DE19522774A1 - Einrichtung zur spektroskopischen Untersuchung von Proben, die dem menschlichen Körper entnommen wurden - Google Patents
Einrichtung zur spektroskopischen Untersuchung von Proben, die dem menschlichen Körper entnommen wurdenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur
spektroskopischen Untersuchung von Proben, die dem
menschlichen Körper entnommen wurden, zur Unterstützung
therapeutischer Verfahren.
Es sind viele Einrichtungen bekannt, mit denen Blut
optisch untersucht wird um auf konkrete Krankheiten zu
schließen. Dabei wird meistens der Peak einer
charakteristischen Wellenlänge genutzt. Anhand dieses
Peakes wird entschieden, ob die entsprechende Krankheit
bzw. der entsprechende Erreger vorhanden ist oder nicht.
Ähnliche Einrichtungen gibt es für Urin, Luft und
ähnliches. All diese Einrichtungen haben aber den
Nachteil, daß eine sichere Diagnose nur erfolgen kann,
wenn eine genaue Zuordnung zwischen Peak und
entsprechender Krankheit besteht. Dies ist aber oft nicht
der Fall. Außerdem ist im Falle einer Überlagerung
mehrerer Peakes der entsprechende Einzelpeak schwer
herausfilterbar. Eine Änderung des menschlichen
Gesundheitszustandes, d. h. die Dynamik dieses Prozesses
kann mittels dieser Einrichtungen nicht erfaßt werden.
Es gibt weiterhin Einrichtungen, in denen Blut mit
anderen chemischen Substanzen in Berührung gebracht wird
und nach der chemischen Reaktion das Material bei einer
bestimmten oder bei mehreren bestimmten Wellenlängen
spektroskopiert wird. Auch hier besteht der Nachteil, das
bei einer Überlagerung mehrerer Peakes keine Aussagen
mehr getroffen werden können, und daß es nur auf ganz
bestimmte eindeutig definierbare oder zuordenbare
Krankheiten anwendbar ist; eine Dynamik ist nicht zu
erkennen.
Es ist weiterhin ein System zur zentralen Bearbeitung von
medizinischen Daten bekannt (DE-OS 38 15 633), bei dem die
von einem Patienten ermittelten biophysischen Daten
gespeichert und mittels einer Telefonstrecke an eine
zentrale Datenverarbeitungsanlage einer Klinik oder eines
Hospitals übertragen werden. Derartige Systeme könnten
genutzt werden, um den zur Diagnose nötigen
Erfahrungsschatz weiter zu verbreiten. Eine derartige
Anwendung ist aber nicht bekannt.
Auch ist ein Hilfsgerät für die Diagnose von Erkrankungen
der Herzgefäße und des Lungenadersystems bekannt
(DE-OS 38 33 617). Dabei handelt es sich um ein System zum
Sammeln von Daten, die man von Verwandten oder von
früheren Untersuchungen mit nichtinvasiven Meßfühlern
einem Gerät zur Analyse der ausgeatmeten Luft zuführt und
mit einem System der künstlichen Intelligenz auswertet.
Für die Auswertung müssen konkrete Zusammenhänge bekannt
sein bzw. werden nur ganz bestimmte Daten und deren
Zuordnungen erfaßt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu
schaffen, die durch spektroskopische Untersuchungen von
Proben, die dem menschlichen Körper entnommen wurden,
Hinweise auf vorhandene Krankheiten liefert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Einrichtung
zur spektroskopischen Untersuchung von Proben, die dem
menschlichen Körper entnommen wurden, gelöst. Sie besteht
aus einer ein Spektrum mindestens einer Probe
aufnehmenden spektroskopischen Meßeinheit, der über einen
Steuer- und Datenaufbereitungsblock eine intelligente
lernfähige Auswerteeinheit mit neuronalem Netz
nachgeschaltet ist, die ihrerseits mit einem
Massenspeicher für Datensätze verbunden ist.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
dargestellt. So kann die Meßeinheit mindestens aus einem
akustooptischen Spektrometer und/oder aus mindestens
einer Meßeinrichtung für Gasanalyse bestehen. Dabei kann
die Meßeinrichtung mindestens ein Massenspektrometer
und/oder einen Gaschromatographen und/oder einen
Geruchssensor und/oder ein Mikrowellenspektrometer
enthalten. Der Massenspeicher kann vorzugsweise ein
CD-ROM-Speicher sein.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die
Einrichtung das gesamte Spektrum innerhalb eines
bestimmten Wellenlängenbereiches aufnehmen kann, d. h.
also, daß geringste Veränderungen herausfilterbar sind.
