DE69227463T2

DE69227463T2 - Verfahren und vorrichtung zur diagnose von lebenden organismen

Info

Publication number: DE69227463T2
Application number: DE69227463T
Authority: DE
Inventors: Eduard Emmanuilovich Suffern Ny 10901 Godik
Original assignee: Dynamics Imaging Inc
Current assignee: Dobi Medical Systems Mahwah Nj Us LLC
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2012-12-12
Also published as: EP0612500B1; WO1993011704A1; DE69227463D1; EP0612500A4; CA2126227C; ATE172623T1; CA2126227A1; US5865167A; EP0612500A1

Description

Die Erfindung gehört in das Gebiet der Physik und Medizin, insbesondere der Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung von Erkenntnissen über physiologische Prozesse im Inneren lebendiger Organismen, und betrifft ein Verfahren zur Diagnose des Zustands eines lebenden Organismus sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, die eine Untersuchung und Diagnose der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse in lebenden Organismen ermöglichen.
Die funktionelle Diagnostik erlaubt die Darstellung früher Vorstufen pathologischer Zustände. Dies eröffnet die Möglichkeit, irreversible Schädigungen im lebenden Organismus zu verhindern und tiefgreifende therapeutische Schritte einzuleiten. Aus diesem Grund gewinnen die Verfahren der funktionellen Frühdiagnose sowohl im Hinblick auf Reihenuntersuchungen als auch im Zusammenhang mit der Einleitung prophylaktischer Maßnahmen zunehmend an Bedeutung.
Der Zustand eines lebenden Organismus findet seinen Ausdruck in der kontinuierlichen funktionellen Dynamik der innerhalb seiner biologischen Gewebe ablaufenden Prozesse. Diese Dynamik wird maßgeblich von der Funktion der wichtigsten dezentralen physiologischen Systeme - wie z. B. des Zellstoffwechsels, der das Gewebe mit Energie versorgt, sowie der diesen Stoffwechsel unterstützenden Mikrozirkulation - beeinflußt. Der funktionelle Status dieser primären lebenserhaltenden Systeme im Gewebe wird wiederum von dezenralen Regulierungsmechanismen bestimmt, die sich sowohl auf den gesamten Körper (reflektorische und humorale Systeme) als auch auf den lokalen Bereich (metabolische Systeme) beziehen. Dabei ist der Zellstoffwechsel mit der Mikrozirkulation über ein weiteres wichtiges dezentrales Gewebesystem - nämlich den Prozeß der Perfusion - verknüpft, dessen funktionelle Dynamik ein Bindeglied zwischen den beiden erstgenannten Systemen darstellt.
Der Zustand von Systemen, die sich auf den gesamten Organismus erstrecken, findet seinen Ausdruck jedoch nicht nur in der funktionellen Dynamik von Prozessen in separaten Bereichen dieses Organismus, sondern vor allem in der Intensität und Art der räumlichen Zusammenhänge dieser dynamischen Abläufe. Zur Untersuchung dieser Zusammenhänge zwischen gewebephysiologischen Prozessen, die den funktionellen Status des gesamten Organismus kennzeichnen, ist eine Untersuchung der kontinuierlichen räumlichen Verteilung funktioneller dynamischer Zustände der Mikrozirkulation erforderlich. So ist z. B. im Entspannungszustand der räumliche Zusammenhang zwischen funktionellen Abläufen der Gewebeaktivität nur minimal, unter Belastungsbedingungen dagegen wesentlich stärker ausgeprägt. Für Krebstumore ist ein verstärkter interner Zusammenhang der gewebefunktionellen Dynamik - im Vergleich zu umliegendem normalen Gewebe - kennzeichnend.
Die räumliche Verteilung der Gewebefunktionen gibt somit den Zustand sämtlicher Ganzkörpersysteme und Organe wieder, die sich im Laufe der Evolution zur Aufrechterhaltung des funktionellen Zustandes dieser Gewebe entwickelt haben.
Jeder physiologische Parameter weist sein eigenes physikalisches Bild auf bzw. läßt sich physikalisch "projizieren". Der Gesamtzellstoffwechsel sowie die Intensität der Mikrozirkulation an einem gegebenen Ort des Organismus ist an dem dortigem Temperaturniveau ablesbar. Einer der aussagekräftigsten physikalischen Parameter, die den Zustand biologischer Gewebe von Lebewesen kennzeichnen, ist ihre komplexe dielektrische Permeabilität. Deren imaginärer Teil, der Koeffizient der Absorption elektromagnetischer Strahlung, den ein biologisches Medium aufweist, ist durch eine bestimmte spektrale Abhängigkeit im optischen Bereich von einem physiologischen Haupteinflußfaktor der Mikrozirkzulation - Hämoglobin und seinen verschiedenen funktionellen Ausprägungen (Oxy- und Karboxy-Hämoglobin)- sowie dem ebenfalls am Zellstoffwechsel beteiligten Cytochrom aa3 geprägt. Der reale Teil der dielektrischen Permeabilität ist dagegen über ein sehr breites Spektrum der elektromagnetischen Strahlungsfrequenzen eine Funktion des Blutgehalts im Gewebe und kennzeichnet daher Gewebeinhomogenitäten, die z. B. durch die Dynamik der Mikrozirkulation bedingt sind.
Um Veränderungen der Temperatur bzw. dielektrischen Eigenschaften biologischer Gewebe zu ermitteln, werden im Rahmen funktionsdiagnostischer Untersuchungen verschiedene physikalische Methoden eingesetzt.
So wird zur nichtinvasiven Messung der Temperatur biologischer Gewebe deren elektromagnetische Wärmestrahlung aufgezeichnet. Letztere ist am ausgeprägtesten im mittleren Infrarotbereich, wodurch sich die Möglichkeit der Messung von Gewebetemperaturen auf die erforderliche Genauigkeit von 0,1º bietet. Hierbei handelt es sich um das Prinzip der dynamischen Infrarot- Thermographie, die eine Untersuchung der räumlichen Verteilung funktionell-dynamischer Abläufe im Gewebe lebender Organismen erlaubt.
Bei diesem Verfahren werden vorübergehende Veränderungen in der räumlichen Verteilung der Infrarot-Wärmestrahlungsintensität im Gewebe lebender Organismen aufgezeichnet, die deren raumzeitliche Mikrozirkulationsdynamik in Form einer Zeitfolge thermographischer Bilder wiedergibt. Dies wird sowohl im Zuge der normalen organischen Funktion als auch während physiologischer Reaktionen auf verschiedene funktionsdiagnostische Sonden (reflektorische und humorale) durchgeführt. Mittels eines solchen Verfahrens lassen sich Schmerzreaktionen und Wirkungen pharmazeutischer Präparate darstellen, regulationsgestörte Bereiche erkennen, die Art des gestörten Regulationssystems (reflektorisch oder humoral) differentialdiagnostisch ermitteln, die Zustände innerer Organe anhand spezifischer Reaktionen der entsprechenden Dermatomere (Sacharjina-Geda-Zonen) beurteilen usw. Das IR-Thermographieverfahren weist jedoch eine Reihe erheblicher Einschränkungen auf.
So hat die IR-Wärmestrahlung eine unmittelbare Aussagekraft über physiologische Prozesse nur in der Haut, da ihre charakteristische Absorptionstiefe im Höchstfall 100 um beträgt. Funktionelle Veränderungen des Blutgehalts in den Kapillarnetzen der Haut, die in einer Tiefe von 0,5 um und mehr verlaufen, finden ihren Ausdruck in der Hauttemperatur nur noch über Thermoprojektion, wodurch sich eine Verzögerung bzw. Trägheit von mehreren Sekunden ergibt. Aus diesem Grund läßt sich mittels des IR-Wärmestrahlungsverfahrens eine Darstellung der funktionellen Durchblutungsdynamik, die z. B. mit dem Herz- und Atemrhythmus verknüpft ist, schon praktisch nicht mehr erzielen, da die Thermoprojektionszeit mehrere Sekunden beträgt.
Zweitens gibt die Temperatur die Einflüsse von Durchblutung und Stoffwechsel gleichzeitig und kumulativ wieder, so daß eine Differentialdiagnose einer etwaigen Störung dieser Systeme nicht möglich ist.
Drittens erweist sich die zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens erforderliche Technologie im mittleren IR-Bereich als unangemessen kostspielig.
Zur Messung der dielektrischen Permeabilität wird der zu untersuchende Teil des lebenden Organismus mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt und eine Messung von Parametern der rückgestreuten bzw. durch das biologische Gewebe hindurchgetretenen Strahlung vorgenommen. Elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich - d. h. mit Wellenlängen von 0,3- 1,3 um - wird dabei zur biologischen Gewebeuntersuchung wirksam eingesetzt. Im infrarotnahen Bereich von 0,65-1,0 um wird das Gewebe so transparent, daß es in einer Tiefe von mehr als 1 cm darstellbar wird. Eingeschränkt wird diese Transparenz durch die Lichtstreuung, wobei die charakteristische Schwächung der Wellenlänge im Falle wasserhaltiger Gewebe bei 3-5 um liegt. Die Absorptionstiefe der vorgenannten physiologischen Pigmente reicht bis zu mehreren Zentimetern, wobei trotz der geringen Absorption in dem genannten Bereich noch ausreichend Selektivität besteht, um den Einfluß der einzelnen Pigmente unterscheiden zu können. Bei Wellenlängen über 1,2 um nimmt die Transparenz wasserhaltiger Gewebe aufgrund der starken Absorption durch das Wasser jäh ab.
Das Verfahren der Photoplethysmographie ist somit vorbekannt. Sie beruht auf dem Prinzip, daß der zu untersuchende Bereich - zumeist dünnste und daher am leichtesten zu durchstrahlende Körperteile wie z. B. Ohrläppchen, Finger- und Zehenspitzen - mit elektromagnetischer Strahlung der vorgenannten Wellenlänge beaufschlagt, die Intensität der durchgetretenen bzw. rückgestreuten Strahlung gemessen, das jeweilige Verhältnis dieser Intensitäten zur Einstrahlung (Durchstrahlungs- bzw. Rückstreukoeffizient) in fortlaufender Abhängigkeit von der Zeit berechnet, zeitliche Abhängigkeiten zwischen diesen Koeffizienten aufgrund des Herzschlages berechnet und der funktionelle Zustand der Mikrozirkulation anhand der Extremwerte und des Amplitudenverhältnisses beurteilt wird.
Dieses Verfahren basiert jedoch auf einer reinen Analyse der mikrozirkulatorisch-funktionellen Mechanik an diskreten Stellen des Organismus, d. h. es bietet keine Möglichkeit einer Darstellung und Beurteilung der Gesamtoberfläche des Organismus bzw. eines räumlichen Bildes des Zusammenhangs innerhalb des Gesamtorganismus.
Informationskräftigere Aussagen über die funktionelle Mikrozirkulationsdynamik sowie den Zellstoffwechsel an diskreten Stellen des Organismus sind mittels des Verfahrens der spektralen Darstellung biologischer Gewebe im infrarotnahen Wellenlängenbereich (EP 0290278) erhältlich. Bei diesem Verfahren wird der zu untersuchende Teil des lebenden Organismus alternativ mit Strahlungen auf mehreren Wellenlängen im Bereich von 0,6-1,0 um beaufschlagt, die Intensität der durch den untersuchten Bereich hindurchgetretenen und/oder rückgestreuten Strahlung pro Wellenlänge in fortlaufender Abhängigkeit von der Zeit gemessen, eine Bestimmung der Durchstrahlung bzw. Rückstreuung zu jeder Wellenlänge vorgenommen, das Differentialgleichungssystem anhand dieser Daten gelöst, eine Berechnung zeitlicher Abhängigkeiten der Oxyhämoglobin-, Karboxyhämoglobin- und Cytochrom aa3-Konzentration vorgenommen, die Art dieser Abhängigkeiten im Zuge physiologischer Reaktionen auf verschiedene funktionelle Tests (sowohl lokale - d. h. per Manschette ausgelöste- als auch Ganzkörpertests) analysiert, ein Vergleich der so ermittelten Abhängigkeiten zu vergleichbaren Zusammenhängen bei gesunden Personen angestellt und das Vorliegen eines pathologischen Zustands anhand der Abweichungen der Reaktionsamplituden und Zeitverzögerungen diagnostiziert. Dieses Verfahren erlaubt bereits eine detailliertere Analyse des funktionellen Zustands des zu untersuchenden lebenden Organismus, da es nicht nur Störungen der funktionellen Mikrozirkulationsmechanik aufzeigt, sondern auch - anhand von Verzögerungen in der zeitlichen Dynamik sowie des Amplitudenverhältnisses von Veränderungen der Oxyhämoglobin- und Cytochrom-aa3-Konzentration - etwaige Unterschiede im Sauerstoffversorgungsstatus des untersuchten Gewebes, im Verhältnis zwischen arteriellem und venösem Blutgehalt sowie im Perfusionszustand deutlich macht. Die Möglichkeiten der Krankheitserkennung und Differentialdiagnose pathologischer Zustände werden damit erheblich erweitert.
Sowohl diese zuletzt beschriebene als auch das unmittelbar vorausgehend geschilderte Verfahren erlauben eine Beurteilung der Eigenschaften der funktionellen Dynamik pathologischer Prozesse jedoch ausschließlich an diskreten Punkten des Organismus und bieten keine Möglichkeit einer bildlichen Darstellung und Untersuchung eines kontinuierlichen räumlichen Zusammenhangs zwischen diesen Prozessen innerhalb des Gesamtorganismus.
Die derzeit eingesetzten Verfahren erlauben somit entweder eine Untersuchung des räumlichen Zusammenhangs der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse auf der Ebene des Gesamtorga nismus - jedoch mit zu geringer Erfassungsgeschwindigkeit, ungenügender Erfassungstiefe und einer zur Differentialdiagnose unzureichenden Aussagekraft über den Anteil der mikrozirkulatorisch bzw. zellmetabolisch bedingten Wärmeerzeugung - oder andererseits eine zwar detaillierte Untersuchung der vor- und nachkapillären Durchblutung und des Zellstoffwechsels, die jedoch nur für einzelne diskrete Punkte gilt.
Vorbekannt sind auch Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der optischen Eigenschaften lebenden Organgewebes. Bei dieser Methode wird das zu untersuchende Teil des lebenden Organismus (z. B. Brustdrüse) mit elektromagnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich (infrarotnah) beaufschlagt und nach Messung der durch den Organismus hindurchgetretenen Strahlung die räumliche Verteilung der Intensität dieser Strahlung aufgezeichnet. Dieses Verfahren erschließt die Möglichkeit, pathologische Inhomogenitäten in der Strahlungstransparenz lebenden Organgewebes festzustellen, wobei diese Gewebeteile jedoch nicht zu klein sein und nicht zu tief unter der Oberfläche liegen dürfen und überdies dem Strahlungsempfänger zugewandt sein müssen. So werden z. B. Brustdrüsentumore mit diesem Verfahren in der Regel zu spät - d. h. erst nach Erreichen einer erheblichen Größe - erkannt.
