf präzise Werte
des Abschwächungskoeffizienten
zuzugreifen.
-
Es
war daher wichtig, die Forschungsarbeiten fortzuführen, um
zu versuchen, die Berechnungszeit zu verbessern.
-
Es
wurden unterschiedliche Algorithmen verwendet, die eine gewisse
Verbesserung ermöglichten,
jedoch führte
der Autor seine Forschungsarbeiten weiter, um zu versuchen, die
Berechnungszeit bedeutend zu verbessern.
-
Aus
der Kombination der vorhergehenden Relationen kann folgendes abgeleitet
werden:
aus diesen Relationen kann
folgendes abgeleitet werden:
-
In
diesen Bedingungen wird unter Übertragung
von zum Beispiel des Wertes λj
auf μi folgendes
erhalten:
-
Durch
Präzisierung,
dass μ
– =
(i/n)Σ(i
= 1 bis n), wobei μ das
Mittel der Multiplikatoren ist, die mit dem Constraint der Zeilen
verbunden sind, werden die folgenden zwei Relationen erreicht:
-
In
diesen Bedingungen, unter Übertragung
in die Relation:
Cij = Bij + (1/2)·(λj + μi), wird die Algebrarelation
erreicht.
-
Diese
Formel der Anpassung ermöglicht
das Ableiten der Matrix der Cij von der Matrix der Bij durch eine
Berechnung von Glied zu Glied
-
Dem
Autor gelang somit auf vollständig überraschende
Weise das Erreichen einer Algebraberechnung, die keiner Matrixberechnung
bedurfte.
-
Die
Algebramethode autorisiert die teilweise Behandlung der Referenzmatrix,
die in vielen Fällen
ausreichen kann.
-
Die
numerische Validierung dieser Formel zur Behandlung von Signalen
und zur Erstellung der Definitionswerte des gesuchten Bildes auf
medizinischer Ebene ist unten erkenntlich.
-
Anwendungsbeispiel der Methode am Modellversuch.
-
Gegeben
ist also eine Matrix mit n Zeilen und m Spalten, wobei n = 3, m
= 4 TABELLE 1 ANFÄNGLICHE MATRIX
| | 1 | 2 | 3 | 4 | Σ Zeilen | C |
| 1 | 22 | 24 | 18 | 16 | 80 | 78 |
| 2 | 24 | 22 | 18 | 20 | 84 | 85 |
| 3 | 26 | 20 | 22 | 24 | 92 | 93 |
| Σ Spalten | 72 | 66 | 58 | 60 | 256 | |
| P | 70 | 67 | 59 | 60 | | 256 |
-
In
dieser Matrix sind die geschätzten
Werte auf den drei Zeilen und den vier Spalten eingeschrieben, die
Constraints der Zeilen sind in der Spalte C eingeschrieben.
-
Die
Constraints der Spalten sind in der letzten Zeile P eingeschrieben.
-
Die
Anwendung der obigen Formel lässt
sich vereinfachen, da die Gesamtzahl der Constraints der Spalten
(oder Zeilen) gleich der Summe der Glieder ist und führt zu: AUSGLEICHSTABELLE NACH DEN BERECHNUNGEN
| | 1 | 2 | 3 | 4 | Σ2 | C | Δ |
| 1 | 22.83333 | 23.83333 | 17.8333 | 15.5 | 78 | 78 | 0 |
| 2 | 235833 | 22.58333 | 18.5833 | 20.25 | 85 | 85 | 0 |
| 3 | 25.5833 | 20.5333 | 22.583 | 24.25 | 93 | 93 | 0 |
| Σ2 | 70 | 67 | 59 | 60 | 256 | | |
| P | 70 | 67 | 59 | 60 | | | |
| Δ | 0 | 0 | 0 | | | | |
-
Unter
Berücksichtigung
der mit einem einfachen Rechner durchgeführten Berechnungen, kann verifiziert
werden, dass der Wert der vertikal oder horizontal summierten Glieder
den Constraints entsprechen, jedoch auch, dass sie zu den gesuchten
Ergebnissen führen.
Sollte das Verwenden der linearen Algebra gewünscht werden, um das Problem
zu lösen,
müsste
somit eine Matrix mit einer Größe von n·m + n
+ m, das heißt
in unserem Fall 19 × 19,
deren Berechnungszeit offensichtlich länger ist, umgekehrt werden.
-
Die
derart entdeckte Methode ermöglicht
eine Reduzierung der Berechnungszeit in einem bedeutenden Verhältnis (in
derselben Größenordnung
wie die Reduzierung der Bestrahlungsrate).