Somit können entschieden mehr Informationen sowohl über
den gegenwärtigen Zustand als auch über die Entwicklung
des menschlichen Gesundheitszustandes erlangt werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht eine völlig
neuartige Auswertung bzw. einen neuartigen Vergleich des
erhaltenen Spektrums mit früher aufgenommenen Spektren
unter Nutzung eines intelligenten Expertensystems auf der
Basis eines neuronalen Netzes. Zur Inbetriebnahme der
Einrichtung muß kein explizites medizinisches Wissen über
die Zusammenhänge zwischen Meßspektren eingegeben werden,
sondern die Einrichtung kann dieses Wissen aufgrund ihrer
Ausstattungsmerkmale anhand von bekannten Trainingsdaten
(Meßspektren mit zugehörigen Krankheiten) selbst
erlernen. Auf Grund dieses selbstlernenden intelligenten
Auswerteprinzips ist die Einrichtung auch in der Lage,
mehrere Spektren unterschiedlicher Proben gleichzeitig zu
verarbeiten und miteinander zu korrelieren. Außerdem kann
das aus den Trainingsdaten extrahierte Wissen auf
transportablen Massenspeichern abgelegt werden, so daß es
auch an anderer Stelle verfügbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer
Zeichnung in vereinfachter Weise dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Einrichtung und
Fig. 2 den Aufbau eines neuronalen Netzes.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Einrichtung
zur spektroskopischen Untersuchung von Proben, die dem
menschlichen Körper entnommen wurden. Eine Lichtquelle 1
steht über Probenräume 2 mit einer spektroskopischen
Meßeinheit 3 in Wirkverbindung. Der Meßeinheit 3 ist über
einen Steuer- und Datenaufbereitungsblock 6 eine
intelligente lernfähige Auswerteeinheit 7 mit neuronalem
Netz nachgeschaltet, die ihrerseits mit einem
Massenspeicher 8 für Datensätze verbunden ist. Die
Meßeinheit 3 besteht mindestens aus einem akustooptischen
Spektrometer 3a, 3b und/oder aus mindestens einer
Meßeinrichtung 4 für Gasanalyse, d. h., daß gleichzeitig
die Spektren einer sinnvollen Anzahl verschiedener Proben
meßtechnisch erfaßt und ausgewertet werden. Zur
Realisierung der Gasanalyse können gleichzeitig mehrere
Meßeinrichtungen angeordnet sein, beispielsweise
Massenspektrometer, Gaschromatographen, Geruchssensoren
und/oder Mikrowellenspektrometer. So können
beispielsweise auch Urin, Blut und/oder Blutserum
und/oder Blutplasma und/oder ein Gemisch aus Blut und
entsprechenden chemischen Reaktanten spektroskopiert
werden. Es ist eine Vielzahl von Kombinationen möglich,
so daß das Einsatzgebiet der Einrichtung vielfältigst
ist. So wird beispielsweise eine menschliche
Körperflüssigkeit innerhalb des Wellenlängenbereiches von
200 Nanometer bis 40 Mikrometer optisch spektroskopiert
oder in dem genannten Wellenlängenbereich
spektro-ellipsometrisch untersucht. Ein anderes
beispielsweise gasförmiges Stoffwechselendprodukt wird
optisch im Wellenlängenbereich von 200 Nanometer bis 40
Mikrometer untersucht. Ein drittes Stoffwechselendprodukt
kann bei 750 Mikrometer bis 15 Millimeter spektroskopiert
und/oder im Bereich von 10 bis 1000 amu
massenspektroskopisch untersucht werden. Die auf diese
Weise erhaltenen Spektren ebendieser Substanzen von
Patienten mit bekannten Gesundheitszuständen werden zum
Training eines intelligenten Expertensystems auf Basis
künstlicher neuronaler Netzwerke, die in der Lage sind,
Funktionsmuster des menschlichen Gehirnes nachzubilden,
benutzt. Die (meist sehr vielen) Neuronen eines solchen
Netzes sind zweckmäßigerweise in Schichten angeordnet,
wobei die Neuronen der einen Schicht über Synapsen mit
den Neuronen der vorangegangenen Schicht verbunden sind.
Zu jeder Synapse gehört eine reelle Zahl (das sogenannte
Gewicht), die angibt, mit welcher Stärke ein Signal von
einem Neuron zum nächsten übertragen wird. Ein Neuron
sammelt lediglich alle Signale der ankommenden Synapsen
und gibt sie an seinen Ausgang, von wo es durch andere
Synapsen weitergeleitet wird. In die Neuronen der ersten
Schicht werden die Eingangssignale eingespeist, die
Neuronen der letzten Schicht liefern die Ausgangssignale.