EP-A-0 099 756 beschreibt eine Diaphanoskopie-Vorrichtung, die Einrichtunen zur sequentiellen Beaufschlagung eines Objekts mit Licht von mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen, Detektoreinrichtungen zur Erfassung des durchgestrahlten Lichts relativ zur jeweiligen Einstrahlungssequenz, Aufzeichnungseinrichtungen zur separaten Protokollierung des Ausgangssignals der Detektoreinrichtungen relativ zur jeweiligen Einstrahlungssequenz sowie visuelle Anzeigeeinrichtungen zur Darstellung der Absorptionscharakteristik des Objekts bei verschiedenen Wellenlängen umfaßt. Diese Vorrichtung gemäß EP-A-0 099 756 ermöglicht eine Diagnose des Zustandes eines lebendigen Organismus, indem u. a. der lebende Organismus oder ein Teil desselben mit elektro magnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich beaufschlagt und die durch den lebenden Organismus hindurchgetretene Strahlung im optischen Wellenlängenbereich zum Zwecke dieser Diagnose einem Empfänger zugeführt wird.
WO 91/06244 beschreibt ein System und Verfahren zur Messung und Darstellung der Bewegung von Flüssigkeitsströmen, insbesondere des Blutflusses durch ein Körperorgan. Das System gemäß WO 91/06244 umfaßt dabei eine Laserstrahlquelle sowie Einrichtungen mit denen sich der Laserstrahl auf das zu untersuchende Körperteil richten und gemäß einem gegebenen Abtastmuster kontrolliert über dieses Körperteil führen läßt. Das System verfügt zudem über Einrichtungen, mit denen sich der von dem Körperteil reflektierte Anteil des Laserstrahls empfangen läßt. Des weiteren ist es mit Einrichtungen ausgestattet, die die Frequenzverbreiterung des reflektierten Anteils des Laserstrahls (spektrale Verbreiterung aufgrund des Dopplereffekts) für eine große Zahl von Punkten entlang dem Abtastweg des Laserstrahls erfaßt, wobei diese Frequenzverbreiterung dann als Maß der Oberflächendurchblutung an diesen Punkten des untersuchten Körperteils betrachtet wird. Insbesondere beschreibt WO 91/06244 ein Verfahren, das eine Diagnose des Zustands eines lebenden Organismus erlaubt und eine Beaufschlagung dieses lebenden Organismus- bzw. eines Teils desselben - mit elektromagnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich sowie die Verwendung dieser Informationen zu Diagnosezwecken vorsieht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines neuen Verfahrens und einer neuen Vorrichtung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse in einem lebendigen Organismus, mit denen sich sowohl der funktionelle Gewebezustand als auch die homöostatische Stabilität des gesamten Organismus anhand der Ausprägung der kontinuierlichen raumzeitlichen Verteilung physikalischer Parameter des lebenden Organismus diagnostizieren läßt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem der lebende Organismus- bzw. ein Teil desselben - mit elektromagnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich beaufschlagt, die durch den lebenden Organismus hindurchgetretene und rückgestreute elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich erfaßt und in Form eines Bildes der räumlichen Verteilung mindestens eines Parameters dargestellt wird, das den Durchtritt und Rückstreuung der elektromagnetischen Strahlung im optischen Wellenlängenbereich durch den lebenden Organismus charakterisiert, wobei diese räumliche Verteilung erfindungsgemäß sequentiell und zeitlich kontinuierlich aufgenommen wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit des Erhaltens von Information über die räumliche Verteilung der Funktionsdynamik arteriellen und venösen Blutgehalts.
Dabei ist es sinnvoll, die räumliche Verteilung des Durchtritts- und Rückstreuungskoeffizienten der elektromagnetischen Strahlung in dem lebenden Organismus aufzuzeichnen.
Die vorgenannte elektromagnetische Strahlung kann amplitudenmoduliert werden, wobei der Empfang der durchgetretenen und rückgestrahlten elektromagnetischen Strahlung synchron zu der Modulationsfrequenz erfolgt.
Auf diese Weise läßt sich der Einfluß von Streulicht ausschließen, so daß die Notwendigkeit entfällt, die Messung in einem speziell abgedunkelten Raum durchzuführen.
Die Amplitudenmodulation der vorgenannten elektromagnetischen Strahlung kann dabei synchron zu einem physiologischen Rhythmus des lebenden Organismus vorgenommen werden, so daß sich eine gepulste Aufzeichnung der rückgestreuten oder durchgetretenen Strahlung ergibt.
Auf diese Weise wird z. B. der Visualisierungskontrast der Impulswelle erhöht.
Um Informationen aus verschiedenen Tiefen der Einstrahlungsfläche zu erhalten, wird die elektromagnetische Strahlung an mindestens einem Punkt der Oberfläche des lebenden Organismus fokussiert und die radiale Verteilung der Eigenschaften zurückgestreuter und durch den Untersuchungsbereich hindurchgetretenen Strahlung erfaßt.
Die Fläche des lebenden Organismus wird dabei mit der an mindestens einem Punkt fokussierten elektromagnetischen Strahlung abgetastet.
Auf diese Weise wird eine Verbesserung des räumlichen Kontrasts erzielt.
Die elektromagnetische Strahlung, mit der der lebende Organismus beaufschlagt wird, kann im Absorptionsbereich physiologischer Pigmente einer Frequenzfilterung Unterzogen werden.
Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer Isolierung der jeweiligen Teilbild-Dynamik, die auf die Mikrozirkulation bzw. den Zellstoffwechsel zurückzuführen ist.
Diese Frequenzfilterung kann mindestens für ein Band aus dem Wellenlängenbereich von 0,38-0,48 um und/ oder von 0,52- 0,62 um vorgenommen werden, wodurch sich eine Isolierung der durch die Hämoglobinabsorption erzeugten Bilddynamik im Bereich von 0,6-0,75 um und damit eine Isolierung der auf der Absorption desoxydierten Hämoglobins im Bereich von 1,0-1,1 um beruhenden Bilddynamik und damit wiederum eine Isolierung der durch die Oxyhämoglobinabsorption bedingten Bilddynamik erzielen läßt.
Die durch den lebenden Organismus hindurchgetretene und/- oder rückgestreute elektromagnetische Strahlung kann ebenfalls einer Frequenzfilterung im Absorptionsbereich physiologischer Pigmente unterzogen werden, wodurch - analog zur Filterung der Einstrahlung - eine Isolierung der durch Mikrozirkulation und Zellstoffwechsel bedingten Bilddynamiken möglich wird.
Auch in diesem Fall kann die Frequenzfilterung mindestens für ein Band aus dem Wellenlängenbereich von 0,38-0,48 um und/oder von 0,52-0,62 um vorgenommen werden, wodurch eine Isolierung der durch die Hämoglobinabsorption erzeugten Bilddynamik im Bereich von 0,6-0,75 um und damit eine Isolierung der auf der Absorption desoxydierten Hämoglobins im Bereich von 1,0-1,1 um beruhenden Bilddynamik und dadurch wiederum eine Isolierung der durch die Oxyhämoglobinabsorption bedingten Bilddynamik möglich wird.
Die elektromagnetische Strahlung kann auch frequenzmoduliert werden, wobei die durch den lebenden Organismus hindurchgetretene und rückgestreute Strahlung synchron zur Modulationsfrequenz erfaßt wird.
Für diese Frequenzmodulation der elektromagnetischen Strahlung kann mindestens ein Band aus dem Wellenlängenbereich von 0,6-0,65 um gewählt werden, wodurch eine Isolierung der auf der Oxyhämoglobinabsorption beruhenden Bilddynamik erzielbar wird; möglich ist auch die Verwendung eines Bandes aus dem Wellenlängenbereich von 0,65-0,72 um, wodurch sich eine Isolierung der durch die Absorption desoxydierten Hämoglobins bedingten Bilddynamik realisieren läßt. Bei den vorstehend beschriebenen zeitsequentiell aufgenommenen räumlichen Verteilungen lassen sich die untersuchten Regionen auch in unterschiedlichen Darstellungen wiedergeben, die sich in mindestens einem - ihre zeitabhängige Veränderung charakterisierenden - Parameter unterscheiden. Zudem besteht die Möglichkeit, eine Anzahl dargestellter Regionen in Form einer funktionellen Abbildung der in dem lebenden Organismus ablaufenden physiologischen Prozesse aufzuzeichnen.
Dies erlaubt eine Isolierung von Regionen, deren funktionelle Dynamik ausgeprägt korreliert.
Als Unterscheidungsparameter wird dabei mindestens eine Größe aufgezeichnet, die die Durchstrahlung und Rückstreuung der elektromagnetischen Strahlung an verschiedenen Punkten des untersuchten Bereichs des lebenden Organismus charakterisiert, so z. B. der Zeit-Kreuzkorrelationskoeffizient, die Geschwindigkeit der wellenförmigen Veränderungen, die Frequenz der Veränderungen im Zeitverlauf, die Zeitverzögerung, die Anzahl und Lage der Extrempunkte im zeitlichen Verlauf usw.
Die Aufzeichnung kann synchron zu mindestens einem der natürlichen physiologischen Rhythmen des lebenden Organismus vorgenommen werden. Dies erlaubt eine bessere Isolierung der Mikrozirkulation bei Streuung der Strahlung durch die Oberflächenschichten des lebenden Organismus.
Als natürlicher physiologischer Rhythmus des lebenden Organismus kommen z. B. Atemrhythmus, Herzschlag und Muskeltremor in Frage.
Funktionell zusammengehörige Teile des lebenden Organismus sind dabei gleichzeitig abzubilden.
Dies erlaubt eine Erkennung des Wesens funktioneller Zusammenhänge, die einerseits zwischen einzelnen Regionen (z. B. zwischen dem motorischen Bereich des Großhirnrinde und den Skelettmuskeln, zwischen inneren Organen und den ihnen reflektorisch zugeordneten Dermatomen usw.) sowie andererseits innerhalb dieser Regionen bestehen. Paarige Organe des lebenden Organismus werden gleichzeitig dargestellt.
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, Anomalitäten der nervlichen und/oder humoralen Regulierungsmechanismen zu ermitteln und Tumore festzustellen, die durch eine veränderte funktionelle Dynamik gekennzeichnet sind.
Zum Prozeß der Beaufschlagung des lebenden Organismus (bzw. eines Teils desselben) mit der elektromagnetischen Strahlung gehört mindestens eine externe Einflußgröße.
Die Verwendung einer solchen externen Einflußgröße erlaubt eine Identifizierung der separaten Beteiligungen der verschiedenen physiologischen Systeme.
Als externer Einfluß kommen z. B. Änderungen der physikalischen Parameter der Umgebung des lebenden Organismus (externe Atmungsparameter, Zusammensetzung der von dem lebenden Organismus eingeatmeten Gasmischung, Vibrationen, ein elektrisches oder - alternativ - magnetisches Feld, Belastungsübungen oder auch Druck und Wärmestrahlung) in Betracht.
Gelöst wird die genannte Aufgabe ferner durch die Tatsache, daß die Vorrichtung, die mit einer optischen Strahlungsquelle sowie einem - auf der dem bestrahlten Teil des lebenden Organismus gegenüberliegenden Seite angeordneten - Detektor ausgestattet ist, der die von dem lebenden Organismus gestreute Strahlung erfaßt und nacheinander mit einem Analog-Digital-Wandler, einem Eingangs/Ausgangs-Controller sowie einem Computersystem verbunden ist, erfindungsgemäß einen zusätzlichen, auf derselben Seite wie die optische Strahlungsquelle angeordneten Detektor für die von dem lebendigen Organismus rückgestreute Strahlung sowie einen Schalter umfaßt, dessen beide Eingänge mit den Ausgängen der entsprechenden Detektoren der durch den lebenden Organismus gestreuten Strahlung verbunden sind und dessen Ausgang am Eingang des Analog-Digital-Wandlers liegt, und daß drei Ausgänge des Eingangs-Ausgangs-Controllers mit den Steuereingängen des Schalters bzw. dem Streustrahlungsdetektor verbunden sind, und daß die Vorrichtung die durchgetretene und rückgestreute elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich erfaßt und Abbildungen räumlicher Verteilung, die sequentiell und zeitlich kontinuierliche Aufnahmen der durchgetretenen und rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung beschreiben, aufzeichnet.
Die Vorrichtung kann dabei einen Referenzdetektor zur Erfassung optischer Strahlung, der optisch mit der Strahlungsquelle verbunden ist, sowie einen zwischen dem Ausgang des Umschalters und einem Eingang des Analog-Digital-Wandlers angeordneten Teiler umfassen, wobei der Ausgang des Referenzdetektors mit einem anderen Eingang des Teilers verbunden ist.
Zudem kann die Vorrichtung eine Reihenschaltung aus einem Sensor, der mindestens einen der natürlichen physiologischen Rhythmen des lebenden Organismus erfaßt, und einem Zeitmodulator aufweisen, dessen Ausgang mit einem Eingang der optischen Strahlungsquelle sowie mit einem entsprechenden Eingang des Eingangs- Ausgangs-Controllers verbunden ist.
Bei dem Sensor, der einen natürlichen physiologischen Rhythmus des lebenden Organismus erfaßt, kann es sich um einen Atemrhythmus-, Herzschlagrhytmus- oder Muskeltremorsensor handeln.
Die Vorrichtung kann zudem mit einem optischen System ausgestattet sein, das zwischen der optischen Strahlungsquelle und der Oberfläche des lebenden Organismus angeordnet ist und die optische Strahlung in mindestens einem Punkt auf der Oberfläche des lebenden Organismus fokussiert.
Die Vorrichtung kann auch ein - mit dem optischen System verbundenes - Abtastsystem enthalten, dessen Eingang mit dem entsprechenden Ausgang des Eingangs-Ausgangs-Controllers verbunden ist.
