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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur optischen, ortsauflösenden
Bestimmung von Dichteverteilungen in biologischem Gewebe.
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In
der WO 88/01485 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen,
ortsauflösenden
Bestimmung von Dichteverteilung in biologischem Gewebe beschrieben,
bei dem das biologische Gewebe mit einem parallelen Strahlengang
von Infrarotlichtbündeln durchsetzt
wird. Diese Infrarotlichtbündel
werden mit einer Detektoreinheit ausgewertet, auf der sie ein Muster
erzeugen, das lediglich der Strahlung entspricht, welche ungebrochen
und ungestreut durch das Gewebe tritt. Das Gewebe wird mit dem Bündel aus
parallelen Infrarotstrahlen unter verschiedenen Einstrahlwinkeln
durchsetzt, um auf diese Weise eine dreidimensionale Dichteverteilungsinformation über das
biologische Gewebe zu erhalten.
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Zur
bildgebenden Untersuchung menschlichen Gewebes sind seit längerem eine
Reihe von Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt. So werden beispielsweise
Röntgenstrahlen
eingesetzt, um gut kontrastierte Bilder des menschlichen Skelettaufbaus zu
gewinnen. Bei der Detektion von Tumoren, wo die zu detektierenden
Dichtedifferenzen zwischen den verschiedenen Gewebe-Bestandteilen
teilweise kleiner als 5% sind, ist die hiermit erreichbare Bildqualität jedoch
für eine
sichere Diagnose oft nicht ausreichend. Nachteilig bei der Verwendung
von Röntgenstrahlen
ist weiterhin, dass diese eine ionisierende Wirkung auf die durchstrahlten
Körperteile
besitzen.
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Auch
bekannte NMR-spektroskopische in-vivo-Untersuchungsverfahren bieten
bei derart geringen optischen Dichteänderungen im Gewebe nur begrenzte
Auswertemöglichkeiten.
Zudem sind derartige Verfahren aufwendig und erfordern lange Messzeiten.
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Seit
geraumer Zeit werden deshalb optische Verfahren zur bildgebenden
Diagnose von biologischem Gewebe untersucht, die die bekannten Nachteile
der Röntgenstrahlung
bzw. NMR-spektroskopischen Untersuchungsverfahren vermeiden sollen. Derartige
Vorrichtungen bzw. Verfahren auf optischer Basis werden beispielsweise
im US-Patent 4,972,331 beschrieben. Aus der Veröffentlichung von J.M. Schmitt
et al.: Use of polarized light to discriminate short-path photons
in a multiply scattering medium (Applied Optics, Vol. 31, No. 30,
pp. 6353-6546) ist desweiteren bekannt, wie mit Hilfe infraroter
Strahlung und insbesondere der Auswertung der Streustrahlungs-Anteile
die Detektion von "Fremdkörpern" in stark streuenden
Medien realisiert werden kann.
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Den
Vorrichtungen bzw. Verfahren auf optischer Basis aus den genannten
Veröffentlichungen ist
jedoch der Nachteil gemeinsam, daß lediglich qualitative Aussagen über das
Vorhandensein bestimmter Gewebe-Anteile, z.B. Tumore, zu machen
sind. Es ist damit jedoch nicht möglich, diese Gewebe-Anteile
präzise
im Gewebe zu lokalisieren oder aber deren Dimensionen exakt zu bestimmen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur optischen, ortsauflösenden Bestimmung von Dichteverteilungen in
biologischem Gewebe sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen,
wobei die erwähnten
Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Gegenstand
des Anspruches 12 ist ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Der
erfindungsgemäße Einsatz
einer Scan-Einheit, die sowohl das sendeseitige definierte Positionieren
eines lokalbegrenzten Strahlenbündels einer
Strahlungsquelle als auch die gleichzeitige ortsaufgelöste Registrierung
der transmittierten Strahlungsanteile erlaubt, gestattet nunmehr
die hochpräzise
ortsauflösende
Bestimmung von Dichteverteilungen bzw. Dichteänderungen in biologischem Gewebe.
Es lassen sich somit beispielsweise präzise Aussagen über die
Lokalisation von Tumoren im menschlichen Gewebe machen, die unterschiedliche optische
Dichten im Vergleich zum umliegenden, gesunden Gewebe aufweisen.
Ebenso sind nunmehr exakte Informationen über die Dimensionen derartiger
veränderter
Dichteverteilungen zugänglich.