-
Als
Beispiel, für
eine Matrix von 200 × 200,
die eine Behandlung mit linearer Algebra, in Stunden messbar, erfordern
würde,
werden in weniger als 2 Sekunden die Werte von 40 000 Gliedern erhalten,
ihre Übersetzung
in gefärbter
Form und die Konstruktion der Zeilen der Iso-Abschwächung.
-
Wie
vorhergehend dargelegt, gibt es bei der Verwendung jedes beliebigen
anderen optischen Systems auf dem Gebiet der Frequenzen oder Wellenlängen nahe
des Sichtbaren oder von Infrarot das Problem der Brechung der Lichtstrahlen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung löst dieses Problem.
-
Es
können
also die beiden folgenden Methoden kombiniert werden:
- – die
Methode zur Berechnung des optischen Weges für mehrfache Abtastungen, wobei
somit der optische Weg zwischen zum Beispiel einem Punkt A und mehreren
Punkten B1, B2, B3 usw. erhalten wird, wobei jedem optischen Weg
eine Gleichung entspricht, welche die Brechungsindices der durchquerten
Medien verbindet. Wenn die Abtastungszahl ausreicht, wird eine präzise Evaluierung
der Brechungsindices jeder Mini-Zone im Inneren des Objektes des
mittels Computertomographie untersuchten Objektes erhalten.
- – die
Methode der Verstärkung
und Anpassung der Matrix, wie sie für den Röntgenscanner verwendet wurde,
wobei sie das Verbessern der Auflösung des Systems im Hinblick
auf das Erhalten eines geeigneten Wertes der elementaren Brechungsindices
jeder Mikro-Zone, der aus der Aufteilung der Mini-Zonen durch das
Verfahren der Verstärkung
der Matrix resultiert, ermöglicht.
Somit wird ein Bild mit hoher Definition erhalten, das Brechungsindices
jeder Mikro-Zone und die entsprechenden Absorptions- oder Abschwächungskoeffizienten
bereitstellt. Sobald die Brechungsindices in allen Punkten bekannt
sind, wird tatsächlich
die verbleibende Lichtintensität
am Ende jeder Trajektorie gemessen und die Singularitäten werden
mit den vorher beschriebenen Methoden lokalisiert, die analog zu
denjenigen sind, die für
den Röntgenscanner verwendet
wurden, um nicht nur ein Bild der Brechungsindices zu erhalten,
sondern auch ein Bild der Abschwächungskoeffizienten.
-
Das
Lesen dieses Bildes kann die Bedienungsperson über die Singularitäten, die
sich im Inneren des untersuchten Objektes befinden, informieren,
entweder durch eine Zweidimensionsuntersuchung oder durch eine Dreidimensionsuntersuchung,
indem mehrere Densitometerebenen aufeinanderfolgend behandelt werden.
-
Nachfolgend
werden zwei Ausführungsformen
einer Vorrichtung nach der Erfindung beschrieben. Es sind zwei Systeme
vorgesehen, die sich im Grunde durch die Verschiebungsform des Laserstrahls
auf einer Tomographieebene unterscheiden. In beiden Fällen wird
vorzugsweise ein YAG NEODYNE Laser mit einer Wellenlänge von
1,064 Mikron oder ein YLF Laser mit einer Wellenlänge von
1,110 Mikron verwendet. Die Energie je Puls liegt zwischen 5 und
10 Millijoule. Der Strahl weist ein durch das optische System modifizierbares Ausmaß auf, das
zwischen 1 und 5 Mikron variiert werden kann. Die Dauer des Pulses
liegt zwischen 1 und 5 Nanosekunden. Sie hängt insbesondere von der Reaktionszeit
der Photolesezellen ab. Wenn die Reaktionszeit der Photozellen im
Bereich der Mikrosekunde liegt, sollten Pulszeiten in derselben
Größenordnung
vorgesehen werden und infolgedessen die Energie des Strahls angepasst
werden. Der Laser kann mehrere Kilogramm schwer sein.
-
Es
wird ebenfalls die Verwendung einer Glasfaser vorgesehen, die in
der Nähe
des zu untersuchenden Objektes verschiebbar ist, wobei sie von einem
Stab getragen wird, der selbst auf einer Rampe ausrichtbar und verschiebbar
ist. Für
die präzisen
Forschungen wird das Erstellen eines ebenen Strahls aus Glasfasern vorgesehen,
wobei der Strahl selbst verschiebbar und ausrichtbar ist.