Überdies läßt sich die Vorrichtung mit mindestens einem optischen Filter ausstatten, dessen optische Achse mit derjenigen der optischen Strahlungsquelle zusammenfällt, und der zwischen dieser optischen Strahlungsquelle und der Oberfläche des bestrahlten lebenden Organismus angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann mindestens ein optisches Filter aufweisen, das in der gleichen optischen Achse wie der Detektor liegt, vom lebenden Organismus rückgestreute Strahlung filtert und zwischen dem obigen Detektor und der Oberfläche des untersuchten lebenden Organismus angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann ferner einen Frequenzmodulator umfassen, dessen Ausgang der optischen Strahlungsquelle zugeführt wird, wogegen sein Eingang mit einem entsprechenden Ausgang des Eingangs-Ausgangs-Controllers verbunden ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand konkreter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen erläutert, wobei
Fig. 1 ein allgemeines Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus darstellt;
Fig. 2 ein allgemeines Diagramm einer Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus zeigt, die zusätzlich ein System zur Normierung der erfaßten Strahlungsintensität aufweist;
Fig. 3 ein Diagramm einer möglichen Bauvariante des Referenzdetektors zeigt;
Fig. 4 ein allgemeines Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus zeigt, die zusätzlich eine Synchronisierung auf der Basis natürlicher physiologischer Rhythmen des lebenden Organismus umfaßt;
Fig. 5 ein Diagramm einer möglichen Ausführungsform des Zeitmodulators zeigt;
Fig. 6 ein allgemeines Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus zeigt, bei der eine optische Strahlung an verschiedenen Punkten auf die Oberfläche des lebenden Organismus fokussiert wird.
Fig. 7 ein Diagramm einer möglichen Ausführungsform des optischen Systems zeigt;
Fig. 8 ein allgemeines Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus zeigt, die zusätzlich über ein Abtastsystem verfügt;
Fig. 9 eine mögliche Ausführungsform des Abtastsystems darstellt;
Fig. 10 ein allgemeines Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus zeigt, die zusätzlich ein Filtersystem umfaßt;
Fig. 11 ein allgemeines Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Untersuchung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse eines lebenden Organismus zeigt, bei der zusätzlich eine Frequenzmodulation der optischen Strahlung vorgesehen ist.
Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein lebender Organismus (bzw. ein Teil desselben) mit elektromagnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich zwischen 0,3 und 2,0 um beaufschlagt und die durch den lebenden Organismus hindurchgetretene und von ihm zurückgestreute Strahlung erfaßt und in Form von Bildern oder Abbildungen von Zeitfolgen derräumlichen Verteilungen mindestens eines Parameters aufgezeichnet, um die Durchlässigkeit der Strahlung durch den lebenden Organismus sowie deren Rückstreuung zu beschreiben. So ist z. B. die Intensität der durch den Organismus durchgetretenen und zurückgestreuten Strahlung von dem arteriellen und venösen Blutmenge abhängig. Da sich der Grad der optischen Strahlungsabsorption von gesundem und pathologischem Gewebe - z. B. einem Tumor - unterscheidet, kann die räumliche Intensitätsverteilung der Strahlung wertvolle Informationen zur Tumorerkennung liefern.
Das Gewebe lebender Organismen hat jedoch die Eigenschaft, Medien wie z. B. optische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich diffus zu streuen, was die Lokalisierung pathologischer Inhomogenitäten, die nahe der bestrahlten Oberfläche des lebenden Organismus liegen, erheblich erschwert. Die gleichzeitige Aufzeichnung der Intensität der von der bestrahlten Seite zurückgestreuten und der durch die untersuchte Region hindurchgetretenen Strahlung liefert daher zusätzliche Hinweise zur Lokalisierung pathologischer Inhomogenitäten wie z. B. Tumoren.
Die vorgenannten Abbildungen der räumlichen Intensitätsverteilung werden sequentiell kontinuierlich im Zeitverlauf aufgezeichnet, woraus sich Informationen über die raumzeitliche funktionelle Dynamik des arteriellen und venösen Kapillarblutgehalts ergeben.
Unter diesen Bedingungen muß die Zeit, die zur Aufzeichnung jeder dieser Momentanabbildungen benötigt wird, wesentlich kürzer als die minimale Zeitkonstante der untersuchten physiologischen Prozesse im gemessenen Feld bzw. die Zeitabstände zwischen den Extremwerten ihrer funktionellen Dynamik sein. Um eine kontinuierliche Aufzeichnung dieser dynamischen Abbildungen im Zeitverlauf zu gewährleisten, muß zudem das Zeitintervall zwischen den einzelnen Abbildungen wesentlich kürzer als die minimale Zeitkonstante des untersuchten physiologischen Prozesses bzw. die Zeitabstände zwischen den Extremzuständen ihrer funktionellen Dynamik sein, die jedoch wiederum größer als die zum Aufbau der Abbildung benötigte Zeit sein sollten. Dieses Verfahren wird als dynamische Abbildung bezeichnet. Um eine kontinuierliche Aufzeichnung jeder Einzelabbildung über den untersuchten Raum zu erzielen, muß dabei der Abstand zwischen den Meßpunkten wesentlich kleiner als die charakteristische Länge der Kreuzkorrelation des untersuchten dynamischen Feldes bzw. das räumliche Ausmaß seiner Veränderlichkeit sein. Ferner ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, daß die diskreten Raum und Zeitintervalle, die eine Voraussetzung für die kontinuierliche raumzeitliche Abbildung des lebenden Organismus darstellen, allgemein nicht voneinander unabhängig sind: während bei reflektorischen Prozessen, deren Zeitkonstanten in der Größenordnung von einigen Sekunden liegen, die Strecke der räumlichen Kreuzkorrelation einen gewissen Wert annimmt, fällt dieser bei humoralen Prozessen, deren Zeitkonstante mehrere Minuten beträgt, allgemein wesentlich anders aus. Die Zeitfolge von Bildern oder Abbildungen, die sich aus dem dynamischen Abbildungsverfahren ergeben, wird auch als dynamische Bildgebung bezeichnet.
Als Parameter zur Charakterisierung der Durchstrahlung und Rückstreuung der vorstehend genannten Strahlung am lebenden Organismus dienen die Durchstrahlungs- und Rückstreuungskoeffizienten, die das Verhältnis der Intensität der durchgestrahlten und rückgestreuten Strahlung zur Intensität der Einstrahlung ausdrückt. In vielen Fällen bietet es sich zur Wiedergabe der raumzeitlichen Dynamik von Rückstreuung und Durchstrahlung im untersuchten Bereich an, anstelle der Rückstrahlungs- und Durchstrahlungskoeffizienten lediglich die relativen Veränderungen der Intensität der rückgestreuten bzw. durch den untersuchten Bereich hindurchgetretenen elektromagnetischen Strahlung zu betrachten.
Um Hintergrundlicht auszuschließen und die Notwendigkeit einer Durchführung der Messung im abgedunkelten Raum zu umgehen, wird bei Bedarf eine Amplitudenmodulation der Einstrahlung sowie eine synchrone Erfassung mit Modulationsfrequenz verwendet. Dabei wird die Modulationsfrequenz der Strahlungsintensität wesentlich größer als die Frequenz der natürlichen physiologischen Rhythmen - einschließlich des Herzschlags - gewählt. Sowohl die durchgestrahlte als auch die rückgestreute Strahlung wird synchron zur Modulationsfrequenz erfaßt. Die relative Instabilität der Strahlungsamplitudenmodulation muß allerdings kleiner als die relativen Veränderungen der Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten sein.
Die Verteilungen der Rückstreu- und Durchstrahlungskoeffizienten sind zweidimensional und nicht komplex. In den meisten Fällen (ausgenommen bei funktioneller Diagnostik der Hautoberfläche) muß die Verteilung der funktionellen Dynamik in Abhängigkeit von der Tiefe des untersuchten Feldes analysiert werden.
In diffus streuenden Medien, zu denen für optische Strahlung im infrarotnahen Bereich auch biologische Gewebe gehören, ergeben tiefe Schichten in der kontinuierlichen raumzeitlichen Verteilung von Veränderungen der Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten räumliche Frequenzen von etwa derselben Größenordnung wie die Tiefenlage der dynamischen Quelle. Daher läßt sich durch nachträgliches Filtern ("Kappen") zunehmend höherer räumlicher Frequenzen in den dynamischen Abbildungen der Beitrag immer tieferer Schichten isolieren.
Es besteht die Möglichkeit, die Einstrahlung stroposkopisch synchron zu verschiedenen physiologischen Rhythmen des lebenden Organismus (Herzschlag, Atmung, Stoffwechsel, Thermoregulierung) vorzunehmen. Dabei kann die gepulste Einstrahlung auf verschiedene Teile des Organismus auch zeitverzögert erfolgen, so z. B. um den maximal möglichen Kontrast bei der Darstellung der Impulswelle zu erreichen.
Um die Verteilung der funktionellen Dynamik physiologischer Prozesse über die Tiefe des Untersuchungsbereichs beurteilen zu können, wird insbesondere eine Mehrschichten-Bestrahlung dieses Bereichs vorgenommen.
Die Verteilung funktioneller Veränderungen in der Konzentration physiologischer Pigmente über die Tiefe der Untersuchungsstelle findet ihren Ausdruck in der Verteilung der zeitlichen Dynamik der Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten radial um den einfallenden Strahl. Der relative Beitrag tieferliegender rückstreuender Schichten nimmt mit wachsendem Abstand vom Strahl zu. Aus diesem Grunde wird die Verteilung über die Gewebetiefe anhand der Gesamtveränderung des Durchstrahl- und Rückstreukoeffizienten in Abhängigkeit vom Radius r - nämlich Ktr(R) bzw. Kbsc(R) - in der radial um den Strahl gelegenen Region ermittelt. Durch das Verfahren der Normierung der durchgestrahlten und rückgestreuten Strahlungsintensität (als Funktion von R) anhand der Intensität des einfallenden Strahls, das bei der Berechnung von Ktr(R) und Kbsc(R) automatisch durchgeführt wird, werden Ungleichmäßigkeiten in der Durchlässigkeit der Oberflächenschichten sowie Instabilitäten der Einstrahlung automatisch unterdrückt. Durch Erhöhung der Anzahl diskreter Punkte (Anzahl unabhängiger Elemente in der Oberfläche des Fotodetektors) im Radialbereich um den Strahl läßt sich die Zuverlässigkeit der Isolierung der Dynamik physiologischer Parameter über die Tiefe anhand einer Faktor- oder Cluster- Analyse erhöhen. Dabei wird das Signal/Rauschverhältnis jedes diskreten Elements entsprechend reduziert. Diese entgegengesetzten Faktoren sind bei der Optimierung der räumlichen Auflösung des Fotodetektor-Systems zu berücksichtigen. Der Strahlabstand ist durch die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Aufzeichnung der dynamischen Bilder über den zu untersuchenden Raum begrenzt, d. h. er muß wesentlich kleiner als die räumliche Korrelationslänge des funktionell-dynamischen Prozesses sein; ansonsten müssen den korrelierenden Bereichen des funktionell-dynamischen Prozesses mindestens etwa zehn Bildpunkte des dynamischen Abbildungsverfahrens entsprechen. In der Praxis wird der Strahlabstand unter Abwägung des Zielkonflikts zwischen Erhöhung der Meßtiefe und Optimierung der räumlichen Auflösung festgelegt.
Zu erwähnen ist ferner, die rückgestreute Strahlung mit zunehmender Entfernung vom einfallenden Strahl aus größerer Tiefe zurückkehrt und daher die effektive Länge L ihres Wegs durch die lichtabsorbierenden physiologischen Pigmente zunimmt. Daher nimmt auch die Modulationstiefe der rückgestreuten Strahlung zu, wenn die Pigmentkonzentration (C) - z. B. des Oxyhämoglobins - funktionell variiert. Im Grunde wird diese Modulationstiefe durch die Amplituden der Absorptionsänderungen bestimmt, die proportional zu CL sind. Auch dies ist bei der Optimierung des Einstrahlungsabstands für das dynamische Abbildungsverfahren zu berücksichtigen.
Als vereinfachte Variante wird in einigen Fällen mit nur einem einfallenden Strahl gearbeitet. Diese Variante ist ausreichend, wenn es um eine Untersuchung der funktionellen Dynamik über die Tiefe geht, was z. B. zur Beurteilung der Tiefenlage eines Tumors usw. von Bedeutung ist. Bei dem Radius, der der Tiefe des Tumorsitzes entspricht, muß eine erhebliche Veränderung im Zeitverhalten des Rückstreukoeffizienten feststellbar sein, die durch Veränderungen der funktionellen Dynamik der Mikrozirkulation sowie des Stoffwechsels in pathologischem Gewebe bedingt ist.
Daneben werden jedoch auch Abtastungen des Untersuchungsbereichs mit mehreren Strahlen durchgeführt. Durch diese Abtastung kann sich eine erhebliche Verbesserung des räumlichen Kontrasts ergeben; allerdings ist eine Erhöhung der Strahlintensität erforderlich, da sich aufgrund der Aufzeichnungszeit pro räumlichem Element des Untersuchungsbereichs ein ungünstigeres Signal-Rausch-Verhältnis ergibt. Durch Erhöhung der Anzahl gleichzeitig abtastender Strahlen wird das Signal-Rausch-Verhältnis entsprechend verbessert und die Aufzeichnungszeit verringert. Die Abtastzeit pro Momentanbild ist dabei wesentlich kürzer als die Zeitkonstante des untersuchten Prozesses bzw. kürzer als das Intervall zwischen den Extrema der Dynamik dieses Prozesses zu wählen. Zu jedem Punkt des untersuchten Bereichs werden der Zeitfolge dieser Einzelbilder die Veränderungen der Durchstrahlung und Rückstreuung an äquidistanten Punkten entnommen, wodurch man die radiale raumzeitliche Verteilung dieser Koeffizienten erhält. Anhand der Kreiskorrelation der zeitlichen Dynamik dieser Koeffizienten auf verschiedenen radialen Niveaus wird die Verteilung der funktionalen Dynamik über die Tiefe des Untersuchungsbereichs beurteilt.