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Neben
der primär
gewünschten,
ortsauflösenden
Detektion lokaler Dichteänderungen
im Gewebe kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch auch dazu eingesetzt werden, geringe Dichteänderungen
im Gewebe über
längere
Zeiträume
zu erfassen. Dies kann z.B. zur Überwachung
von Gewebe-Veränderungen
im Verlauf einer medikamentösen
Behandlung erforderlich sein. Eine Auswertung der registrierten-Signale kann dann
z.B. dergestalt erfolgen, wie sie etwa in der bereits erwähnten Veröffentlichung
von J.M. Schmitt et al. beschrieben wird.
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Je
nach gewünschter
Auswertung können verschieden
aufgebaute Scan-Einheiten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt
werden. Insgesamt ist somit ein modularer Aufbau der gesamten Vorrichtung
möglich,
bei dem einzelne Komponenten je nach Anwendung austauschbar sind.
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Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines Verfahrens
zu deren Betrieb ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Figuren.
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Dabei
zeigt
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer schematisierten Darstellung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer schematisierten Darstellung.
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Anhand
von 1 wird im folgenden
ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben. Das zu untersuchende biologische Gewebe (1),
z.B. ein Teil der menschlichen Hand, ist hierbei zwischen den Backen
(2a, 2b) einer U-förmigen Meßzange (2) angeordnet,
in die die Scan-Einheit
integriert ist. Der Abstand der beiden Backen (2a, 2b)
der Meßzange
(2) ist definiert einstellbar, was über den Pfeil mit dem Bezugszeichen (9)
schematisiert angedeutet werden soll. Dies kann über eine bekannte Verschiebemechanik
oder dgl. realisiert werden. Die Verschiebemechanik umfaßt desweiteren
eine – ebenfalls
nicht dargestellte – Längenmeßeinrichtung
in Form eines bekannten inkrementellen oder absoluten Wegmeß-Systemes,
die ein laufendes Erfassen des aktuell eingestellten Abstandes der
beiden Backen (2a, 2b) zu Auswertezwecken ermöglicht.
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Die
Meßzange
ist desweiteren vorteilhafterweise durch geeignete Materialwahl
desinfizierbar gestaltet. Als günstig
erweist es sich hierbei, wenn die Meßzange inclusive Scan-Einheit
konstruktiv so ausgeführt
ist, daß sie
leicht zerlegbar ist und die einzelnen Teile in einem Autoklaviator
einfach desinfiziert werden können.
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Zur
eigentlichen Scan-Einheit gehört
neben der Strahlungsquelle (3), der Detektoreinheit (4)
und der jeweils zugehörigen
Verschiebeeinrichtung von Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit
(4) eine Dickenmeßeinrichtung
(5, 6), mit der die jeweils aktuelle Dicke des
zu untersuchenden Gewebes (1) erfaßt wird.
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An
einem der beiden Backen (2a) der Meßzange (2) ist erfindungsgemäß die Strahlungsquelle (3)
sowie am entgegengesetzten Backen (2b) die Detektoreinheit
(4) angeordnet. Sowohl die Strahlungsquelle (3)
als auch die Detektoreinheit (4) können mit Hilfe der – nicht
dargestellten – Verschiebe-Einrichtung
in einer Ebene definiert positioniert werden, was mittels der beiden
Pfeile (3')
bzw. (4')
angedeutet werden soll. Hierbei ist sowohl eine Verschiebemöglichkeit
entlang einer Geraden wie auch eine flächige Verschiebung realisierbar.
Eine Scan-Einheit-Steuerung
(8) übernimmt
das definierte Verschieben von Strahlungsquelle (3) und
Detektoreinheit (4), je nach gewünschtem Scan-Modus und erfaßt auch
jeweils die aktuellen Positionen von Strahlungsquelle (3)
und Detektoreinheit (4).
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Neben
der dargestellten Möglichkeit,
sowohl Strahlungsquelle (3) als auch Detektoreinheit (4)
definiert verschiebbar auszulegen, ist es alternativ ebenso möglich, entweder
nur die Strahlungsquelle oder die Detektoreinheit zu verschieben.
Ebenso kann eine Detektoreinheit eingesetzt werden, die z.B. während eines
Scan-Vorganges in zeitlicher Abfolge lokal empfindlich geschaltet
wird.
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Wesentlich
ist jeweils nur, daß bei
bekannter Position des Einstrahlortes im Gewebe austrittsseitig eine
ortsabhängige
Registrierung der transmittierten bzw. gestreuten Strahlungsanteile
erfolgt.