-
Ein
erstes System sieht vor, dass der Laser für jede Ebene eine feste Position
aufweist und die Verschiebung des Strahls wird dank einem Spiegel
vorgenommen, der auf einer Rampe verschiebbar ist und durch Drehung
in jedem Punkt seiner Position auf der Rampe ausrichtbar ist. Ein
zweites System sieht vor, dass der Laser sich auf der Rampe verschiebt
und durch Drehung in jedem Punkt auf der Rampe ausrichtbar ist.
-
Die
Ansicht des ersten Systems ist in 3 ersichtlich.
In dieser Figur bezeichnet 30 einen Boden, 31 eine
Verkeilung der Stützfüße des Tisches, 32 Stützwalzen, 33 Schieberohre, 35 Teflontorusse,
die das Filtern der Vibrationen ermöglichen, 34 eine Stützplatte,
die aus nicht verformbarem Material aus steifem Metall, Granit oder
Marmor, gebildet ist, um jegliche verbleibende Vibration auszufiltern
oder abzudämpfen, 36 eine
Befestigung des Lasers auf einer Platte, 37 eine Laserröhre, 38 einen
ausrichtbaren Spiegel, 39 eine Befestigung des Trägers auf
der Stütze, 41 eine
Detektionsplatte, die sich aus photoelektrischen Zellen zusammensetzt, 42 eine
horizontale Schiene des Trägers, 40 eine
Schutzplatte der Zellen, um die Überbelichtung
zu verhindern, 43 einen Stab zum Stützen des Spiegels, 44 ein
zu untersuchendes Objekt, 45 oder 46 einen einfallenden
Laserstrahl, 45' oder 46' einen parallelen
Laserstrahl, 47 eine Stützplatte
des zu untersuchenden Objektes, die drehbar, verschiebbar und gegenüber den
Infrarotstrahlen transparent ist, und 48 einen Träger.
-
Der
Betrieb ist wie folgt. Die Stützplatte 47 wird
auf der gewünschten
Höhe platziert,
indem im Inneren der Stützwalze 32 das
Schieberohr 33 und ein Stützplättchen der O-Ringe 35 verschoben
wird. Das Schieberohr 33 ist mit der Stützwalze 32 lediglich über den
O-Ring 35 aus Teflon in Kontakt, was praktisch jegliche Vibration
hinausfiltert. Der Befestigungsstab 43 des Spiegels 38 wird
bis zur erforderlichen Position verschoben und der Spiegel 38 und
der Laser 37 werden ausgerichtet, sodass der einfallende
Laserstrahl 45 wie gewünscht
ausgerichtet ist.
-
Unterschiedliche
Abtastungsprogramme ermöglichen
das Erhalten von Profilen p mit niedriger Definition oder mit k·p = X
+ Y Strahlen in zwei überkreuzten
Reihen für
eine hohe Definition. Im ersten Fall liegt die Elementarfläche jeder
Zelle oder elementaren Mikrokachel im Bereich des mm2. Im zweiten
Fall kann die Größe der Elementarzelle
im Bereich von 100 Mikron liegen und bis auf einen Mikron fallen
(praktische Grenze unter Berücksichtigung
der Wellenlänge).
-
Um
die gewünschte
Definition zu erhalten, wird der Strahl durch eine Optik geschickt,
die in der Laserröhre
integriert ist, wobei die Zunahme ihres Durchmessers am zu untersuchenden
Objekt bis zu 1 mm oder die Reduzierung auf einen Mikron ermöglicht wird.
-
Im
Falle von geringen Durchmessern kann auf zwei Arten vorgegangen
werden, entweder gleichzeitig oder nicht, indem der Betrieb geschöpft wird,
damit die Dauer eines Pulses derart reduziert ist, dass die thermischen
Einwirkungen auf das zu durchquerende Objekt oder auf die photoelektrischen
Zellen des Detektormittels oder durch das Einführen einer Vorrichtung zur
Absorption der Infrarotenergie 40 gesenkt werden. Die Durchführung einer
Tomographieebene erfolgt somit folgendermaßen:
Als Erstes wird der
Strahl eingestellt und die Detektorplatte zum Betrieb von zum Beispiel
bei einer Definition von einem mm angepasst, und es wird ein Abtastungsprogramm
definiert, um eine Anzahl an Profilen gleich der Oberfläche in mm2
des Schnitts des Objektes definiert, und es wird das Abtastungsprogramm
ausgeführt, indem
auf den angeschlossenen Computer die auf den Zellen erhaltenen Ergebnisse übertragen
werden.
