DE69728408T2

DE69728408T2 - Nichtinvasive abbildung von biologischem gewebe

Info

Publication number: DE69728408T2
Application number: DE69728408T
Authority: DE
Inventors: Britton Chance; Shoko Nioka; Qingming Luo
Original assignee: Non Invasive Technology Inc
Current assignee: Non Invasive Technology Inc
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: EP0926981B1; AU4349097A; WO1998010698A1; DE69728408D1; US5853370A; EP0926981A1

Description

Die Erfindung liefert den grundsätzlichen Nachweis der Durchführbarkeit des Abbildens von Körpergewebe für medizinische Zwecke, und insbesondere von Neuralgewebe, speziell dem Gehirn, durch Anwendung spektrophotometrischer Techniken.
Frühere Forschungsarbeit hat Niedrigauflösungs-Schattenaufnahmen bzw. -bilder (shadowgrams) des Äußeren der Hirnrinde bzw. des Cortex hergestellt, wobei Kanten oder betonte Konturen fehlen.
PCT Veröffentlichung WO 9325145 offenbart spektroskopische Verfahren und Systeme zur Untersuchung eines Objekts bzw. einer Versuchsperson, das zwischen Eingangs- und Detektionsanschlüssen des spektroskopischen Systems, das auf das Objekt angewandt wird, angebracht ist. Die spektroskopischen Systeme umfassen zumindest eine Lichtquelle zum Einführen an einem oder multiplen Eingangsanschlüssen, elektromagnetische nicht-ionisierende Strahlung von einem bekannten zeitveränderlichen Muster der Photonendichte von einer Wellenlänge, die ausgesucht wurde, um, während sie in dem Objekt wandert, gestreut und absorbiert zu werden, Strahlungsmustersteuermittel zum Erreichen eines gerichteten Musters der emittierten resultierenden Strahlung, die einen beträchtlichen Photonendichtegradienten besitzt, zumindest einen Detektor zum Detektieren der Strahlung, die in dem Objekt wandert bzw. migriert ist, und zwar an einem oder mehreren Detektionsanschlüssen. Die Systeme umfassen auch Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten der detektierten Strahlung und zum Erzeugen von Datensätzen, und Evaluations- bzw. Auswertungsmitteln zum Untersuchen des Objekts unter Nutzung der Datensätze. Das emittierte Richtstrahlungsmuster verwendet seinen Photonendichtegradienten, um einen versteckten Gegenstand zu entdecken, während es über das untersuchte Objekt scannt. Die Wellenlänge der Strahlung kann so ausgewählt werden, dass sie empfindlich für endogene oder exogene Farbstoffe bzw. Pigmente ist, oder dass sie eine fluoreszierende Emission eines interessierenden fluoreszierenden Bestandteils in dem Objekt bewirkt. Der Betrieb der Systeme ist computergesteuert.
PCT-Veröffentlichung WO 9220273 offenbart verschiedene Spektrophotometer zum Untersuchen biologischen Gewebes. Die beschriebenen Spektrophotometersysteme umfassen eine Lichtquelle zum Einführen der Strahlung in das Gewebe, einen Detektor zum Detektieren der Strahlung, die durch das Gewebe gewandert ist, Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten der Signale der detektierten Strahlung, um Verarbeitungsdaten zu erzeugen, und Auswertungsmittel zum Bestimmen physiologischer und pathophysiologischer Veränderungen in dem interessierenden Gewebe. Ein Spektrophotometer eines ersten Typs bestimmt den metabolischen bzw. Stoffwechselzustand eines aerobisch beanspruchten Gewebeteils, beispielsweise das Muskelgewebe einer trainierten Person. Ein Spektrophotometer eines zweiten Typs verwendet die Differenzmessung der Strahlung, die auf zwei Migrationspfaden zwischen zwei Quelle-Detektor-Paaren auf dem Kopf angebracht ist, und zwar auf eine Art und Weise, dass jeder Pfad in einem Teil einer Hirnhälfte bzw. Hemisphäre angebracht ist. Diese Differenzmessung kann auf anderen symmetrischen Gewebebereichen durchgeführt werden. Ein Spektrophotometer eines weiteren Typs verwendet ein optisches Modul mit zwei Lichtquellen und zwei zentral angebrachten Detektoren. Dieses optische Modul ermöglicht eine Einstellung der Entfernung zwischen den Quellen und den Detektoren.