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Erfindungsgemäß erfolgt
in einem ersten Scan-Vorgang bei festgehaltener Einstrahlposition der
Strahlungsquelle (3) ein ortsaufgelöstes Erfassen der transmittierten
und gestreuten Strahlungsanteile mit Hilfe der Detektoreinheit (4) über einen
bestimmten Raumwinkel. In den anschließenden Scan-Vorgängen wird
die Einstrahl-Position der Strahlungsquelle (3) mit Hilfe
der Scan-Einheit relativ zum zu durchstrahlenden Gewebe (1)
verändert
und jeweils erneut die zu dieser Einstrahlposition gehörenden Streulichtverteilungen über die
Detektoreinheit (4) erfaßt. Es werden dabei so viele
einzelne Scan-Vorgänge
durchgeführt,
bis anhand der registrierten Signale eine rechnerische Rekonstruktion
des durchstrahlten Gewebes möglich
ist.
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In
den auf den ersten Scan-Vorgang folgenden Scan-Vorgängen kann
neben der örtlichen
Variation des Einstrahlortes der Strahlungsquelle auch die jeweilige
Detektoreinheit nachgeführt
werden. Eine derartige Nachführung
kann z.B. so aussehen, daß die
optischen Achsen von Strahlungsquelle und Detektoreinheit immer
synchron zueinander bewegt werden.
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Es
erfolgt demnach ein punktweises Durchstrahlen des zu untersuchenden
Gewebes bei gleichzeitiger Erfassung der transmittierten Streulichtverteilung über einen
definierten Raumwinkel. Bei jedem aufeinanderfolgenden Scan-Vorgang
wird die Punktlichtquellen-Position relativ zum Gewebe inkremental verändert.
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Eine
mögliche
Signalgewinnung kann neben einer einfachen Messung der transmittierten
Intensitäten
auch auf Grundlage der Phasenmodulations-Spektroskopie erfolgen,
wie sie etwa im US-Patent
US
4,972,331 beschrieben ist.
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Hierbei
wird sendeseitig die Strahlungs-Amplitude hochfrequent im Bereich
100 MHz – 500
MHz intensitätsmoduliert
und die Streustrahlung detektorseitig nach dem Passieren des Gewebes
ortsaufgelöst
registriert. Ausgewertet werden detektorseitig dabei die resultierenden
Phasenänderungen
des hochfrequent modulierten Lichtes als auch die Amplitudenänderungen
des Hochfrequenzanteiles der Streustrahlung relativ zur ursprünglichen
Strahlung.
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Die
weitere Verwertung der gewonnenen Informationen in einem geeigneten
Rekonstruktionsverfahren ist etwa aus der Veröffentlichung "M.Schweiger, S.R.Arridge,
D.T.Delpy: Application of the Finite-Element Method for the Forward
and Inverse Models in Optical Tomography, Journal of Mathematical
Imaging and Vision 3 (1993), S. 263" bekannt.
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Als
Strahlungsquelle (3) dienen im dargestellten Ausführungsbeispiel
ein oder mehrere Laserdioden, die im infraroten Spektralbereich
arbeiten und gemäß dem Signalverarbeitungsverfahren
hochfrequent moduliert werden können.
Die Laserdiode mit einer entsprechenden vorgeordneten Optik liefert ein
lokal eng begrenztes Strahlenbündel,
welches definiert über
das zu untersuchende Gewebe (1) gerastert werden kann,
d.h. die Strahlungsquelle kann als punktähnliche Lichtquelle mit definierter
Apertur und definiertem Öffnungswinkel
betrachtet werden.
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Alternativ
ist es möglich,
die gewünschte Lichtquelle
mit dem eng begrenzten Strahlenbündel beispielsweise
auch mit Hilfe eines sendeseitig vorgesehenen faseroptischen Lichtleiters
zu realisieren, der vor einer geeigneten Strahlungsquelle angeordnet
ist und dessen Strahlaustrittsfläche
mit einer speziellen Kollimationsoptik versehen ist und über das Gewebe
bewegt bzw. gerastert wird.
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Entscheidend
bei der Wahl der Strahlungsquelle ist jeweils lediglich, daß eine möglichst
eng begrenzte Apertur mit einem kleinen Öffnungswinkel vorliegt, deren
Einstrahlposition definiert relativ zum zu durchstrahlenden Gewebe
positioniert werden kann.