Fig. 2 zeigt den Aufbau und den Datenfluß eines solchen
neuronalen Netzes. Beim Aufbau eines intelligenten
Expertensystemes mit einem neuronalen Netz ist es also
nicht nötig, daß der Mensch die dem zu lösenden Problem
innewohnenden Zusammenhänge erkennt, begreift,
mathematisch formuliert und programmiert. Das neuronale
Netz ist aufgrund seiner Intelligenz und Lernfähigkeit in
der Lage, alle diese zeit- und arbeitskraftintensiven
Arbeitsschritte selbständig durchzuführen. In diesem
Lernprozeß werden die Gewichte aller Synapsen 9 so lange
verändert, bis das Netz die gewünschte Zuordnung der
Ausgangsdaten zu den Eingangsdaten realisiert. Auf diese
Weise kann das trainierte intelligente Expertensystem
anhand der Spektren von einem Patienten mit unbekannten
Gesundheitszustand eine Information liefern, die vom Arzt
als Diagnosevorschlag genutzt werden kann. Da die Anzahl
der Neuronen 10 in einem Netz unbegrenzt ist, lassen sich
beliebig komplizierte Zuordnungsvorschriften und damit
Datenverarbeitungsaufgaben realisieren. Außerdem können
gezielt Nichtlinearitäten in die Neuronen 10 eingebaut
werden sowie speziell angepaßte Lernalgorithmen verwendet
werden, so daß die verschiedensten Problemklassen mit
einem einheitlichen Konzept gelöst werden können. Bei der
Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur
Diagnoseunterstützung erlernt das neuronale Netz konkret
die Zusammenhänge beispielsweise zwischen den Spektren
von Blut, Urin und Ausatemluft und den dazugehörigen
Krankheitsbildern, damit kann sie auch zur medizinischen
Diagnose zur Früherkennung von Krebs eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es also,
gleichzeitig beispielsweise sowohl Blut, Urin und
Ausatemluft des zu untersuchenden Patienten
lichtspektroskopisch und die Ausatemluft außerdem noch
massenspektroskopisch zu erfassen, auszuwerten und mit
bekannten Spektren zu vergleichen. Diese "bekannten"
Spektren müssen natürlich erstmals einmalig erfaßt
werden. Dazu wird jeweils eine größere Anzahl von
Patienten (z. B. 500) mit für den späteren Einsatzfall
typischen Krankheitsbildern ausgewählt, zur Erlangung
genauer Kenntnisse über vorliegende Krankheiten ärztlich
untersucht, Proben dieser Patienten, beispielsweise Blut,
Urin und Ausatemluft, mittels einer hinreichend
leistungsfähigen Meßtechnik (z . B. akustooptischen
Spektrometern mit hoher Meßgeschwindigkeit, hoher
Empfindlichkeit und hoher Auflösung) spektroskopisch
untersucht. Damit erfolgt die Bildung von
Trainingsdatensätzen, bestehend aus den aufgenommenen
Spektren eines jeden Patienten und den zugehörigen
ärztlich ermittelten Krankheitsbildern und die Ablage der
Trainingsdatensätze auf einem geeigneten Speichermedium.
Nunmehr kann das Training des intelligenten
Expertensystemes anhand der gewonnenen Datensätze
erfolgen, wobei eine Extraktion des Wissens über
Zusammenhänge zwischen Spektren und Krankheitsbildern und
automatische Speicherung dieses Wissens im intelligenten
Expertensystem erfolgt. Das intelligente Expertensystem
wurde vor dem Einsatz an vielen typischen Datensätzen
(Spektren mit dazugehörigen Krankheitsbildern) trainiert,
wodurch es die notwendigen Zusammenhänge zwischen
Spektren und Krankheitsbildern selbständig erkennt.
Durch ständiges Training des intelligenten
Expertensystems bei seinem Einsatz zur medizinischen
Diagnose erhält man immer neue Trainingsdatensätze mit
zugehörigen Diagnosen. Damit ist die erfindungsgemäße
Einrichtung universell einsetzbar und fast unbegrenzt
selbst lernfähig.
Claims (7)
1. Einrichtung zur spektroskopischen Untersuchung von
Proben, die dem menschlichen Körper entnommen wurden,
bestehend aus einer ein Spektrum mindestens einer Probe
aufnehmenden spektroskopischen Meßeinheit (3), der über
einen Steuer- und Datenaufbereitungsblock (6) eine
intelligente lernfähige Auswerteeinheit (7) mit
neuronalem Netz nachgeschaltet ist, die ihrerseits mit
einem Massenspeicher (8) für Datensätze verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinheit (3) mindestens aus einem
akustooptischen Spektrometer (3a, 3b) und/oder aus
mindestens einer Meßeinrichtung (4) für Gasanalyse
besteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung (4) mindestens ein
Massenspektrometer enthält.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung (4) mindestens einen
Gaschromatographen enthält.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung (4) mindestens einen Geruchssensor
enthält.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung (4) mindestens ein
Mikrowellenspektrometer enthält.
7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, der der Massenspeicher (8) ein
CD-ROM-Speicher ist.
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