Zur Extrahierung der Teilabbildung dynamischer Komponenten, die der Mikrozirkulation und dem Zellstoffwechsel zugeordnet sind, werden Spektralfilter zwecks Untersuchung der selektiven Absorption durch Oxyhämoglobin, desoxydiertes Hämoglobin und Cytochrom aa3 eingesetzt. Die spektrale Strahlungsselektivität in den vorgenannten Bereichen ermöglicht zudem den Ausschluß der - nur geringfügig wellenlängenabhängigen - Rückstreuung von der Oberfläche der Untersuchungsregion bei der Messung der aus der Tiefe des lebenden Organismus zurückgestreuten Strahlung. Zur Isolation der Bilddynamik, die der funktionellen Dynamik der Mikrozirkulation entspricht, werden Hämoglobin-Spektralabsorptionsbänder im Wellenlängenbereich zwischen 0,38 und 0,48 um und/oder zwischen 0,52 und 0,62 um gewählt.
Um die raumzeitliche Dynamik des arteriellen und venösen Blutgehalts und des darin stattfindenden Zellstoffwechsels ermitteln zu können, wird die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die auf die Oberfläche des lebenden Organismus gerichtet ist, einer separaten differentiellen Frequenzmodulation unterzogen, die Amplitudenmodulation der dynamischen Abbildungen synchron aufgezeichnet, wobei die Auswahl des Frequenz- und Phasensignals bei Modulations- und Doppelfrequenz im Prozeß der Isolation entsprechender Veränderungen in den dynamischen Abbildungen vorgenommen wird. Um die Selektivität des Verfahrens möglichst weitgehend zu erhöhen, werden für die Wellenlänge, um die die Modulation erfolgt, ein Wert nahe des Extremwerts sowie Spektralintervalle maximaler Steilheit gewählt. So wird z. B. zur Isolierung der raumzeitlichen Dynamik des venösen Bluts eine Modulationswellenlänge zwischen 0,6 und 0,75 um verwendet, wogegen für arterielles Blut der Bereich zwischen 1,0 und 1,1 um bzw. für Cytochrom aa3 der Bereich zwischen 0,85 um und 0,9 um gewählt wird. Um speziell die Verteilungsdynamik von Oxyhämoglobin, desoxydiertem Hämoglobin und Cytochrom aa3 im venösen Blut zu isolieren, wird eine Modulation um folgende Wellenlängen vorgenommen:
0,7 um: hier erscheint das Signal mit Modulationsfrequenz in Phase, entsprechend der Zunahme des Rückstreuungkoeffizienten, die mit dem Anstieg der Wellenlänge eintritt (diese Phase kann als "Nullphase 1" bezeichnet werden)
0,735 um: in diesem Fall erscheint das Signal mit doppelter Frequenz in Phase, entsprechend der Abnahme des Rückstreukoeffizienten mit der Entfernung vom Extremwert;
0,745 um: das Signal erscheint mit Modulationsfrequenz, jedoch um 180º phasenverschobven gegenüber dem bei 0,7 um beobachteten Signal;
0,76 um: das Signal erscheint mit doppelter Modulationsfrequenz, um 180º phasenverschoben gegenüber dem bei 0,735 um beobachteten Signal.
Die Modulation auf diesen Wellenlängen, die für den venösen Blutgehalt charakteristisch sind, kann sowohl separat als auch gleichzeitig erfolgen. Im letzteren Fall wird eine Mehrkanal- Korrelationserfassung verwerden, die die Erkennbarkeit der Verteilung venösen Bluts erheblich erhöht.
Zur Isolation der Teildynamik der arteriellen Blutverteilung wird mit einem Wert nahe den folgenden Wellenlängen moduliert:
0,815 um: Signal mit Modulationsfrequenz in Phase p;
0,95-1,3 um: Signal in Modulationsfrequenz in Phase 0.
Die Effizienz der Isolation von Teildynamiken der arteriellen Blutverteilung läßt sich erhöhen, indem man gleichzeitig zwei Modulationen in den vorgenannten Spektralbereichen vornimmt und eine Korrelationserfassung über zwei Kanäle verwendet.
Zur Isolierung von Teildynamiken des Zellstoffwechsels wird mit einer nahe dem Absorptionsmaximum von oxydierten Cytochrom aa3 liegenden Wellenlänge von 0,825 Mm moduliert. Bei ausreichend hoher Modulationsamplitude (+ 0,025 um) erscheint das Signal mit verdoppelter Modulationsfrequenz in Phase, entsprechend der Zunahme des Rückstreukoeffizienten mit Entfernung vom Extremwert.
Zu betonen ist, daß neben der Auswahl der Wellenlänge zur Isolierung des Signals aus tiefen Gewebeschichten bei Rückstreuung von der Gewebeoberfläche auch die Zeitunabhängigkeit des Streulichts herangezogen wird, da die aus tiefen Gewebeschichten zurückgestreute Strahlung durch die funktionelle Dynamik der Mikrozirkulation und des Stoffwechsels in diesen Schichten sehr wohl zeitmoduliert ist.
Um die funktionellen Zusammenhänge des Untersuchungsbereichs zu gewinnen, werden die über den Zeitverlauf aufgezeichneten Bildfolgen ("dynamisches Bild") mit Hilfe mathematischer Bearbeitungsverfahren (Faktor-, Cluster- oder sonstige funktionelle Analyse) zu einer einzigen Abbildung mit isolierten Bereichen hoher Korrelation der funktionellen Dynamik bzw. ähnlicher Parameter dieser Dynamik transformiert (sofern im gesamten Bereich eine hohe Kreuzkorrelation vorliegt). Innerhalb dieser isolierten Bereiche steht das funktionelle Verhalten der Gewebe des lebenden Organismus zueinander in Korrelation. Eine solche Abbildung wird als Funktionsbild, Funktionsabbildung oder "Funktionskarte" bezeichnet; das entsprechende Verfahren heißt funktionelle Abbildungstechnik.
Unterscheidungsparameter bei dieser funktionellen Abbildungstechnik ist der Koeffizient der Kreuzkorrelation der zeitlichen Dynamik der Durchstrahl- und/oder Rückstreukoeffizienten. Dabei ist noch einmal zu betonen, daß sich die charakteristische Länge der Kreuzkorrelation zwischen verschiedenen physiologischen Prozessen und ihren Regulationsmechanismen unterscheidet und sich auch mit dem Zustand des lebenden Organismus verändert. Aus diesem Grund wird derselbe lebende Organismus (bzw. ein Teil desselben) mittels mehrerer verschiedener, einander ergänzender funktioneller Abbildungen beschrieben.
So entstehen eine oder mehrere funktionelle Abbildungen aus der Auswertung von Dutzenden, ja Hundertern von Einzelabbildungen, die der zeitlichen Abfolge des dynamischen Abbildungsverfahrens entnommen werden.
Die funktionellen Abbildungen lebender Systeme werden dann dessen morphologischem Bild überlagert, das z. B. mittels Tomographie gewonnen wird, um die räumliche Funktionsverteilung deutlich zu machen.
An dieser Stelle gilt es, auf einen grundsätzlichen Unterschied zwischen funktioneller Abbildung und traditioneller morphologischer Abbildung hinzuweisen. Im ersteren Fall erfolgt eine Darstellung und Lokalisierung der funktionellen "Landschaft" - der Details funktionell verbundener Bereiche. Im letzteren Fall sind dagegen die Details des räumlichen Aufbaus von Bedeutung. Da in der Regel die charakteristische Dimension der funktionellen "Landschaft" (charakteristische Länge der Kreuzkorrelation) wesentlich größer als das räumliche Maß der Diskretisierung ist, erfordert die funktionelle Abbildung auch nicht so eine hohe räumliche Auflösung.
Jedes physiologische Gewebesystem - Mikrozirkulation und Stoffwechsel - wird mit Hilfe eines eigenen speziellen Satzes funktioneller Abbildungen dargestellt.
Hervorzuheben ist ferner, daß die funktionellen Abbildungen, die an die Stelle von Dutzenden bzw. Hunderten dynamischer Einzelaufnahmen treten, die Möglichkeit einer kompakten Datenkomprimierung in der Datenbank bieten, auch wenn zahlreiche funktionelle Vorstufen des pathologischen Zustands einbezogen werden.
Verschiedene Regionen mit hoher interner Kreuzkorrelation in der funktionellen Abbildung unterscheiden sich im Wesen der zeitlichen Dynamik der Rückstreu- und/ oder Durchstrahlungskoeffizienten. Die Koeffizienten können periodischen Veränderungen unterliegen, die physiologischen Rhythmen von unterschiedlicher Zeitkonstante, Amplitude bzw. Verzögerung oder auch Änderungen des Entspannungszustandes im Zuge physiologischer Reaktionen von unterschiedlicher Zeitkonstante und Amplitude infolge einer Umverteilung des Blutinhalts und der Stoffwechselrate im Verlaufe der Lebensprozesse wiedergeben.
Bei physiologischen Prozessen, die sich wellenähnlich ausbreiten, kann als Unterscheidungsparameter zur funktionellen Abbildung die Geschwindigkeit wellenförmiger Veränderungen im Rückstreu- und/oder Durchstrahlungsverhalten der elektromagnetischen Strahlung verwendet werden. Um solche wellenförmigen Prozesse in den dynamischen Abbildungen sichtbar zu machen, wird ein Verfahren der zeitverzögerten Kreuzkorrelation eingesetzt, bei dem die Verzögerung linear koordinatenabhängig und in ihrer Länge gemäß dl/V variabel ist (wobei dl das räumliche Diskretisierungsintervall und V die variable Geschwindigkeit bezeichnet); ihre Länge wird so gewählt, daß sich eine maximale Kreuzkorrelation ergibt. Ein solcher Ansatz erweist sich z. B. als sinnvoll, wenn es um die Abbildung der Ausbreitung von Depres sionswellen in der Hirnrinde geht. Die Geschwindigkeit dieser Wellen reagiert sehr empfindlich auf Gewebeveränderungen, wie sie typischerweise bei Tumorbildung auftreten. Analog lassen sich die Wellen des Blutgehalts der Hände abbilden, um Störungen der Mikrozirkulation festzustellen.
Zur Isolierung räumlicher Bereiche kann als Unterscheidungsarameter die Frequenz zeitlicher Veränderungen in den Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten, aber auch die Zeitverzögerung bei der Veränderung dieser Koeffizienten sowie die Lage ihrer Extremwerte herangezogen werden.
Die dynamische Abbildung des lebenden Organismus wird unter verschiedenen natürlichen Bedingungen durchgeführt, so z. B. im Schlaf- und Wachzustand, vor und nach der Essensaufnahme usw. Für jeden dieser Zustände ist ein eigener Satz funktioneller Abbildungen charakteristisch, der die Dynamik von Mikrozirkulation und Stoffwechsel beschreibt. Die Gesamtheit dieser funktionellen Abbildungen - in der Datenbank gespeichert - liefert eine ausreichend vollständige Beschreibung des funktionellen Gewebezustands und erlaubt im Rahmen wiederholter Untersuchung die Feststellung pathologischer Zustände in ihren frühesten Vorstufen.
Zur Isolierung der dynamischen Abbildungen, die die Funktion der Mikrozirkulation wiedergeben, wird - vor allem bei Rückstreuung von der Oberfläche des lebenden Organismus - ein kumulatives Synchronsignal mit der Frequenz natürlicher physiologischer Rhythmen eingesetzt.
Als Referenzsignalquelle dienen dabei traditionelle elektrophysikalische Sensoren. Dieses Verfahren wird zur Isolierung von Atem- und Herzschlagrhythmen sowie des Mikrotremors der Muskulatur verwendet.
Wird der natürliche Atemrhythmus als Synchronisationsrhythmus verwendet, weisen die funktionellen Abbildungen z. B. die Verteilung der Atemimpulsamplitude sowie eine (Phasen-)verzögerung der Mikrozirkulationsblutmenge im Oxyhämoglobin-Absorp tionsband gegenüber der Amplitude und Phase des Atmungsrhytmus aus. Der Funktionelle Zustand des lebenden Organismus findet seinen Ausdruck auch in den dynamischen Abbildungen der relativen Amplituden- und Phasenverteilung des Atemrhythmus im Spektralabsorptionsband von Cytochrom aa3, das den Zustand des Zellstoffwechsels charakterisiert. Durch die dynamische Abbildung einer solchen schnellen funktionellen Dynamik wird erstmalig der Zustand eines reflektorischen Mikrozirkulations-Regulierungsmechanismus darstellbar, so daß selbst die frühesten Anzeichen einer Beeinträchtigung dieses Systems zu erkennen sind.
Das wirksamste Verfahren der dynamischen Abbildung der Mikrozirkulation stellt die kumulative Synchronisierung mit der Herzfrequenz dar. Als Referenzsignal läßt sich hierzu ohne weiteres das Signal eines Fotoplethysmographen (z. B. an der Fingerspitze) verwenden. Die bei dieser Aufzeichnung variable (Phasen-)verzögerung hängt prinzipiell von den Koordinaten auf der Oberfläche des lebenden Organismus ab. Über diese Abhängigkeit wird die Geschwindigkeit der Impulswelle berechenbar.
Die Modulation des Blutinhalts im Gewebe durch den Mikrotremor weist eine sehr geringe Amplitude auf, und aufgrund des nur schwach erkennbaren Rhythmus ergibt sich ein rauschähnliches Signal. Bei Anspannung der Muskeln wird dieser Rhythmus jedoch ausgeprägter, und seine Amplitude nimmt erkennbar zu. Die Amplitude einer solchen Modulation gibt daher Auskunft über den Zustand des Muskelgewebes - es handelt sich um ein optisches Verfahren zur Tremorvisualisierung. Die Modulation des Blutgehalts durch den Mikrotremor läßt eine aktive Umkehrwirkung des Muskels auf seine Blutversorgung erkennen, insbesondere in Form des Abflusses venösen Bluts.
Im Gegensatz zur morphologischen Abbildung müssen bei der funktionellen Abbildung funktionell miteinander verknüpfte Regionen gleichzeitig untersucht werden. Nur so läßt sich der Charakter des funktionellen Zusammenhangs nicht nur zwischen verschiedenen Regionen - z. B. dem für motorische Abläufe verantwortlichen Teil der Großhirnrinde und den Skelettmuskeln oder zwischen inneren Organen und den mit ihnen reflektorisch verbundenen Dermatomeren (Sacharjina-Geda-Zonen) -, sondern auch innerhalb dieser Zonen deutlich machen. Bei der Untersuchung paariger Organe kommt es darauf an, daß diese gleichzeitig funktionell abgebildet werden. Dies gilt z. B. für die Hände und Fußsohlen, die eine aktive Rolle bei der Thermoregulierung spielen und daher eine große Zahl arteriell-venöser Anastomosen aufweisen. Im Falle einer gestörten Leitfähigkeit der Nervenbahnen (z. B. bei diffuser Sklerose) ist daher eine Zeitverzögerung der funktionellen Dynamik in den Hand- und Fußflächen feststellbar. Auch bei der Untersuchung der Brustdrüsen ist eine gleichzeitige Abbildung sehr wichtig. Eine Asymmetrie der funktionellen Abbildungen mit unterschiedlichen Zeitrahmen dieser Organe läßt u. U. auf eine Störung der nervösen und/oder humoralen Regulierung und auf die Ausbildung von Tumoren hin.