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Geeignete
Strahlungsquellen-Wellenlängen liegen
vorteilhafterweise im infraroten Spektralbereich zwischen 600 nm
und 1300 nm, wo biologisches Gewebe eine relativ hohe Transmission
aufweist. Neben der Verwendung einer einzelnen Wellenlänge können parallel
auch zwei oder mehr Wellenlängen
gleichzeitig eingesetzt werden. Hierzu sind dann z.B. entsprechend
zwei oder mehr Strahlungsquellen verschiedener Wellenlänge einzusetzen.
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Empfangsseitig
ist als Detektoreinheit (4) im dargestellten Ausführungsbeispiel
ein flächiges CCD-Array
vorgesehen, mit dem eine ortsaufgelöste Registrierung der transmittierten
bzw. gestreuten Strahlungsanteile möglich ist.
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Für den Betrieb
mit hochfrequent moduliertem Laserlicht kann das CCD-Array wahlweise
ebenfalls direkt hochfrequent moduliert werden oder aber zusammen
mit einen vorgeschalteten Bildverstärker mit hochfrequent modulierter
Verstärkung
betrieben werden. Die detektorseitige Modulationsfrequenz ist dabei
um einen Frequenz-Offset δf
im kHz-Bereich gegen
die Modulationsfrequenz der Laserdiode verstimmt, so daß das CCD-Array
ein Signal der Frequenz δf
registriert, das sämtliche
relevanten Informationen wie Amplitude und Phase des hochfrequent
modulierten Lichtes enthält.
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Das
CCD-Array kann dabei über
die erwähnte,
nicht dargestellte, Verschiebeeinrichtung ebenso wie die Strahlungsquelle
(3) definiert relativ zum Gewebe (1) positioniert
werden, so daß hiermit
auch größere Gewebeteile
untersucht werden können.
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Alternativ
ist als Detektoreinheit (4) auch eine CCD-Zeile einsetzbar,
die entsprechend verschoben werden kann. Daneben ist detektorseitig auch
der Einsatz eines faseroptischen Lichtleiters mit nachgeordneter
wellenlängenselektiver
Detektoreinheit möglich,
der die zu registrierende transmittierte bzw. im Gewebe gestreute
Strahlung ortsabhängig registriert.
Zur ortsabhängigen
Registrierung der Streustrahlungsanteile über einen definierten Raumwinkel
wird in einem Scan-Vorgang bei festgehaltener Einstrahlposition
die Eintrittsfläche
des faseroptischen Lichtleiters austrittsseitig über das Gewebe gerastert, was
ebenfalls mit Hilfe einer bekannten Verschiebemechanik erfolgen
kann.
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Auch
bei der Verwendung eines faseroptischen Sensors können selbstverständlich die
oben beschriebenen Methoden der Signalgewinnung mit hochfrequent
moduliertem Licht verwendet werden.
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Neben
der Möglichkeit,
wie im dargestellten Ausführungsbeispiel,
sowohl Strahlungsquelle (3) als auch Detektoreinheit (4)
definiert ortsvariabel auszugestalten, kann alternativ auch nur
die Strahlungsquelle (3) oder die Detektoreinheit (4)
entsprechend verschiebbar ausgelegt werden.
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Neben
der reinen Verschiebung sind jedoch auch andere Scan- bzw. Raster-Verfahren
erfindungsgemäß einsetzbar,
wie z.B. die Rotation um ein zylinderförmiges Gewebeteil oder dgl..
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Die
Scan-Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfaßt
desweiteren eine Dickenmeßeinrichtung
(5, 6), mit deren Hilfe die jeweilige Dicke des aktuell
durchstrahlten Gewebes (1) bestimmt werden kann. Diese
Information ist zur – anschließend skizzierten – Auswertung
der registrierten Strahlungs-Signale und der rechnerischen Rekonstruktion
des durchstrahlten Gewebes erforderlich. Im Ausführungsbeispiel von 1 sind zur Dickenmessung
neben der Strahlungsquelle (3) und der Detektoreinheit (4)
jeweils Tastspitzen angeordnet, die mit einer definierten Federkraft
gegen das zu durchstrahlende Gewebe (1) drücken und
derart unmittelbar im Kontakt mit den Gewebe-Grenzflächen sind.
Die Ausgangssignale der Dickenmeßeinrichtung (5, 6)
werden zusammen mit den Informationen über den eingestellten Abstand
der beiden Backen (2a, 2b) der Meßzange (2)
in einer zugehörigen
Auswertestufe (12) der Dickenmeßeinrichtung (5, 6)
verarbeitet, die die bestimmten Dicken-Meßwerte
anschließend
an die zentrale Auswerteinheit (10) der erfindungsgemäßen Vorrichtung übergibt.