PCT-Veröffentlichung WO 9620638 offenbart einen Opto- bzw. Lichtkoppler zur in vivo Untersuchung biologischen Gewebes. Dieser Koppler umfasst einen optischen Eingangsanschluss bzw. optische Eingangsstelle, die auf oder nahe dem untersuchten Gewebe anbringbar ist, einen ersten Lichtwellenleiter, der optisch an die optische Einlassstelle gekoppelt ist und hergestellt ist zum Übertragen optischer Strahlung einer sichtbaren oder Infrarotwellenlänge von einer Quelle an die optische Eingangsstelle. Der Opto- bzw. Lichtkoppler umfasst auch eine optische Detektionsstelle, die auf oder nahe dem untersuchten Gewebe positionierbar ist, hergestellt und angeordnet, um Strahlung zu empfangen, die in dem untersuchten Gewebe von der Eingangsstelle aus gewan dert ist. Der Lichtkoppler ermöglicht auch eine genaue relative Geometrie der Eingangs- und Detektionsanschlüsse bzw. -stellen. Der Lichtkoppler kann weiterhin ein System aufweisen zum steuerbarer Verändern absorptiver und streuender Eigenschaften des optischen Mediums. Der Lichtkoppler kann weiterhin für einen Nadellokalisationsvorgang eingestellt werden, für Ultraschalluntersuchung des Gewebes, und kann Spulen zur Magnetresonanzabbildung des auch optisch untersuchten Gewebes aufweisen.
PCT-Veröffentlichung WO 8801485 offenbart tomographisches Abbilden interner Körperstrukturen, das auf Transparenzunterschieden basiert, erreicht durch Beleuchten des Körpers mit einem Bündel von Lichtstrahlen im Nahinfrarotbereich, angeordnet vorzugsweise in einer Serie paralleler Reihen, Verarbeiten der übertragenen Strahlen, die aus dem Körper austreten, um die Effekte der Streuung zu beseitigen, Detektieren der verarbeiteten Strahlen in einer für ihre Querschnittsanordnung in dem Bündel spezifischen Weise, und Wiederholen des Vorgangs bei unterschiedlichen Einfallswinkeln, um simultane bzw. gleichzeitige tomographische Abbilder durch computerisierte tomographische Techniken zu erzeugen.
U.S. Patent 4,940,453 offenbart ein effizientes Verfahren und eine Vorrichtung zur magnetischen Anregung bzw. Stimulation von Nervenbahnen eines Organismus höherer Ordnung, nämlich des menschlichen Körpers. Das Verfahren umfasst selektives Anlegen sinusförmig schwankender elektrischer Leistung an eine Stimulationsspule, die die Neuronen, die stimuliert bzw. angeregt werden sollen, überlagert. Die Leistungsfrequenz und somit die Periode des Magnetfelds, das von der Spule erzeugt wird, wird ausgewählt, um der Zeitkonstanten des zu stimulierenden Neurons zu entsprechen. Realisierbare Werte fallen in den Bereich von 1,25 bis 1,43 mal die Zeitkonstante des zu stimulierenden Neurons. Der Strom und die Spannung der angelegten Leistung sind um 90° phasenverschoben zu dem Strom, der der Spannung nacheilt. Während der ersten Polaritäts-(z. B. positive)-Auslenkung der angelegten Spannung, ist das von der Spule erzeugte Magnetfeld ungenügend, um darunter liegende Neuronen zu stimulieren, d. h. um ein ein Neuron depolarisie rendes elektrisches Feld zu erzeugen. Vielmehr tritt Stimulation während der zweiten Polaritäts-(z. B. negativ)-Auslenkung der angelegten Spannung auf. Vorzugsweise endet der Spulenstromfluss an dem Ende des ersten Stromzyklus. Alternativ kann man, wenn Restimulation während der dritten und darauf folgenden Polaritätsauslenkung der angelegten Spannung erwünscht ist, den Spulenstrom abfallen lassen. Die Vorrichtung der Erfindung umfasst eine Serienschaltung, die die Stimulatorspule 59 umfasst und einen Hochspannungskondensatorblock 57, der parallel geschaltet ist mit einem Leistungsschalter 55, über den Ausgang einer Leistungszufuhr 51. Schließen des Leistungsschalters 55 bewirkt Entladen des Kondensatorblocks bzw. der Konsatorbatterie (bank) 57 durch die Spule 59 und Erzeugung des Magnetfelds, das die darunter liegenden Neuronen stimuliert. Die Effizienz ist hoch, da der Widerstand sowohl der Kondensatorentladungsschaltung als auch des Leistungszufuhrausgangs niedrig ist. Außerdem ist, da der Widerstand der Kondensatorentladungsschaltung niedrig ist, der Entladungsstromfluss hoch, wodurch ein dichtes Magnetfeld erzeugt wird. Verriegelungsschaltungen sind vorgesehen, um unbeabsichtigten Betrieb der Vorrichtung zu verhindern. Wenn erwünscht, kann die magnetische Neuronenstimulation gleichzeitig und/oder der Reihe nach durch Anlegen elektrischer Leistung an ein Paar voneinander beabstandeter Elektroden, die in der Nähe der Spule angebracht sind, verstärkt werden.