Die aussagekräftigsten Informationen lassen sich mittels dynamischer Abbildung physiologischer Reaktionen im lebenden Organismus gewinnen, wenn ein externer Einflußfaktor zur Geltung gebracht wird. Durch entsprechende Auswahl dieser Einflüsse läßt sich die Beteiligung unterschiedlicher physiologischer Systeme verdeutlichen. So löst z. B. eine Veränderung der Umgebungstemperatur thermoregulatorische Reaktionen in der Mikrozirkulation der Haut aus, wogegen sich durch kurzzeitige Belastung der Zustand der muskulären Mikrozirkulation und durch längerdauernde Belastung der funktionelle Zustand des Zellstoffwechsels der Muskulatur prüfen läßt. Mittels reflektorischer Einflüsse (z. B. Schmerz, emotionale Belastung usw.) läßt sich der Zustand nervlicher Regulierungsmechanismen, durch Änderungen der Luftzusammensetzung dagegen der Zustand sauerstoffaufnehmender Gewebe kontrollieren. Unterschiedliche funktionelle Zustände des lebenden Organismus sind anhand der raumzeitlichen Struktur der optischen dynamischen Abbildungen differenzierbar, die Über gangsprozesse gewebsphysiologischer Reaktionen erkennbar macht. Dabei sind je nach Zustand des lebenden Organismus verschiedene Arten solcher Prozesse unterscheidbar (z. B. Entspannung, Oszillation, wellenförmige Abläufe usw.). Berücksichtigt man, daß jede Art von Übergangsprozeß durch einen Satz quantitativer Parameter (Amplituden, Entspannungszeiten, Perioden, Phasen, Verzögerungen usw.) beschrieben wird und zudem optische dynamische Abbildungen gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen erstellt werden (um das Verhalten unterschiedlicher physiologischer Pigmente zu charakterisieren), so bietet die optische funktionelle Abbildung große Möglichkeiten zur Erkennung frühester pathologischer Veränderungen im funktionellen Zustand eines lebenden Organismus.
Wichtig ist, daß die gewählten externen Einflüsse den natürlichen ähnlich sind, an die sich der lebende Organismus im Zuge der Evolution angepaßt hat - d. h. es muß sich um Faktoren handeln, die mit Atmung, Nahrungsaufnahme, physischer Belastung, Wärmeregulierung oder nervlichen Reaktionen zusammenhängen. Dabei werden zwei Arten funktioneller Abbildungen untersucht. Die erste beschreibt die physiologischen Reaktionen von Geweben des lebenden Organismus auf relativ kleine (differentielle) externe Einflüsse, z. B. leichte Belastungsübungen, Veränderungen in der Zusammensetzung der eingeatmeten Luft, Außentemperaturen innerhalb des komfortablen Bereichs usw. Derartige funktionelle Abbildungen charakterisieren die funktionelle Organisation sowie den Zustand der gewebsphysiologischen Systeme innerhalb der Grenzen natürlicher (komfortabler) physiologischer Reaktionen. Die Struktur dieser funktionellen Abbildungen ist praktisch unabhängig von der Amplitude externer Einflüsse; eine solche Abhängigkeit ist den dynamischen Abbildungen nur bei Amplitudenveränderungen der Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten zu entnehmen. Die zweite Art funktioneller Abbildungen erhält man bei externen Einflüssen von ausreichend großer Intensität, wenn sich die Struktur der funktionellen Abbildungen verändert. Die Intensitäten der externen Einflüsse, bei der solche Veränderungen auftreten, charakterisieren die dynamischen Bereiche der physiologischen Reaktionen im Gewebe lebender Organismen; solche Abbildungen geben daher die gesamtkörperliche Stabilität des lebenden Systems wieder.
An natürlichen externen Einflüssen werden Veränderungen der physikalischen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, externes elektrisches Feld, Vibrationen usw.) verwendet.
Veränderungen der Temperatur, Wärmeströme, Feuchte bzw. die Steuerung der Verdampfungsgeschwindigkeit von der Oberfläche des lebenden Organismus lösen physiologische Reaktionen des Thermoregulierungssystems aus, die primär über die Funktion der Mikrozirkulation der Haut ablaufen. Dabei wird der funktionelle Zustand des dermalen Mikrozirkulationsnetzes in den entsprechenden dynamischen und funktionellen Abbildungen wiedergegeben.
Der funktionelle Zustand von Geweben lebender Organismen wird auch durch ihre Sauerstoffversorgung bestimmt, die wiederum von Parametern der externen Atmung wie Frequenz, Tiefe und Verhältnis zwischen Ein- und Ausatmungsdauer abhängig ist. Diese Parameter werden daher bei der funktionellen Abbildung des lebenden Organismus ebenfalls als externer Einflußfaktor herangezogen. Dabei werden sowohl zeitlich schnelle dynamische Abläufe mit Zeitkonstanten von unter einer Minute als auch langsamere, humorale Dynamiken betrachtet. Die schnelle Variante findet z. B. beim Anhalten der Atmung statt. Die Zeit, die die Gewebeparameter nach dem Verschwinden des Einflußfaktors brauchen, um wieder in ihren Ausgangszustand zurückzukehren, charakterisiert die Gesamtstabilität der Homöostase des Organismus: je kürzer diese Zeit, desto stabiler ist der Organismus.
Einer der stärksten natürlichen Außeneinflüsse ist die Veränderung der Zusammensetzung der eingeatmeten Luft. Dabei werden sowohl sauerstoffangereicherte als auch sauerstoffarme bzw. mit CO&sub2; und/oder Stickstoff angereicherte Gemische verwendet. Unter diesen Bedingungen ist eine charakteristische Umverteilung der Werte der optischen Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten in den Spektralbändern von Oxyhämoglobin, deoxydiertem Hämoglobin und Cytochrom aa3 zu beobachten. Bereits die frühesten Stufen einer Störung (Lungeninsuffizienz) sind bereits sowohl als Besonderheiten in der raumzeitlichen Verteilung der vorgenannten Koeffizienten als auch als Anstieg der Rückschwingzeit nach Entfall des Einflußfaktors erkennbar.
Der Einsatz von Vibrationen als externem Einflußfaktor läßt auf den dynamischen Abbildungen die funktionelle Reaktivität der Mikrozirkulation bei Empfang mechanischer Reize deutlich werden. Die dynamischen und funktionellen Abbildungen der Mikrozirkulation im lebenden Organismus hängen - entsprechend der Frequenzabhängigkeit der mechanischen Rezeptoren - von der Frequenz des Vibrationseinflusses ab. Auf solchen Abbildungen erscheinen Bereiche, in denen die zeitliche Dynamik der optischen Durchstrahl- und Rückstreukoeffizienten im spektralen Absorptionsband von Oxyhämoglobin und deoxydiertem Hämoglobin anomal verläuft, konstraststärker als die umliegenden Bereiche bzw. statistisch gemittelte Daten. Veränderungen der Mikrozirkulation bewirken zudem entsprechende Reaktionen des Zellstoffwechsels, die auch in den dynamischen Abbildungen der optischen Durchstrahl- und Rückstreukoeffizienten im Absorptionsband von Cytochrom aa3 ablesbar sind.
Der Vergleich dieser beiden Arten dynamischer funktioneller Abbildungen erlaubt eine Beurteilung des Perfusionszustandes. Unter dem Einfluß frequenzvariabler Vibration ist aus den dynamischen Abbildungen im Absorptionsband von Cytochrom aa3 zudem die charakteristische Frequenzabhängigkeit (Frequenzbereich von 8 bis 30 MHz) der Zellstoffwechselrate erkennbar.
Ein elektrisches Feld als externer Einfluß wirkt sich auf die unspezifische Hautrezeption aus und bewirkt reflektorisch eine Reaktion des Mikrozirkulationsnetzes der Haut. Es hat sich erwiesen, daß die Mikrozirkulation der Haut externe elektrische Felder (sowohl von Gleich- als auch von Wechselstrom) regelrecht "anzeigt", und zwar bereits ab relativ schwachen Feldern von ca. 1000 V/cm. Diese Empfindlichkeit hängt jedoch wesentlich von der Spannungsverteilung über die Oberfläche des lebenden Organismus sowie von der Durchschnittsfrequenz, dem zeitlichen Variationsmuster sowie der Länge der Einwirkung ab.
Funktionelle Abbildungen, die unter den Bedingungen physischer Belastungsübungen erstellt werden, geben in erster Linie den Zustand des Muskelgewebes in den beanspruchten Muskeln wieder. Dabei drücken sie zunächst den Verlauf der Nutzung metabolischer Ressourcen und anschließend - nach etwa 10 bis 20 Sekunden - zusätzlich Veränderungen in der Mikrozirkulation sowie begleitende Prozesse der metabolischen Unterstützung von Energieverlusten in der Muskulatur wieder. Auf diese Weise lassen sich - über die Zeitverzögerung in den funktionellen Abbildungen - sowohl die Stoffwechselressourcen als auch die Möglichkeiten der mikrozirkulatorischen Versorgung der Muskelfunktion, der Perfusionszustand und der Zellstoffwechsel beurteilen. In diesem Zusammenhang ist der Hinweis von Interesse, daß bei physischer Belastung eines von zwei paarigen Muskeln eine physiologische Reaktion auch bei dem anderen Muskel erkennbar ist - abgesehen von der Tatsache, daß praktisch die komplette Muskulatur reagiert. Die funktionelle Abbildung dieses letztgenannten Systems beschreibt die Art des reflektorischen Zusammenhangs zwischen den Muskeln, aber auch humorale Reaktionen.
Ultraschall als externer Einfluß erlaubt ebenfalls die Auslösung von Reaktionen in inneren Organen und Geweben, allerdings mit wesentlich höherer räumlicher Richtwirkung. Durch Abtastung eines Organs mit Ultraschall ist eine Erkennung und Lokalisierung pathologischer Zustände über die Anomalien möglich, die in den funktionellen Abbildungen des Bezugsdermatomers sichtbar werden.
Verwendet man als externen Einfluß ein magnetisches Wechselfeld (in Form von Erregungsströmen) mit einer Frequenz von einigen Dutzend bis einigen Hundert kHz, so wird dadurch eine Reaktion der inneren Organe (z. B. Leber, Niere usw.) ausgelöst. Dabei werden in den funktionellen Abbildungen der oberflächennahen Gewebe die reflektorischen und humoralen Projektionen (Sachajina-Geda-Zonen) der betreffenden Organe erkennbar, woraus sich sowohl der Zustand dieser Organe als auch ihr Zusammenhang mit den Bezugsdermatomeren ablesen läßt.
Der funktionelle Zustand des Gewebes lebender Organismen findet auch unter dem Einfluß externen Drucks seinen deutlichen Ausdruck in den funktionellen Abbildungen. Dabei werden Veränderungen sowohl im Blutgehalt als auch in den rheologischen Eigenschaften der Gewebe aufgrund von Veränderungen in der Korrelation der Inhomogenitäten in der Strahlungsrückstreuung erkennbar. Die Veränderungen des Blutgehalts und der rheologischen Eigenschaften lassen sich isolieren, wenn man berücksichtigt, daß Änderungen des Blutgehalts spektralabhängig sind, rheologische Veränderungen dagegen praktisch nicht. Am aussagekräftigsten sind funktionelle Abbildungen, die Übergangsprozesse gewebsphysiologischer Reaktionen bei sprungartiger Druckbeaufschlagung und Druckentlastung wiedergeben. Aufgrund der sprungartigen Druckbeaufschlagung und Druckentlastung muß die entsprechende Zeit wesentlich kürzer sein als das Zeitintervall der physiologischen Übergangsreaktion, die von dieser Druckbeaufschlagung und Druckentlastung ausgelöst wird. Die Auswahl des Zeitintervalls zwischen Druckbeaufschlagung und Druckentlastung ist ebenfalls wichtig; es muß länger als die Zeit sein, die der Körper zum Erreichen eines stationären physiologischen Zustands nach der Druckbeaufschlagung benötigt. Die Zeit der Einstellung eines physiologischen Gewebszustands nach Druckbeaufschlagung und Druckentlastung ist von größter diagnostischer Signifikanz. Man geht davon aus, daß diese Zeit so lang wie diejenige ist, die die erste physiologische Pigmentkonzentration benötigt, um bis auf ± 10% ihr stationäres Niveau zu erreichen. Die Untersuchung der kontinuierlichen räumlichen Verteilung der fort laufenden zeitlichen Veränderungen der Durchstrahl- und Rückstreukoeffizienten bei Verwendung von Druck als externem Einflußfaktor erlaubt die Ermittlung von Regionen, in denen die funktionelle Dynamik der Mikrozirkulation gestört ist, und zwar anhand etwaiger Amplitudenabweichungen vom Normalzustand, der Zeitkonstanten physiologischer Reaktionen und der Rückschwingkeit in den stationären physiologischen Gewebezustand nach physiologischen Reaktionen. Druck als externer Einfluß macht Inhomogenitäten im Brustdrüsen- gewebe - einschließlich früher Krebsstufen - sehr wirksam erkennbar.
Wärmeströme von ca. 1 mW/cm² haben eine ausgeprägte Wirkung auf die Rate der nicht wahrnehmbaren Perspiration als einer der wichtigsten Wärmeregulationsmechanismen des lebenden Organismus. Daher liegt es nur nahe, derartige Wärmeströme als externen Einflußfaktor zur funktionellen Abbildung des Organismus zu verwenden. Dabei wird die Intensität des betreffenden Wärmestroms zeitlich variiert und in ihrer Verteilung über die Oberfläche des lebenden Organismus abgewandelt. Die funktionellen Abbildungen des lebenden Organismus werden daraufhin auf ihre raumzeitliche Struktur in Reaktion auf den Reiz analysiert, d. h. während dieser Reiz auf die Hand- oder Fußfläche einwirkt. Am aussagekräftigsten sind funktionelle Abbildungen, die die Reaktionen auf schnelle (verglichen mit der Umkehrreaktionszeit) Aktivierungen/Deaktivierungen der Wärmestrom-Umverteilung wiedergeben. Insbesondere besteht die Möglichkeit, anstelle eines Wärmestroms einen Kältestrom zu verwenden: dazu genügt es bereits, eine Oberfläche, die eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur aufweist, in die Nähe des lebenden Organismus zu bringen.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Gemäß Fig. 1 wird die Oberfläche eines lebenden Organismus 1 mit Strahlung aus einer optischen Strahlungsquelle 2 beaufschlagt. Die räumliche Verteilung der Intensität von Durchstrahlung und Rückstreuung wird von einem Detektor 3 und 4 der von dem lebenden Organismus rückgestreuten Strahlung in elektrische Signale umgeformt, die an die entsprechenden Eingänge eines Schalters 5 gelegt sind. Als Detektor 3 und 4 der von dem lebenden Organismus rückgestreuten Strahlung kann eine Fernsehkamera oder ein CCD-Aufnahmeelement dienen, das durch eine hohe Auflösung und Empfindlichkeit im infrarotnahen Bereich gekennzeichnet ist. Der Schalter 5 gibt nacheinander und abwechselnd z. B. Einzelbildsignale von den Ausgängen der Detektoren 3 und 4 an den Analog-Digital-Wandler 6 ab. Das digitalisierte Signal gelangt über den Eingangs-Ausgangs-Controller 7 zu dem Rechnersystem 8, wo es als Folge von Abbildungen im Speicher 9 abgelegt wird und sich mit Hilfe des Prozessors 10 sowie des Monitorsteuergeräts 11 auf dem Monitor 12 darstellen läßt. Zur Erweiterung des Dynamikbereichs kann der Prozessor 10 einem bestimmten Bereich des Signalniveaus jeweils eine entsprechende Farbe zuordnen.