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Wie
bereits angedeutet verarbeitet die zentrale Auswerteinheit (10)
desweiteren auch die Informationen, die von der Scan-Einheit-Steuerung
(8) über
die aktuellen Positionen von Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit
(4) erfaßt
werden. Zur Auswertung benötigt
die zentrale Auswerteeinheit (10) schließlich noch
die registrierten Signale der Amplitude und Phase des hochfrequentmodulierten
Lichtes sowie den Gleichlichtanteil auf der Detektoreinheit (4),
die von einer geeigneten Auswertestufe (11) der Detektoreinheit
(4) an die zentrale Auswerteeinheit (10) übergeben
werden.
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Die
erfindungsgemäß, numehr
ortsaufgelöst bei
bekannter Einstrahlposition registrierten Streulichtanteile können bei
bekanntem Abstand zwischen Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit
(4) sowie den bekannten optischen Gewebe-Pararmetern dazu verwendet
werden, örtliche "Störungen" im untersuchten
Gewebe zu lokalisieren. Derartige "Störungen", wie z.B. Tumore,
besitzen eine unterschiedliche optische Dichte im Vergleich zum
umliegenden gesunden Gewebe und können ortsaufgelöst lokalisiert
werden.
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Die
rekonstruktive Berechnung der optischen Dichteverteilung anhand
der in mehreren Scans gewonnen Informationen erfolgt durch Entfaltungsalgorithmen
unter Verwendung von berechneten Vorwärts-Kernels. Details zu einem
derartigen Auswerteverfahren finden sich etwa in der bereits oben
zitierten Veröffentlichung
von M. Schweiger et al..
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Hierbei
wird davon ausgegangen, daß die
erfolgenden Streuprozesse im Gewebe mit den jeweils vorliegenden,
optischen Dichtverteilungen korreliert sind und somit aus der Detektion
der Streulichtanteile eine rekonstruktive Berechnung der vorliegenden, örtlichen
Gewebedichte- Verteilungen
möglich
ist. Die Entfaltung der registrierten Signale erfolgt mit sogenannten
adaptiven Vorwärtskerneln,
die aus Modellberechnungen auf Grundlage der bekannten Streueigenschaften
des zu untersuchenden Gewebs resultieren.
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Zur
Auswertung können
ferner die objektabhängigen
Beugungserscheinungen der Photonen-Dichtewellen herangezogen werden.
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Aus
der erfolgten rekonstruktiven Berechnung der optischen Dichtverteilung
im untersuchten Gewebe über
die Auswerteeinheit ist schließlich über eine
nachgeordnete Bildverarbeitungseinheit und ein entsprechendes Display
(13) eine zwei- oder dreidimensionale Darstellung der untersuchten
Gewebe-Teile möglich.
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Eine
alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 2 dargestellt.
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Im
Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel
aus 1 ist anstelle der
Meßzange
mit integrierter Scan-Einheit nunmehr eine tomographische Gantry
vorgesehen, in die die Scan-Einheit
integriert ist. Die Strahlungsquelle (23) und die Detektoreinheit (24)
der Scan-Einheit rotieren nach Art eines tomographischen Scanners
um das zu untersuchende Gewebe (21). Die Strahlungsquelle
(23) ist auch hierbei wieder als Punktlichtquelle mit definierter,
eng begrenzter Apertur ausgeführt.
Desweiteren gestattet die Detektoreinheit (24) analog zum
ersten Ausführungsbeispiel
die ortsaufgelöste
Registrierung der transmittierten Strahlungsanteile.
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Desweiteren
umfaßt
auch die erfindungsgemäße Vorrichtung
dieses Ausführungsbeispieles eine
Dickenmeßeinrichtung
(25, 26) in Form zweier, am Gewebe (21)
anliegender Tastspitzen.
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Die
Signalverarbeitung erfolgt prinzipiell identisch zum vorab beschriebenen
Ausführungsbeispiel,
d.h. es ist ebenfalls eine zentrale Auswerteeinheit (100)
vorgesehen, die die Informationen der Scan-Einheit und der Dickenmeßeinrichtung
entsprechend verarbeitet und ggf. über eine Bildverarbeitungseinheit
auf einem Display darstellt.
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Mit
Hilfe dieser Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
insbesondere Schnittbilder des zu untersuchenden Gewebes unterschiedlichster
Perspektive realisiert werden, wie sie etwa auch in gleicher Art
und Weise bei der NMR-Tomographie gewonnen werden.