U.S. Patent 5,143,081 offenbart das Messen von Verhaltenstendenzen, bei denen Antworten auf Stimuli messbar sind, die bestimmt werden mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Anlegen einer Folge gepaarter Stimuli oder Reize auf das System und Messen und Analysieren des Ansprechens bzw. der Antwort. Der erste jedes Reizpaares (Konditionierreiz) wird mit zufallsmäßig variierenden Intensitäten und bei einem konstanten Intervall angelegt. Das zweite jedes Reizpaares (Testreiz) wird mit einer konstanten Intensität und einem zufallsmäßig variierenden Intervall von seinem zugeordneten Testreiz angelegt. Durch geeignete Analyse der Amplitude und Latenz der hervorgerufenen Antworten, kann wichtige Information über Ermüdung, Re fraktärperiode, supernormale Periode, Grenzwert und dynamische Schwankung bestimmt werden.
DE-43 03 047 A1 offenbart ein Verfahren zum Analysieren multidimensionaler inhomogener Strukturen auf der Basis einer lokalen und volumen-definierten Streulichtmessung mittels sowohl einer Vielzahl von Lichtquellen als auch Lichtempfängern, angebracht in einer x/y-Ebene und ausgelegt als Flächensender und Flächenempfänger, die mit der zu analysierenden Struktur in Kontakt sind. Strahlung im sichtbaren und/oder Nahinfrarotbereich wird verwendet und wird in Z-Richtung emittiert bzw. empfangen. Eine Vielzahl kombinierter Sendereinheiten und Empfängereinheiten ist, jede mit einer k-Distanzform, ein Sensor. Strukturinhomogenitäten werden nahe dem Sensor und entfernt von dem Sensor in der z-Richtung proportional zu der k-Distanz bestimmt durch Auswerten der Signale in verschiedenen nk-Distanzen von einer k-Reihe bzw. Linie für die aktivierten Sender und Empfänger der kombinierten Senderelemente und Empfängerelemente. Die k-Reihe bzw. Linie in der x/y-Ebene ist herumgeführt um zumindest einen ausgewählten Sender bzw. Empfänger und die Reflexionssignale, die sich aus dem entsprechenden ähnlichen Radius ergeben, werden bestimmt. Außerdem werden kombinierte Sender/Empfängerelemente ausgewählt und in einer vorbestimmten Weise aktiviert, so dass eine Vielzahl verschiedener Radien für eine dreidimensionalen Analyse erhalten werden.
Wir haben gezeigt, dass durch Einsetzen einer Anordnung von Anschlüssen für einen Satz eines Einzelquelle-, Einzeldetektorpaares und durch Implementieren des Systems, um eine Abfolge von Datensätzen zu erfassen, Bilddatensätze mit deutlichem Unterschied realisiert werden können, die nützlich für Diagnose und Behandlung sind, z. B. auf Echtzeitbasis, bei relativ niedrigen Kosten. Blutvolumen und Oxigenierung (Sauerstoffbeladung), zum Beispiel, können direkt abgebildet werden.