-
Als
Zweites wird der Strahl und die Detektorplatte zum Erhalten der
gewünschten
hohen Definition eingestellt und es wird in Abhängigkeit der zu erforschenden
Zone im Teilabschnitt des Objektes, des Winkels (im Allgemeinen
rechten Winkels) zwischen den zwei Abtastungen mit hoher Definition,
die parallel oder nicht parallel mit hoher Definition sind, der
Lichtdurchlässigkeit
des Objektes zur Einstellung der Dauer der Pulse und der möglichen
Absorption, ein Kreuzabtastungsprogramm erstellt.
-
Die
Daten, die hinsichtlich der Zellen erhalten wurden, werden auf den
Computer übertragen,
der die Behandlung durchführt
und die Ergebnisse lagert.
-
Als
Drittes werden die Ergebnisse der Berechnung verwendet, um dank
einem Grapher, der Grau- oder Farbmaßstäbe oder nicht verwendet, ein
Bild von jeder Tomographieebene erscheinen zu lassen.
-
Die
Verwendung des vorher dargelegten Algorithmus erfolgt in identischen
Bedingungen. Das so verwendete Verfahren ermöglicht eine sehr bedeutende
Einsparung der Berechnungszeiten im gleichen Verhältnis, wie
zu denjenigen, die für
den Röntgenscanner
erhalten wurden.
-
Im
gewählten
Modus schwenkt der Spiegel 38 um eine Drehachse sowie den
Laserstrahl, sodass parallele durchquerende Strahlen 46 und 46' erhalten werden.
Der Spiegel könnte
in einer ausreichenden Entfernung verschoben werden, um zwei Reihen
X und Y von Profilen k·p
zu erhalten, sodass in jeder Reihe die durchquerenden Strahlen zueinander
parallel verlaufen und dass sich die zwei Reihen schneiden.
-
Das
Volumen einer Singularität
C kann erhalten werden, indem einfach auf einer gegebenen Ebene die
kleinen Quadrate, die einen gewissen Grad an Färbung aufweisen, gezählt werden,
dann die auf den benachbarten Ebenen und für die benachbarten Zonen zwischen
zwei begrenzten durch die Beobachtung definierten Ebenen erhaltenen
Zahlen hinzugefügt
werden.
-
Die
Basis von Daten, die aus der Gruppe von Ergebnissen relativ zu den
unterschiedlichen Ebenen zusammengesetzt ist, ermöglicht das
Hervorheben der schwarzen Zonen, die aus der absoluten Lichtdurchlässigkeit
gewisser Einschließungen
resultieren, welche das Wahrnehmen gewisser derart versteckter Zonen verhindern.
-
Zur
Belichtung dieser Zone kann auf zwei Arten vorgegangen werden, mindestens
das zu untersuchende Objekt drehen zu lassen, um mehrere Bilder
unter verschiedenen Winkeln zu erhalten, nachdem die mikroskopischen
Kennzeichnungselemente platziert wurden, um ein vollständiges Bild
zu rekonstituieren, oder den Träger 48 drehen
zu lassen, um Bilder der versteckten Zonen zu erhalten.
-
In
beiden Fällen
muss das zu untersuchende Objekt auf der Platte 47, die
transparent ist und um eine Achse drehen kann, platziert und gegebenenfalls
befestigt werden.
-
In
diesem ersten System wird die Reflexion durch den Spiegel für gewisse
Wellenlängen
schwierig, wobei Lichtenergieverluste erfolgen, die mit dem Reflexionswinkel
variieren können,
was die Berechnung komplizierter gestalten kann, indem komplexere
Referenzmessungen nicht in Anwesenheit des Objektes erforderlich
sind.
-
Dahingegen
wird die Drehung und Translation des Spiegels 38 durch
sein geringes Gewicht weitgehend erleichtert und erfordert daher
lediglich die Piezostellelemente mit geringer Stärke.
-
Die
Ansicht des zweiten Systems erscheint in 4, wobei
die gleichen Bezugsziffern jeweils dieselben Elemente bezeichnen.
Bezugsziffer 49 bezeichnet einen Rahmen.
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Der
Betrieb ist wie folgt.
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Die
Stützplatte 34 wird
auf der gewünschten
Höhe platziert,
indem im Inneren der Stützwalze 32 das Schieberohr 33 und
ein Stützplättchen der
O-Ringe 35 verschoben wird. Die Stützplatte 47 des zu
untersuchenden Objektes wird unter dem gewählten Winkel positioniert.
Dann wird auf dieselbe Weise wie für das erste System fortgefahren.
Zur Darstellung der Abtastungen wird auf 18 Bezug
genommen, die die Verschiebung des Strahls 37 auf Entfernung
zu einer ersten Position und die Wahl einer neuen Neigung des Strahls 37 zum
Erhalten von zwei überschneidenden
Abtastungen gezeigt wird. Die Strahlen 45 und 45' sind parallel
zueinander in jeder der Abtastungen.