Die so gewonnenen zeitlichen Abbildungsfolgen werden mathematisch verarbeitet und mittels Faktor-, Cluster- und/oder einer sonstigen Art funktioneller Analyse ausgewertet. Durch diese Behandlung wird die zeitliche Abbildungsfolge zu einer einzigen Abbildung verarbeitet, in der Bereiche mit starker Korrelation der funktionellen Dynamik oder Annäherung an die betreffenden Dynamikparameter isoliert sind. Als Unterscheidungsparameter zur Isolation verknüpfter Bereiche kann der Kreuzkorrelationskoeffizient der zeitlichen Dynamik der Durchstrahlungs- und/oder Rückstreukoeffizienten dienen. In diesem Fall beläuft sich die mathematische Verarbeitung im Prozessorsystem auf die Berechnung interkorrelativer Funktionen zwischen zeitlichen Abhängigkeiten der Durchstrahlungs- und Rückstreukoeffizienten, bezogen auf separate räumliche Punkte der Abbildung. Eine Gruppe von Punkten, an denen die interkorrelativen Funktionen Höchstwerte erreichen (mit Abweichung um maximal einen definierten Wert), werden zu einem einzigen Bereich verbunden und auf dem Monitor in derselben Farbe dargestellt. Eine andere Gruppe von Punkten, die die vorstehende Bedingung ebenfalls erfüllt, wird mit einer anderen Farbe dargestellt usw. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird die zeitliche Folge räumlicher Abbildungen zu einer einzelnen funktionellen Abbildung ("Funktionsbild") umgewandelt.
Diese mathematische Verarbeitung liefert zugleich eine gute Isolierung langsam veränderlicher Signale, die gegen das Hintergrundrauschen in den ursprünglichen Abbildungen nicht erkennbar waren.
Der Eingangs-Ausgangs-Controller 7 kann einen oder mehrere vorbekannte Steuer- bzw. Regelgeräte umfassen, die den Eingang und Ausgang von Informationen vom/zum Rechnersystem 8 gewährleisten. In den Eingangs-Ausgangs-Controller 7 sind überdies Analog-Digital-Wandler integriert, deren Anzahl der Zahl zu digitalisierender Analogausgänge entspricht.
Der Eingangs-Ausgangs-Controller 7 übermittelt zudem synchronisierte Abtastsignale sowie das Steuersignal für die Ladungsverschiebung aus dem Bereich, der die von dem lebenden Organismus rückgestreute Strahlung empfängt, zu demjenigen Detektor 3 oder 4, der gerade speichert (bei Verwendung einer Fernsehkamera bzw. von CCD-Bildgebungselementen). Dieses letztgenannte Signal erlaubt eine softwaremäßige Veränderung der Erfassungszeit am Zielort zwecks Optimierung des Signal-Rausch- Verhältnisses. Außerdem steuert der Eingangs-/ Ausgangs-Controller 7 das Umschalten des Schalters 5, wozu unter anderem z. B. die Abgabe eines Zähler-Triggersignals gehört. Es kann auch ein digital gesteuerter Schalter verwendet werden; in diesem Fall ist jedoch am Schaltereingang ein (in den Schalter 5 integriertes) Zählgerät integriert. Allgemein werden dem Detektor 3, 4 der von dem lebenden Organismus rückgestreuten Strahlung sowie dem Schalter 5 mehrere Signale zugeführt, weshalb die Verbindungen doppelliniert dargestellt sind.
Um transiente Instabilitäten der optischen Strahlungsquelle 2 und damit Ungleichmäßigkeiten in der Verteilung der Einstrahl intensität zu verhindern, umfaßt die Vorrichtung zusätzlich (Fig. 2) einen Referenzdetektor 13, der optisch mit der optischen Strahlungsquelle 2 verbunden ist und dessen Ausgang einem Teiler 14 zugeführt wird, der zwischen dem Ausgang des Schalters 5 und dem Analog-Digital-Umformer 6 angeordnet ist.
Eine mögliche Variante der Referenzdetektor-Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem möglichen Fall besteht der Referenzdetektor aus dem Fotosensor 15, der über eine halbtransparente Platte 16 und die Linse 17 mit der optischen Strahlungsquelle 2 verbunden ist. Licht wird von der halbtransparenten Platte 16 zurückgeworfen und durch die Linse 17 auf den Fotosensor 15 fokussiert, der es in ein elektrisches Signal umformt, das dann in dem Verstärker 18 verstärkt wird.
Der Durchlaßbereich des Verstärkers 18 wird proportional zum Kehrwert der Signalerfassungszeit der Detektoren der von dem lebenden Organismus rückgestreuten Strahlung gewählt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 ist proportional zur Intensität der Einstrahlung auf den lebenden Organismus und wird einem Teiler 14 zugeführt, der das Ausgangssignal der Detektoren 3, 4 der von dem lebenden Organismus rückgestreuten Strahlung normiert.
Als Teiler 14 kann ein Verstärker mit gesteuertem Verstärkungsfaktor verwendet werden, wie er in automatischen Verstärkersteuerungen weithin verwendet wird.
Anzumerken ist, daß zur Diagnose des funktionellen Zustands des lebenden Organismus zumeist nicht die absoluten Werte der Durchstrahl- und Rückstreukoeffizienten K, sondern lediglich deren relative Veränderungen im Zeitverlauf DK/K = DK/I von Bedeutung sind, wobei I die Intensität der durchgetretenen bzw. rückgestreuten Strahlung angibt. Dieser relative Wert ist praktisch unabhängig von Einstrahlungs-Ungleichmäßigkeiten und Transienten - immer vorausgesetzt, daß das Zeitintervall zwischen zwei Übertragungsblöcken kürzer als die charakteristische Dauer der Einstrahlungsinstabilität ist. In diesem Fall werden der Referenzdetektor 13 und der Teiler 14 eventuell nicht benötigt.
Wie im vorstehenden Text bereits erwähnt, wird zur Isolierung der dynamischen Abbildungen der Mikrozirkulationsfunktion - bei ungenügender Einstrahlungsstabilität und mangelnder Steuerbarkeit der Bewegungen des lebenden Organismus 1 während der Messung - eine stroboskopisch gepulste Einstrahlung verwendet, die mit einem der natürlichen, die Mikrozirkulation modulierenden physiologischen Rhythmen (Atmung, Herzschlag usw.) synchronisiert wird. Zu diesem Zweck umfaßt die Vorrichtung (Fig. 4) einen Sensor 19, der diesen natürlichen physiologischen Rhythmus erfaßt, und je nach der jeweiligen Aufgabe auf der Basis vorbekannter und in der medizinischen Praxis weitverbreiteter Meßgeräte für Atemrhythmus, Herzschlag und Muskeltremor ausgeführt sein kann.
Das Ausgangssignal dieses Sensors 19, der den physiologischen Rhythmus erfaßt, wird einem Zeitmodulator 20 zugeführt. Dieser ist gemäß dem Schema in Fig. 5 ausführbar. Er umfaßt eine Reihenschaltung aus Schmitt-Trigger 21, Verzögerungsgenerator 22 und Modulationsimpulsgenerator 23. Betrachten wir die Funktion dieses Zeitgenerators bei Auftreten einer Impulswelle an seinem Eingang. Der Schmitt-Trigger wandelt dieses ursprüngliche Impulssignal in einen Rechteckimpuls mit sprungförmiger Anstiegsflanke um. Der Verzögerungsgenerator 22 erzeugt einen Impuls, dessen Anstiegsflanke mit derjenigen des Schmitt-Trigger-Signals verbunden ist, dessen Dauer jedoch von der erforderlichen Verzögerung bestimmt wird. Dieses Signal gelangt nun an den Eingang des Modulationsimpulsgenerators 23, der einen Impuls erzeugt, dessen Vorderflanke mit der Rückflanke des Eingangssignals verbunden ist, wobei sich die Dauer des Signals nach dem anstehenden Untersuchungszweck richtet, jedoch in der Regel nur wenige Prozent der Impulssignaldauer beträgt. Das von dem Zeitmodulator 20 abgegebene Impulssignal wird der optischen Strahlungsquelle 2 sowie dem Eingangs-Ausgangs-Controller 7 zuge führt. Die optische Strahlungsquelle 2 bleibt nur für die Dauer des Impulssignals in Betrieb. Die Eingabe des Ausgangssignals des Modulators 20 in den Eingangs-Ausgangs-Controller 7 ist erforderlich, um die Digitalisierung der Signale von den Rückstreudetektoren 3, 4 synchronisieren zu können.
Bestehen die Rückstreudetektoren 3, 4 aus einer Fernsehkamera mit CCD-Bildgebungselementen, so wird die Synchronisation so vorgenommen, daß die Ladungsverschiebung vom erfassenden zum speichernden Bereich genau nach Abfall des Impulssignals des Zeitmodulators 20 erfolgt.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch zur Isolierung der die Mikrozirkulationsfunktion darstellenden dynamischen Abbildungen der (mit dem Detektor 4 aufgenommenen) Rückstreustrahlung verwendet werden, insbesondere bei Reflektion von Umgebungslicht von der Oberfläche eines lebenden Organismus, der keine Blutgefäßschichten umfaßt, sowie bei kontinuierlicher Beleuchtung. In diesem Fall wird das Synchronisationssignal von dem Sensor 19, der den natürlichen Körperrhythmus aufnimmt, über den Zeitmodulator 20 lediglich dem Eingangs-Ausgangs-Controller 7 zur Digitalisierung der Detektoren 3, 4 sowie für die synchrone Bildspeicherung im Speicher 9 des Computersystems 8 verwendet.
Zur Isolierung von dynamischen Abbildungen lebenden Organgewebes aus unterschiedlichen Tiefen wird - wie vorstehend erwähnt - die Einstrahlung an mindestens einem Punkt der Oberfläche fokussiert und die radiale Verteilung des Streulichts um den Strahl aufgezeichnet. Zwecks dieser Fokussierung der optischen Einstrahlung ist zwischen der optischen Strahlungsquelle und dem lebenden Organismus ein optisches System 24 (Fig. 6) angeordnet. Im einfachsten Fall der Strahlfokussierung auf einen Punkt kann dieses optische System aus einer Zoom-Linse bestehen.
Um mehrere fokussierte Strahlen zu erhalten, kann ein optisches System gemäß Fig. 7 verwendet werden. Es besteht aus einer - in der Ebene der Lichtaustrittsöffnung des optischen Systems angeordneten - Scheibe 25 mit den daran befestigten Lichtwellenleitern 26. Die Anzahl dieser Lichtwellenleiter 26 richtet sich nach der Anzahl der Punkte, an denen die Strahlung auf die Oberfläche des lebenden Organismus fokussiert ist. Die entgegengesetzten Enden der Lichtwellenleiter 26 sind in einer gewissen Entfernung zueinander an der Oberfläche einer weiteren Scheibe 27 befestigt, wobei sich dieser Abstand nach der relativen Anordnung der Fokussierungspunkte auf der Oberfläche des lebenden Organismus richtet. Die von den einzelnen Lichtwellenleitern abgegebenen Strahlen werden mit Hilfe der Zoom-Linse 28 auf die Oberfläche des lebenden Organismus projiziert.
Um die Einstrahlpunkte abtastend über die Oberfläche des lebenden Organismus zu führen, ist zwischen der Optik und der zu untersuchenden Oberfläche ein Abtastsystem 29 (Fig. 9) vorgesehen. Dieses Abtastsystem umfaßt einen Antrieb 31, einer Abtaststeuerung 31, einem Untersetzungsgetriebe 32 sowie einem Spiegel 33. Letzterer liegt in der optischen Achse des optischen Systems 23 und ist über das Untersetzungsgetriebe mechanisch mit dem Antrieb 30 verbunden, dem der Ausgang der Abtaststeuerung 31 zugeführt wird. Am sinnvollsten ist der Einsatz eines diskreten Strahls (bzw. einer diskreten Strahlgruppe), die sich über die Oberfläche des lebenden Organismus hin- und herführen läßt.
In diesem Fall kann als Antrieb 30 ein Schrittmotor verwendet werden, der zu jedem Schritt einen entsprechenden Spannungsimpuls von der Abtaststeuerung 31 erhält. Zur Synchronisation des Abtastvorgangs mit der Funktion der Gesamtvorrichtung - insbesondere den Rückstreuungsdetektoren 3,4 - wird der Steuereingang der Abtaststeuerung 31 mit einem entsprechenden Ausgang des Eingangs-Ausgangs-Controllers 7 verbunden.
Um eine spektrale Filterung der Einstrahlung und/oder der durch den lebenden Organismus hindurchgetretenen und von seiner Oberfläche zurückgestreuten Strahlung zu erhalten, was zur Isolierung von Teilbilddynamiken der Mikrozirkulation und des Zellstoffwechsels erforderlich sein kann, ist nahe der Licht austrittsöffnung der optischen Strahlungsquelle 2 und/oder nahe den Rückstreuungsdetektoren 3, 4 mindestens ein optischer Filter angeordnet (Fig. 10).
Wie vorstehend bereits erwähnt, bietet die Frequenzmodulation der Einstrahlung auf den lebenden Organismus die Möglichkeit der Erstellung von Teildynamik-Abbildungen, die separat die funktionelle Dynamik der Konzentrationsveränderung von Oxyhämoglobin, desoxydiertem Hämoglobin und Cytochrom aa3 charakterisieren. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Frequenzmodulator 34 ausgestattet, der mit der optischen Lichtquelle 2 verbunden ist (Fig. 11). In einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung läßt sich dieser Frequenzmodulator als eine Gruppe geregelter Spannungsquellen ausführen. Jede dieser geregelten Spannungsquellen liefert die Energie für eine oder mehrere Gruppen von Leuchtdioden, die an der optischen Strahlungsquelle 2 angeordnet sind, wobei jede dieser LED-Gruppen Licht auf einer eigenen Wellenlänge abstrahlt.
Die Wellenlänge der optischen Einstrahlung wird nun jeweils durch Einschalten der entsprechenden geregelten Spannungsquellen verändert. Seine Steuersignale erhält der Frequenzmodulator von dem entsprechenden Ausgang des Eingangs-Ausgangs-Controllers 7.