Wir haben in Hirnmodellen und menschlichen Gehirnen gezeigt, dass eine optische Abbildungseinrichtung das aktivierte Gebiet des menschlichen Ge hirns lokalisieren kann. Wir haben definierte Abbilder erzeugt, die zeigen, dass Einzelfunktionen des Gehirns, wie beispielsweise einen Gegenstand zu beobachten (visuell), einen kleinen Teil des Körpers zu bewegen (Sensomotorik) und Denken (Erkennung), nur ein Gebiet so klein wie 0,5 bis 1 cm der Hirnrinde zu aktivieren scheinen. Die Stelle der Aktivierung, die aus dem hergestellten Abbild zu erkennen war, befand sich da, wo sie erwartet wurde. Im Fall des nebeneinanderstehenden (Seite-an-Seite) Quelle- und Detektorpaares, zwischen denen das Wahrscheinlichkeitsmuster der Photonen eine Bananenform annimmt, hängt die theoretische Auflösung und empfindliche Tiefe von der Sensor-Detektor-Entfernung ab (halbe Entfernung). Durch Auswahl der Quellen-Detektor-Entfernung, wurde eine Bildauflösung von so gut wie 1,25 cm erreicht. Abbilden weißer Gehirnsubstanz auf ausgewählte Tiefen wird durch Erhöhen des Abstandes bis auf 7 cm realisiert.
Durch schnelles Erfassen der Abbilder (2 bis 8 Sekunden für einen Datensatz, innerhalb von ungefähr 20 Sekunden für einen Bilddatensatz mit deutlicher Differenz) haben wir die Durchführbarkeit des optischen Abbildens (der optischen Bildgebung) als ein Werkzeug für Gebiete der Psychiatrie, Psychologie, Neurologie, Pathophysiologie, Chirurgie etc. demonstriert. Direkter Kontakt der Eingangs- und Ausgangsstellen bzw. -anschlüsse mit dem Objekt führen zu einem günstigen Signal-Rausch-Verhältnis, was zu einer guten Bildauflösung führt. Insbesondere hat direkter Kontakt einer Anordnung von Miniaturquellen (Lampen oder Dioden) und Detektoren ein umfangreiches Signal geliefert.
Durch die Fähigkeit Bilder in einer kurzen Zeitspanne zu erhalten (innerhalb von Minuten, typischerweise innerhalb weniger als einer Minute) wurde gezeigt, dass sich das Feld der nicht-invasiven und schonenden optischen Echtzeitgewebeüberwachung, und zwar in einer Tiefe unter der Oberfläche, in greifbarer Nähe befindet.
Die Verwendung optischer Techniken vermeidet Gewebeschädigung, kann billig durchgeführt werden und kann weitere Vorteile liefern gegenüber MRT (Magnet-Resonanz-Tomographie = Kernspintomographie), FMRT (funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie = funktionelle Kernspintomographie), P. E. T. (Positronenemissionstomographie), Computer-EEG und Ähnlichem.
Zum Beispiel sind die Quelle- und das Detektor-Modul schnell an dem Kopf oder einem anderen Körperteil befestigt, wie beispielsweise mit einem Helm, und vermindern ein ernstzunehmendes Problem von Artefakten, das in Beziehung zur Bewegung des Objekts relativ zu dem Detektor während der Zeit des Abbildens steht, das bei anderen Bildgebungsverfahren bzw. Abbildungstechniken auftritt.
Die hier beschriebene Arbeit führt zur Diagnose einer Beeinträchtigung bzw. Schadens infolge eines Traumas, Schlaganfalls, Alzheimer Erkrankung und verschiedener pathophysiologischer Erscheinungsbilder. Außerdem zeigt die Erfindung, zusammen mit der gegenwärtigen Gebietskenntnis, die Ausführbarkeit des Verfahrens in weiten Nutzungsgebieten, und zwar das Detektieren und Abbilden einer lokalen Störung oder Veränderung umfassend, die in weitem Zusammenhang mit einer mentalen Funktion, physiologischen Funktion und biochemischen Funktion steht.