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Im
zweiten System erfordern die Translation und die Drehung des Laserstrahls
(37) stärkere
Stellelemente. Auch in diesem Fall erfolgt die Verwendung des vorher
dargelegten Algorithmus mit demselben Vorteil. Das so verwendete
Verfahren ermöglicht
eine sehr bedeutende Einsparung der Berechnungszeiten im gleichen
Verhältnis,
wie zu denjenigen, die für
den Röntgenscanner
erhalten wurden.
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Es
kann wahrgenommen werden, dass die Abschwächung im Falle von Infrarot
in mehreren Phänomenen
resultieren kann, wie etwa einer Reflexion im Inneren des Objektes,
eine Brechung in den genauen Zonen und die Absorption der Infrarotenergie,
die in Wärme
umgewandelt ist.
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Daher
ist es wichtig, nach Möglichkeit
ebenfalls die Erhöhung
der Temperatur in unterschiedlichen Zonen zu messen, um die unterschiedlichen
Abschwächungsquellen
zu unterscheiden.
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Somit
ist die Beschaffenheit des Objektes wichtig, und die Möglichkeit,
das Objekt für
verschiedene Messungen drehen zu lassen, ermöglicht das Erhalten von nützlichen
Informationen zur Evaluierung der Fehler, die aus der Reflexion
oder Brechung resultieren, wobei diese von der Wellenlänge und
dem entsprechenden Brechungsindex für die unterschiedlichen Materialien
abhängen.
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Um
die Reflexionsphänomene
zu verhindern, wird das Ablagern durch Verdampfung unter Vakuum
einer dünnen
Schicht aus Material mit geringem Index auf einer Folie aus sehr
dünnem
Kunststoffmaterial und das Umhüllen
des Organismus mit dieser Folie 50 vorgesehen.
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Was
die Refraktion betrifft, in diesem Fall die Verwendung eines Lasers,
das heißt
von kohärentem Licht,
kann das Phänomen
anders sein, wenn ein nicht kohärentes
Licht verwendet wird, jedoch liegt eine gewisse Refraktion vor,
die verringert werden soll, 5, indem
der Organismus oder das Objekt 44 zwischen zwei transparenten
Platten 47 und 51 angeordnet wird, wobei eine
der Platten die in den Beispielen beschriebene Stützplatte,
die in den 25 und 26 dargestellt
ist, bildet, wobei sie mit Antireflexschichten beschichtet ist,
um die Reflexion zu verhindern, und die rigoros parallel sind, um
die Refraktion, die sie hervorrufen können, einzuschränken.
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Somit
autorisiert die Kombination der beiden Systeme, Röntgenscanner
oder Infrarotlaserscanner, eine Verbesserung der Qualität des Bildes
und seiner Definition.
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In
den beiden Infrarotscannersystemen, die hier beschrieben sind, ermöglicht aber
das Verfahren nach der Erfindung das Verringern der Anzahl an Profilen,
die mit Infrarotlaser umgesetzt werden sollen, in Verhältnissen
wie für
die hohen Definitionen, dass die Erhöhung der Temperatur steuerbar
bleibt, indem somit eine abnormale Erwärmung des Objektes oder des
Organismus, der studiert wird, umgangen wird, oder wenn der durchquerte
Körper
Zonen umfasst, deren Brechungsindices benachbart sind.
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Wie
bereits erläutert,
bleiben die Berechnungszeiten in den Grenzen der normalen Mittel
zur Behandlung der Informationen.
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Die
erste Anwendung ist von therapeutischer Art. Tatsächlich kann
ein Krebsknötchen
oder eine Gruppe von Zellen zerstört werden, indem die Strahlung
eines Infrarotlasers mit sehr hoher Energie fokussiert wird, aber
während
einer sehr kurzen Zeit betrieben wird, um ein Ziel zu zerstören, aufgrund
des Anstiegs der Temperatur der Zone, die um den Brennpunkt liegt.
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Derartige
Verfahren werden insbesondere in der Ophthalmologie verwendet. Die
Methode kann auf andere Teile des Körpers erweitert werden, wenn
durch das beschriebene Verfahren eine Wiedererkennung erfolgen kann,
sodass eine wirkliche Karte des Brechungsindexes und der Absorptionskoeffizienten
einer bestimmten Wellenlänge
erhalten wird. Es könnte
also auf dem Bildschirm der optische Weg in unterschiedlichen Neigungspositionen
des Strahls simuliert werden und perfekt das Knötchen oder die Gruppe von Zellen,
die erreicht werden sollen, identifiziert werden, wobei dank den
Absorptionskoeffizienten der auf dem Ziel eingesetzten Energie evaluiert
wird.