Industrieller Einsatz

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Diagnose des funktionellen Zustandes lebender Organismen sowie deren Prototyp umfassen daher eine optische Strahlquelle sowie einen Durchstrahlungsdetektor, der an der der Einstrahlungsseite gegenüberliegenden Seite des lebenden Organismus angeordnet ist und nacheinander mit einem Analog-Digital-Umformer, einem Eingangs- Ausgangs-Controller sowie einem Computersystem verbunden ist. Vorgesehen ist zudem ein Rückstreuungsdetektor, der auf derselben Seite des lebenden Organismus angeordnet ist wie die Strahlquelle, sowie ein Schalter, der die Möglichkeit einer sequentiellen Aufnahme bietet und wiederum über den Analog- Digital-Umformer die Signale beider Detektoren (d. h. des Einstrahlungs- und Rückstreuungsdetektors) der anschließenden Aufzeichnungsstrecke zuführt. Diese zweikanalige Erfassung der von dem lebenden Organismus gestreuten Strahlung bietet die Möglichkeit einer hinreichenden Optimierung der räumlichen Auflösug der dargestellten pathologischen Gewebeinhomogenitäten - und zwar primär von Tumoren, die nahe der bestrahlten Oberfläche liegen, aber auch solcher, die in einiger Tiefe von beiden Oberflächen des lebenden Organismus entfernt liegen. Der Hauptvorteil der Vorrichtung besteht jedoch in ihrem völlig anderen Funktionsmodus: anstatt (wie der Prototyp) nur eine räumliche Verteilung (Einzelbild) zu liefern, wird bei der Vorrichtung mit Hilfe des Analog-Digital-Umformers sowie des Eingangs-Ausgangs-Controllers im Speicher des Computersystems die kontinuierliche Bildfolge gesammelt. Um eine kontinuierliche Aufzeichnung über den Zeitverlauf zu erzielen, werden mit Hilfe des Computers über einen Eingangs-Ausgangs-Controller die Intervalle zwischen den Einzelbildern auf einen Wert gestellt, der wesentlich kürzer als die Zeitkonstante des untersuchten physiologischen Prozesses ist. Der Schalter bietet dabei die Möglichkeit, abwechselnd Bilder der durchgetretenen und rückgestreuten Strahlung aufzunehmen, wodurch sich eine praktisch simultane Darstellung des lebenden Organismus im Streulicht von beiden Seiten ergibt. Eine solche dynamische Abbildung des lebenden Organismus erlaubt, wie vorstehend bereits ausgeführt, eine frühe Erkennung pathologischer Zustände wie z. B. Krebstumoren, da ein Tumor bereits den Charakter der funktionellen Dynamik des mikrozirkulatorischen Blutgehalts in wesentlich ausgedehnteren Regionen des lebenden Organismus verändern kann, längst bevor er groß genug ist, um mittels morphologischer Abbildung (Einzelbild) erkennbar zu werden. Dies gilt für dynamische Abbildungen lebender Organismen sowohl in ihrer natürlichen Zustandsveränderlichkeit als auch insbesondere in ihrer Reaktion auf diverse äußere Einflußfaktoren.
Verfahren und Vorrichtung sind völlig unschädlich und bieten eine Möglichkeit, funktionelle Abbildungen von lebenden Organismen zu erhalten, die die variable raumzeitliche Struktur physiologischer Reaktionen der Mikrozirkulation und des Zellstoffwechsels erkennbar machen, wodurch die unterschiedlichsten Störungen physiologischer Regulierungsmechanismen im frühesten Stadium ihres Auftretens wahrnehmbar werden.