Es wird gezeigt, dass Lichtquellen, die kein Sicherheitsrisiko darstellen, bei relativ niedrigen Kosten nutzbringend verwendet werden können bei der Echtbildgebung (true imaging). Durch Einsatz der Differenzmessungen werden die Ungewissheiten vermieden, die normalerweise die Spektroskopie mit kontinuierlicher Welle (CWS (continuous wave spectroscopy)) auf Tendenzanzeichen begrenzen. Der größere Informationsgehalt der Phasenmodulation und zeitlich aufgelösten Spektroskopie führt zu sogar noch informativeren Abbildungen.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ist ein optisches System zum in vivo nicht-invasiven Abbilden von Gewebsveränderungen vorgesehen, das Folgendes aufweist: ein optisches Modul, das eine Anordnung von Eingabestellen und Detektionsstellen umfasst, die in einem ausgewählten geometri schen Muster angeordnet sind, um eine Vielzahl von angeordneten Einzelquelle-, Einzeldetektorpaaren vorzusehen, die direkt in Eingriff mit dem Objekt stehen, ein Spektrophotometer, das Lichtquellenmittel umfasst, die ausgelegt sind, um elektromagnetische Strahlung von sichtbarer oder Infrarotwellenlänge in das untersuchte Gewebe einzuführen, und zwar aufeinander folgend an den Einlassstellen, wobei die Wellenlänge auf einen Bestandteil des abgebildeten Gewebes empfindlich ist, Detektormittel, die ausgelegt sind, an den Detektionsstellen Strahlung der ausgewählten Wellenlänge zu detektieren, die in dem Gewebe von den entsprechenden Einlassstellen gewandert ist, und einen Prozessor, der Signale der detektierten Strahlung von den Detektormitteln empfängt, und der ausgelegt und angeordnet ist, um ein definiertes räumliches Bild des Gewebes zu erzeugen, durch effektives Erzeugen aus Signalen von der Vielzahl angeordneter Einzelquelle-, Einzeldetektorpaaren einer Folge von Datensätzen, die, aus einer ausgewählten Ansicht, eine Folge von räumlichen Bildern des Gewebes präsentieren, und einen Bilddatensatz, der mit den Differenzen zwischen den Daten der aufeinander folgenden Datensätzen in Beziehung steht.
In einem anderen wichtigen Aspekt der Erfindung wird ein optisches System vorgesehen zum in vivo nicht-invasiven funktionellen Neurogewebeabbilden, das einen Stimulator aufweist, um eine ausgewählte funktionelle Tätigkeit eines interessierenden Neuralgewebes zu stimulieren, ein optisches Modul, das eine Anordnung von Einlassstellen und Detektionsstellen umfasst, die in einem ausgewählten geometrischen Muster angeordnet sind, um eine Vielzahl von angeordneten Einzelquellen-, Einzeldetektorpaaren vorzusehen, die in direktem Eingriff mit dem Objekt stehen, ein Spektrophotometer, das Lichtquellenmittel aufweist, die ausgelegt sind, elektromagnetische Strahlung von sichtbarer oder Infrarotwellenlänge in das untersuchte Neuralgewebe sukzessive an den Einlassstellen einzuführen, wobei die Wellenlänge auf einen Gewebebestandteil empfindlich ist, der mit einer physiologischen Antwort der abgebildeten funktionellen Tätigkeit assoziiert ist, Detektormittel, die ausgelegt sind, an den Detektionsstellen Strahlung der ausgewählten Wellenlänge zu detektieren, die in dem stimulierten Neuralgewebe von den entsprechen den Einlassstellen gewandert ist, und einen Prozessor, der Signale der detektierten Strahlung von den Detektormitteln empfängt, und der ausgelegt und angeordnet ist, um ein definiertes räumliches Bild der funktionellen Aktivität des Neuralgewebes zu erzeugen, durch effektives Erzeugen aus den Signalen von der Vielzahl von angeordneten Einzelquellen-, Einzeldetektorpaaren eines ersten Datensatzes, der, aus einer gewählten Ansicht, ein räumliches Bild des Neuralgewebes in Ruhe darstellt, einen zweiten Datensatz, von der gleichen gewählten Ansicht, ein räumliches Bild des Neuralgewebes während der Stimulation darstellend, und einen funktionellen Bilddatensatz, der in Bezug steht zu den Differenzen zwischen den ersten und zweiten Datensätzen, und zwar über die Sätze hinweg.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Aspekte der Erfindung besitzen einen oder mehrere der folgenden Merkmale.
Das optische Modul ist ausgelegt, eine ausgewählte Entfernung zwischen den Einlass- und Detektionsstellen aufrecht zu erhalten für die entsprechenden Quelle-Detektor-Paare während der Produktion bzw. Erzeugung der ersten und zweiten Datensätze, wobei die Entfernung gemäß der Gewebetiefe, die abgebildet werden soll, ausgesucht ist.