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Tatsächlich führen die
Abtastung und Anpassung einer Ebene, die sich in einem Objekt befindet,
zum präzisen
Evaluieren der Brechungsindices und der Absorptionskoeffizienten
in jedem Punkt des untersuchten Raums.
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Wenn
diese Erforschung zum Hervorheben einer Singularität wie etwa
einem Blutgerinnsel (und zwar cerebral), Tumor (maligne oder nicht)
führt,
ist es möglich,
schnell zu handeln, um diese Singularität zu zerstören.
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Um
ein derartiges Ergebnis zu erhalten, muss eine angemessene Vorrichtung
eingesetzt werden. Wie in 4 dargestellt,
umfasst diese Vorrichtung einen Träger, an dem ein Abtastlaser
und ein Behandlungslaser angebracht sind, wobei diese beiden Laser
sich entlang dem Träger
verschieben und neigen können,
um den Raum darunter abzutasten. Die beiden Laser funktionieren
vorzugsweise auf derselben Wellenlänge, zum Beispiel im Infrarotbereich
bei 1.064 Mikron, jedoch sind ihre Funktion und ihre Rolle sehr
unterschiedlich. Ein Detektor, der das Messen der restlichen Lichtintensität nach dem
Durchgang durch das Objekt und seiner transparenten Stütze aber
auch der Abweichung, die durch den Durchgang durch das Objekt erfolgt,
ermöglicht. Dieser
Detektor wird im Grunde in der Abtastphase verwendet und kann versteckt
werden, damit die Wirkung des Be handlungslasers, dessen Stärke viel
höher sein
kann, nicht erlitten wird.
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Der
Abtastlaser wird verwendet, um die Brechungsindices in allen Punkten
des Objektes zu bestimmen, wie dies vorhergehend erklärt wurde.
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Der
Behandlungslaser wird verwendet, um sich auf eine Singularität der erhöhten Energie
des Behandlungslasers zu konzentrieren. Dieser Behandlungslaser
ist somit mit einer Optik versehen, welche die Fokussierung ermöglicht.
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Der
Betrieb erfolgt also in zwei Schritten:
Im Laufe eines ersten
Schrittes ermöglicht
der Abtastlaser das Berechnen des Brechungsindexes in allen Punkten
des berücksichtigten
Schnitts, und somit das Verteilen der Singularitäten, die dank den doppelten
Informationen, über
die verfügt
wird, relativ zu den Anomalien der Brechungsindices und den Anomalien
der Abschwächungskoeffizienten
(oder Absorptionskoeffizienten) die Erleichterung der Identifizierung
der Singularität und
deren präzise
Lokalisierung ermöglicht.
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Im
Laufe eines zweiten Schrittes wird der Behandlungslaser auf wiederholende
Weise und durch Fokussieren des Strahles auf die zu zerstörende Singularität verwendet.
Um diese Fokussierung zu ermöglichen, sollten
die optischen Wege, ausgehend von den unterschiedlichen Enden des
Strahls bis zur Singularität,
berechnet werden und dank einer Fokussieroptik, zum Beispiel einer
umstellbaren Linse 110, angepasst werden, der Brennpunkt
des Strahls, damit er sich in der Zone der Singularität befindet,
die Gruppe der Berechnungen der unterschiedlichen optischen Wege
ist umsetzbar, da über
unterschiedliche Brechungsindices verfügt wird. Die absehbare Kenntnis
der optischen Wege ermöglicht
das Anpassen der Fokussieroptik an die Singularität.
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Es
können
ebenfalls andere Wellenlängen
als Infrarot in Abhängigkeit
des zu behandelnden oder zu durchquerenden Mediums verwendet werden.
Es ist sogar möglich,
einen Laser zu verwenden, der über
ein Frequenzenmultiplikationssystem verfügt, wie dies von Danièle ARON
ROSA und Michèle
GRIESSMANN im amerikanischen Patent
US4309998 mit
dem Titel „Process
and apparatus for opthalmic surgery" vorgeschlagen wurde.
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Tatsächlich würden die äußersten
optischen Wege in Abwesenheit des Objektes zu einem virtuellen Brennpunkt
führen.
Das Dazwischenstellen des Objektes verschiebt den Brennpunkt, sodass
er mit der Zone, in der sich der Tumor oder die Singularität befindet,
zusammenfällt.