Claims

1. Verfahren zur Diagnostik eines Zustandes eines lebenden Organismus mit folgenden Schritten:

- Bestrahlen des lebenden Organismus oder eines Teiles desselben mit elektromagnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich,

- Empfangen von durch den lebenden Organismus hindurchgegangener und rückgestreuter Strahlung des optischen Wellenlängenbereichs,

- Aufzeichnen derselben in Form von Abbildungen einer räumlichen Verteilung mindestens eines Parameters, der die Durchlässigkeit und die Rückstreuung elektromagnetischer Strahlung im optischen Wellenlängenbereich durch den lebenden Organismus kennzeichnet, wobei die räumliche Verteilung sequentiell und zeitlich kontinierlich aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufnehmen der räumlichen Verteilung der Koeffizienten der Durchlässigkeit und der Rückstreuung der Strahlung durch den lebenden Organismus.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Amplitudenmodulation der Strahlung.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der elektromagnetischen Strahlung synchron mit einem der physiologischen Rhythmen des lebenden Organismus stroposkopisch moduliert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Konzentration elektromagnetischer Strahlung minde stens an einem Punkt einer Oberfläche des lebenden Organismus und Aufnehmen einer räumlichen Verteilung mindestens eines die Rückstreuung der elektromagnetischen Strahlung durch Gewebe des lebenden Organismus kennzeichnenden Parameters relativ dazu, wobei der Zustand von Geweben des Organismus in verschiedenen Tiefen beurteilt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Abtasten der bestrahlten Oberfläche des lebenden Organismus mit der auf mindestens einen Punkt konzentrierten elektromagnetischen Strahlung.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch spektrales Filtern der durch den lebenden Organismus hindurchgegangenen und der vom lebenden Organismus zurückgestreuten elektromagnetischen Strahlung bei Absorptionsbanden physiologischer Pigmente.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Frequenzfiltern der Strahlung mindestens in einem Bereich aus dem Wellenlängenintervall von 0,38 um bis 0,48 um und/oder von 0,52 um bis 0,62 um.

9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Strahlungsfrequenzfilterung mindestens in einem Bereich aus dem Wellenlängenintervall von 0,6 um bis 0,75 um.

10. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Strahlungsfrequenzfilterung mindestens in einem Bereich aus dem Wellenlängenintervall von 1 um bis 1,1 um.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den lebenden Organismus hindurchgegangene und von dem lebenden Organismus rückgestreute, fre quenzmodulierte elektromagnetische Strahlung synchron bei der Modulationsfrequenz empfangen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Modulation eines Strahls mindestens in einem Bereich aus dem Wellenlängenintervall von 0,6 um bis 0,65 um und/oder 0,65 um bis 0,72 um.

13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Sichtbar-Machen von räumlichen Bereichen in den sequentiell aufgenommenen räumlichen Verteilungen, wobei sich die räumlichen Bereiche voneinander mindestens in einem Parameter, der ihre zeitlichen Änderung kennzeichnet, unterscheiden, und durch Aufzeichnen der genannten Bereiche in Form einer funktionellen Abbildung in dem lebenden Organismus ablaufender physiologischer Prozesse.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als unterscheidender Parameter der zeitliche Kreuzkorrelationskoeffizient mindestens eines Parameters, der das Hindurchgehen und das Rückstreuen der elektromagnetischen Strahlung an unterschiedlichen Punkten des untersuchten Bereichs des lebenden Organismus kennzeichnet, verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Untersuchung wellenähnlicher physiologischer Prozesse als unterscheidender Parameter die Geschwindigkeit zeitlicher wellenähnlicher Änderungen mindestens eines Parameters, der das Hindurchgehen und die Rückstreuung der elektromagnetischen Strahlung durch den lebenden Organismus kennzeichnet, verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als unterscheidender Parameter eine Frequenz zeitlicher Änderungen mindestens eines Parameters, der das Hindurchgehen und die Rückstreuung elektromagnetischer Strahlung durch den lebenden Organismus kennzeichnet, verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als unterscheidender Parameter eine zeitliche Verzögerung von Änderungen mindestens eines Parameters, der das Hindurchgehen und die Rückstreuung genannten Strahlung durch den lebenden Organismus kennzeichnet, verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als unterscheidender Parameter Anzahl und Lage von Extrema in der zeitlichen Dynamik mindestens eines Parameters, der das Hindurchgehen und die Rückstreuung der genannten Strahlung durch den lebenden Organismus kennzeichnet, verwendet werden.

19. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch synchrones Aufnehmen mit mindestens einem der natürlichen physiologischen Rhythmen des lebenden Organismus.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Atemrhythmus des lebenden Organismus als ein natürlicher physiologischer Rhythmus des lebenden Organismus verwendet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Herzschlagrhythmus des lebenden Organismus als ein natürlicher physiologischer Rhythmus des lebenden Organismus verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Muskeltremor des lebenden Organismus als ein natürlicher physiologischer Rhythmus des lebenden Organismus verwendet wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch simultane Untersuchung funktionell verbundener Bereiche des lebenden Organismus.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch simultane Untersuchung paarweiser Organe des lebenden Organismus.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anwenden mindestens einer äußeren Einwirkung auf den lebenden Organismus oder auf einen Teil des lebenden Organismus.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere Einwirkung Änderungen physikalischer Parameter der den lebenden Organismus umgebenden Umgebung verwendet werden.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere Einwirkung Änderungen in Parametern der externen Atmung des lebenden Organismus verwendet werden, und daß mittels erzielter optischer funktioneller Abbildungen, die physiologische Reaktionen des lebenden Organismus kennzeichnen, sowohl der Zustand des Atemsystems als auch der Zustand der Homöostase des gesamten Organismus beurteilt werden.

28. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch die Verwendung von Vibration als ein äußerer Parameter.

29. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch die Verwendung eines elektrischen Feldes als eine äußere Einwirkung.

30. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf verschiedene Bereich eines untersucht werdenden Organs einwirkendes magnetisches Wechselfeld als äußere Einwirkung verwendet wird und daß über die optischen funktionellen Abbildungen physiologischer Reaktionen auf solch eine Einwirkung an den reflektiven Hautprojektionen dieses Organs Vorhandensein und Lokalisation eines pathologischen Befundes beurteilt werden.

31. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch die Verwendung von körperlicher Bewegung als äußere Einwirkung.

32. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einen Punkt eines diagnostiziert werdenden inneren Organs fokussierter Ultraschall als äußere Einwirkung verwendet wird und daß Vorhandensein und Lokalisation pathologischer Befunde mittels der optischen funktionellen Abbildungen physiologischer Reaktionen auf diese Einwirkung an dem diesem Organ entsprechenden Dermatom beurteilt werden.

33. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß äußerer Druck als äußere Einwirkung verwendet wird und der Zustand diagnostiziert werdender Organe mittels optischer funktioneller Abbildungen physiologischer Reaktionen auf ein Anlegen und/oder Entfernen des äußeren Druckes beurteilt wird.

34. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wärmestrahlung und/oder Wärmeflüssen als äußere Einwirkung.

35. Vorrichtung zur Diagnostik eines Zustandes eines lebenden Organismus mit:

- einer Quelle (2) optischer Strahlung,

- einem auf der dem bestrahlten Teil des lebenden Organismus gegenüberliegenden Seite angeordneten Detektor (3) durch den lebenden Organismus (1) gestreuter Strahlung,

- einem Analog-Digital-Wandler (6), einem Eingangs-Ausgangs- Controller (7) und einem Computersystem (8), wobei der Analog- Digital-Wandler (6), der Eingangs-Ausgangs-Controller (7) und das Computersystem (8) in Reihe geschaltet sind,

- einem zusätzlichen, auf derselben Seite wie die optische Strahlungsquelle (2) angeordneten Detektor (4) durch den lebenden Organismus gestreuter Strahlung und

- einem Kommutator (5),

wobei zwei Eingänge des Kommutators (5) mit Ausgängen der entsprechenden Detektoren der durch den lebenden Organismus gestreuten Strahlung verbunden sind, der Ausgang des Kommutators (5) mit einem Eingang des Analog-Digital-Wandlers (6) verbunden ist, drei Ausgänge des Eingangs-Ausgangs-Controllers entsprechend mit einem Steuereingang des Kommutators und des jeweiligen Detektors der durch den lebenden Organismus gestreuten Strahlung verbunden sind und die Vorrichtung hindurchgehende und rückgestreute elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich aufnimmt und Abbildungen räumlicher Verteilung, die sequentiell und zeitlich kontinuierliche Aufnahmen der hindurchgegangenen und der rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung beschreibt, aufzeichnet.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch einen optisch mit der Strahlungsquelle (2) verbundenen Referenzdetektor (13) optischer Strahlung und einen zwischen einem Ausgang des Kommutators (5) und einem Eingang des Analog-Digital-Wandlers (6) angeordneten Teiler (14), wobei ein Eingang des Referenzdetektors (13) optischer Strahlung mit einem Eingang des Teilers (14) verbunden ist.

37. Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einem Sensor (19) mindestens eines Parameters des natürlichen physiologischen Rhythmus des lebenden Organismus und einem Zeitmodulator (20), dessen Ausgang mit einem Eingang der optischen Strahlungsquelle (2) und einem entsprechenden Eingang des Eingangs-Ausgangs-Controllers (7) verbunden ist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (19) eines natürlichen physiologischen Rhythmus des lebenden Organismus als Atemrhythmusmesser ausgebildet ist.

39. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (19) eines natürlichen physiologischen Rhythmus des lebenden Organismus als Herzschlagrhythmusmesser ausgebildet ist.

40. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (19) eines natürlichen physiologischen Rhythmus des lebenden Organismus als Muskeltremormesser ausgebildet ist.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 40, gekennzeichnet durch ein optisches System (24), das zwischen der Quelle (2) optischer Strahlung und der Oberfläche des lebenden Organismus (1) angeordnet ist, und optische Strahlung mindestens in einem Punkt auf der Oberfläche des lebenden Organismus (1) fokussiert.

42. Vorrichtung nach Anspruch 41, gekennzeichnet durch ein Abtastsystem (29), das optisch mit dem optischen System (24) verbunden ist und dessen Eingang mit dem entsprechenden Ausgang des Eingangs-Ausgangs-Controllers (7) verbunden ist.

43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Filter (34) auf derselben optischen Achse wie die Quelle (2) optischer Strahlung zwischen der Quelle (2) optischer Strahlung und der bestrahlten Oberfläche des lebenden Organismus (1) angeordnet ist.

44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zusätzliches optisches Filter (34) auf der optischen Achse von Detektoren (3 und 4) durch den lebenden Organismus gestreuter Strahlung zwischen dem eben genannten Detektor und der untersucht werdenden Oberfläche des lebenden Organismus angeordnet ist.

45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 44, gekennzeichnet durch einen Frequenzmodulator (35), dessen Ausgang mit der Quelle (2) optischer Strahlung und dessen Eingang mit einem entsprechenden Ausgang des Eingangs-Ausgangs-Controllers (7) verbunden ist.