Das optische Modul oder ein assoziierter Satz von Modulen ist ausgelegt, um die Ablesungen bei verschiedenen Tiefen vorzunehmen, um 3D Datensätze zu erzeugen, von denen ein Bilddatensatz erzeugt werden kann.
Der Prozessor ist angepasst, um einen Bilddatensatz durch Implementieren eines optischen tomographischen Algorithmus zu erzeugen.
Der optische tomographische Algorithmus verwendet vorzugsweise Faktoren, die mit determinierter Wahrscheinlichkeitsverteilung von Photonen in Bezug steht, die dem Streuungscharakter des Gewebes, das abgebildet wird, zuzuschreiben ist.
Das optische System ist ausgelegt, den Bilddatensatz von einem Teil des Kopfes zu bilden. In speziellen Ausführungsbeispielen ist das optische System ausgelegt, um den funktionellen Bilddatensatz von unterhalb der Oberflächenregion der Hirnrinde bzw. des Cortex zu bilden.
Der Stimulator ist ausgelegt, um den visuellen Cortex, den kognitiven Cortex, den sensomotorischen Cortex oder das Spinal- bzw. Rückenmarksgewebe zu stimulieren bzw. zu reizen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Stimulator ausgelegt, elektrische Signale an das ausgewählte Gewebe zu liefern, ein elektrisches Feld an das ausgewählte Gewebe anzulegen oder magnetische Signale an das ausgewählte Gewebe zu liefern.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen steht der Bilddatensatz in Beziehung zu mindestens einem Element ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Blutvolumen, Hämoglobinoxigenierung oder -desoxigenierung, Photonenabsorptioskoeffizient, Photonenstreukoeffizient, Brechungsindex, Magnetfeldänderung, elektrische Feldänderung, Erzeugung oder Änderung eines speziellen Gewebebestandteils, und Erzeugung oder Änderung einer Pigmentkonzentration.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Gewebebestandteil ein endogenes Pigment, beispielsweise Hämoglobin, oder ein exogenes Pigment, beispielsweise ein ausgewähltes Kontrastmittel.
Die Quellenmittel, die Detektormittel, der Quelle-zu-Detektor-Abstand und die Rate der Erregung und Detektion werden gewählt, um es zu ermöglichen, einen Bilddatensatz in einer kurzen Zeit zu erhalten, d. h. innerhalb von Minuten, vorzugsweise innerhalb einer Minute oder weniger.
In gewissen Ausführungsbeispielen, weist das Spektrophotometer weiterhin einen ersten Oszillator auf, der ausgelegt ist, eine erste Trägerwellenform zu erzeugen mit einer ersten Frequenz in der Größenordnung von 10⁸ Hz, wobei die erste Frequenz eine Zeitcharakteristik bzw. Zeitlinie besitzt, die mit der Zeitverzögerung der Photonenmigration von einer Einlassstelle zu einer Detektionsstelle in dem untersuchten Gewebe kompatibel ist, wobei die Lichtquellenmittel an den ersten Oszillator gekoppelt sind und ausgelegt sind, Strahlung zu erzeugen, die durch die erste Trägerwellenform moduliert wird, einen Phasendetektor, der ausgelegt ist, eine Veränderung in der Wellenform der detektierten Strahlung relativ zu der Wellenform der eingeführten Strahlung zu bestimmen und daraus die Phasenverschiebung der detektierten Strahlung bei der Wellenlänge zu messen, wobei die phasenverschobene Strahlung eine Anzeige bildet für die streuenden oder absorbierenden Eigenschaften des untersuchten Gewebes, und den Prozessor, der ausgelegt ist, den zumindest teilweise auf der gemessenen Phasenverschiebung basierenden funktionellen Bilddatensatz zu erzeugen.
Vorzugsweise weist dieses optische System weiterhin einen zweiten Oszillator auf, der ausgelegt ist, eine zweite Wellenform zu erzeugen mit einer zweiten Frequenz, Detektormittel, die angeordnet sind, um eine Bezugswellenform bzw. Referenzwellenform mit einer Bezugsfrequenz zu empfangen, und zwar versetzt gegenüber einer ersten Frequenz um eine Frequenz in der Größenordnung von 10³ Hz, und um ein Signal mit der Versetzungsfrequenz zu erzeugen, das der detektierten Strahlung entspricht, und den Phasendetektor, der geeignet ist, um bei der versetzten Frequenz die detektierte Strahlung mit der eingeführten Strahlung zu vergleichen und daraus die Phasenverschiebung bei der Wellenlänge zu bestimmen.