In vielen Fällen,
in denen der Strahl und die Fokussierlinse koaxial sind, sollte
verifiziert werden, ob die virtuellen optischen Wege bezüglich der
Achse des Strahls symmetrisch sind. Im umgekehrten Fall sollte eine
Translation oder eine Drehung des Lasers simuliert werden, damit
diese Bedingung der Koaxialität
vor der Auslösung
des Strahls verifiziert wird.
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In
diesem Fall des Behandlungslasers wird vorzugsweise ein Gerät verwendet,
das einen Laser mit sehr hoher Energie umfasst, der während einer
sehr kurzen Zeit, zum Beispiel 100 Femtosekunden, und zwar 500 × 10–15,
funktioniert. Wenn die Energie, die konzentriert werden soll, gleich
1 Joule ist, wird die Kraft des Lasers also in Terawatt gemessen.
Wenn das Hervorrufen von Beschädigungen
in den Zonen in der Nähe
der Singularität
umgangen werden möchten,
ist es vorzuziehen, die Strahlen zu wiederholen, zum Beispiel 1500 Mal
in 100 Millisekunden, und den Strahl zum Beispiel um 100 Schritt zu
verschieben, und zwar einen Schritt pro Millisekunde, indem jedes
Mal die Entfernungen von 10 bis 100 Mikron durchbrochen werden.
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Dies
setzt voraus, dass der Träger äußerst schnelle
Schritt-für-Schritt-Verschiebungen
und mit sehr geringer Amplitude ermöglichen kann und dass der Laser
mehrere tausend Mal pro Sekunde kommutiert werden kann. Somit könnte eine
sehr erhöhte
Erhöhung
der Temperatur in einer Zone mit kleinem Ausmaß von 10 bis 100 Mikron hervorgerufen
werden, ohne eine Erwärmung
hervorzurufen, die die Gewebe in der Nachbarschaft dieser Zone stört.
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Die
Anwendung auf einen medizinischen Infrarotlaserscanner ist nur eine
der möglichen
Anwendungen der Berechnung des optischen Weges, der vollständig ist
oder nicht, um gleichzeitig die Brechungsindices und oder die punktuellen
Abschwächungskoeffizienten
zu messen.
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Eine
zweite Anwendung betrifft die Erfassung von Objekten, die in wässrigem
Medium befindlich sind. Es können
tatsächlich
gewisse Wellenlängen
von ungefähr
1.06 Mikron verwendet werden, die vom Wasser kaum absorbiert werden,
um Objekte wie Meerestiere, Taucher oder jedes beliebige andere
Unterwasser-Objekt zu erfassen oder zu beschreiben. Außerdem sollten
in gewissen Fällen
Infrarotlaser mit hoher Energie, die in Terawatt gemessen wird,
während
der sehr kurzen Zeiten, die in Femtosekunden gemessen werden, verwendet
werden.
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Im
Falle der Suche nach Personen in einem See, einem Schwimmbad oder
einem anderen Volumen, das Wasser enthält, kann auf folgende Weise
vorgegangen werden: Ausführen
einer Abtastung mit einem Infrarotlaser, indem durch Reflexion der
Strahl zu einem Detektor zurückgesendet
wird, und indem ein Detektor in einer gewissen Tiefe installiert
wird, oder indem die Reflexion durch das Objekt selbst verwendet
wird.
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Sobald
das Objekt erfasst worden ist, kann eine einzige Infrarotkamera
ausgerichtet werden, um die Art des Objektes zu verifizieren oder
einen Scanvorgang des Raumes, der durch eine Abtastungssequenz,
wie oben beschrieben, untersucht wird, durchzuführen.
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Auf
allgemeinere Weise, wenn zum Beispiel eine Kamera oder ein Infrarotphotoapparat
verwendet wird, kann das Bild gerichtet und verbessert werden, wenn
der optische Weg vom Apparat zum Objekt bekannt ist, um die Verformungen
und die Abweichungen, die durch die Heterogenität der Brechungsindices im Medium erzeugt
werden, zu berücksichtigen.
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Die
Erfassung des Objektes in einem wässrigen Medium durch Sonare
bereitet tatsächlich
das Problem der Schnelligkeit der Verbreitung der Schallwelle, die
im Wasser ungefähr
200 000 Mal weniger schnell ist als eine Lichtwelle oder allgemeiner
eine elektromagnetische Welle.
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Ein
Objekt, das sich schnell, zum Beispiel 30 Meter pro Sekunde in 100
Metern Tiefe bewegt, bewegt sich 6 m, während sich die Schallwelle
hin und zurück
bewegt, und lediglich ein paar hundert Mikron, wenn eine elektromagnetische
Welle verwendet wird.
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Eine
weitere Anwendung betrifft die Erfassung in der Luft. Tatsächlich weist
die Abtastung eines Luftraumes mit Infrarotlaser im Vergleich zu
jeder beliebigen Erfassung mit Schall, aber auch im Vergleich mit Herzschen
Wellen aufgrund der Feinheit des Strahls, der eine bessere Definition
des Bildes ermöglicht
und die Umsetzung einer Bildgebung der Art, wie die in den vorhergehend
erwähnten
Patenten beschriebene, und daher die Wiedererkennung und Identifizierung
der Formen, offensichtlich Vorteile auf.
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Die
Alarmsysteme profitieren auch von den hier erläuterten Techniken, indem sie
das Erfassen jedes beliebigen ungebräuchlichen Objektes ermöglichen.
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Die
Methode zur Suche nach dem optischen Weg lässt sich durch Mitteln gewisser
Anpassungen an die Suche nach dem Weg eines Schallstrahls oder eher
Ultraschallstrahls, anwenden, wobei sie insbesondere auf dem Gebiet
der Krebstherapie durch Ultraschallstrahlen, die auf dem Krebsknötchen, das
durch thermische Erwärmung
zerstört
werden soll, konvergieren, kombiniert werden kann, wobei die Verbreitung
von Schallwellen analysiert werden kann, indem die EDLER-Gleichungen
verwendet werden, die sich für
verschiedene Verfahren eigenen, welche die numerische Berechnung
der Verbreitung einer Schallwelle ermöglichen. Eine Methode, die
der vom Autor beschriebenen ähnelt
und den optischen Weg betrifft, würde auch das Nachziehen des
Schallweges in einem heterogenen Medium ermöglichen, um den technischen
und therapeutischen Ansatz zu vereinfachen.
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Allgemeiner,
insbesondere bei den Ölforschungen,
profitiert die Bodenanalyse weitgehend von den Forschungsarbeiten
bezüglich
des optischen Weges oder des Schallweges.
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Somit
ermöglicht
die Methode zur Berechnung des optischen Weges dank der Erstellung
des Graphen der möglichen
Wege zwischen zwei Punkten, wobei das Finden des optisch minimalen
Weges zwischen zwei Punkten ermöglicht
wird, das Durchführen
mehrerer technischer Vorgänge:
- – dem
Verlauf in einem Medium, dessen Brechungsindices jeder Zone bekannt
sind, um die Absorptionskoeffizienten in allen Punkten zu erhalten
und somit die Einzigartigkeiten zu identifizieren.
- – dem
Berechnen der Brechungsindices in allen Punkten, ausgehend von selbst
unvollständigen
Abschätzungen
dieser Indices, die durch die Kenntnis des Mediums erhalten werden,
das einen Röntgenscanner bereitstellt,
indem eine Gruppe von Laserabtastungen, die die erforschte Oberfläche abdecken,
realisiert wird und diese Abtastungen bei Bedarf wiederholt werden.
- – dem
Realisieren von optischen Bildern mit hoher Definition durch die
Anwendung der beschriebenen Methoden zur Verstärkung und Anpassung, wobei
somit der Einsatz eines Infrarotlaserscanners erleichtert wird.
- – dem
Verwenden der Methode für
die schnelle Erfassung von Anomalien oder präzisen Objekten im flüssigen oder
gasförmigen
Medium.
- – therapeutisch
gesehen, ermöglicht
diese Methode eine präzise
Tätigkeit
zur Zerstörung
von Zellen oder Gruppen von Zellen, die maligne sind oder nicht,
indem das Erstellen des optischen Weges eines Laserstrahls, zum
Beispiel Infrarotlaserstrahls, und dessen Fokussieren auf das Ziel,
das die Zone, die zerstört werden
soll, ausmacht, ermöglicht.
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Da
die Gesetze der Verbreitung von Tönen und die Gesetze der Verbreitung
von Licht ähnlich
sind, kann die Methode mit vorsichtiger Nutzung auf das Verlaufen
des Schallweges im heterogenen Medium ausgeweitet werden. In diesen
Bedingungen kann die Zerstörung
dieser Zellen ebenfalls nach der Zielfestlegung erfolgen, indem
auf der zu behandelnden Zone ein Ultraschallstrahl mit hoher Energie
konvergiert wird, der eine zerstörende
Erwärmung
der gezielten Zellen hervorrufen kann.
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Durch
die ständige
Mittelung der vorsichtigen Nutzung kann die Technik des Verlaufs
des Schallweges durch eine Methode, die derjenigen, die in diesem
Patent beschrieben ist, ähnlich
ist, durch die Bodenanalyse, insbesondere durch die refraktionsseismische
Methode, ebenfalls die Ölforschung
erleichtern.