In gewissen anderen Ausführungsbeispielen weist ein Spektrophotometer Lichtquellenmittel auf, die ausgelegt sind, um Strahlungsimpulse der Wellenlänge zu erzeugen, wobei die Impulse eine Dauer in der Größenordnung einer Nanosekunde oder kürzer besitzen, wobei die Detektormittel ausgelegt sind, abhängig von der Zeit Photonen der modifizierten Impulse zu detektieren, die in das Gewebe von den Einlassstellen migriert oder gewandert sind, einen mit den Detektormitteln verbundenen Analysator, der geeignet ist, eine Änderung der Impulswellenformgestalt der detektierten Impulse relativ zu den eingeführten Impulsen bei der Wellenlänge zu bestimmen, und wobei der Prozessor derart ausgelegt und angeordnet ist, dass er den Bilddatensatz, basierend auf der bestimmten Impulswellenformänderung, erzeugt.
Vorzugsweise ist dieser Prozessor so ausgelegt und angeordnet, dass er die effektive Pfadlänge der Photonen bei der Wellenlänge berechnet, die zwischen den Eingangs- und Detektionsstellen wandern, und zwar in Verbindung mit der Erzeugung des Bilddatensatzes.
In gewissen Ausführungsbeispielen dieses Aspektes der Erfindung ist der Prozessor derart ausgelegt und angeordnet, dass er den Streuungskoeffizient bei der Wellenlänge berechnet, und zwar in Verbindung mit der Erzeugung des Bilddatensatzes.
Auch ist der Prozessor in gewissen Ausführungsbeispielen derart ausgelegt und angeordnet, dass er den Absorptionskoeffizienten bei der erwähnten Wellenlänge in Verbindung mit der Erzeugung eines Bilddatensatzes berechnet.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das optische System so ausgelegt, dass es Photonen einführt und detektiert, und zwar bei zwei ausgewählten Wellenlängen, um Empfindlichkeit für eine Eigenschaft des Bestandteils vorzusehen.
In gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen sehen die Quellenmittel des optischen Systems eine Glühfadenlampe vor und vorzugsweise einen Satz von Miniaturlampen, die direkten Kontakt mit dem Objekt besitzen.
In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst die Quelle eine Photodiode und vorzugsweise einen Satz von Photodioden, die direkten Kontakt mit dem Objekt besitzen.
Gemäß einem anderen wichtigen Aspekt der Erfindung ist ein Instrument vorgesehen zum funktionellen Abbilden der Gehirnaktivität eines Objekts, das einen Hirnbildgeber umfasst, der eine Anordnung von Quellen und Detektoren aufweist, die eine Vielzahl von Quellen-Detektoren-Paaren definieren, so ausgelegt und angeordnet, dass sie Hämoglobin, Desoxyhämoglobin oder das Blutvolumen in dem Gehirn während Anwendung eines entsprechenden Stimulus bzw. Reizes an das Objekt abbilden, wobei der Hirnbildgeber einen Prozessor umfasst, der Signale der detektierten Strahlung von dem Detektor empfängt, und so ausgelegt und angeordnet ist, dass er ein definiertes räumliches Bild der funktionellen Aktivität des Neuralgewebes erzeugt, und zwar durch effektives Erzeugen eines ersten Datensatzes, der von einer ausgewählten Ansicht ein räumliches Bild des Blutes in der Hirnrinde bzw. im Cortex repräsentiert, während sich das Subjekt in Ruhe befindet, einen zweiten Datensatz, der von der gleichen gewählten Ansicht, ein räumliches Bild des Blutes im Cortex während der Stimulation darstellt, und einen funktionellen Bilddatensatz, der in Beziehung steht zu den Differenzen zwischen den ersten und zweiten Datensätzen, und zwar über die Sätze hinweg.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Aspekts der Erfindung besitzen ein oder mehrere der folgenden Merkmale:
Die Einrichtung hat die Form eines Nahinfrarot-Hämoglobinometers, basierend auf dem Einführen und Detektieren von Photonen, die durch das Gewebe des Kopfes gewandert sind, wobei die Einrichtung vorzugsweise zahlreiche Quelle-Detektor-Paare besitzt, um mit dem Schädel in Eingriff zu stehen, wobei die Quelle von dem Detektor beabstandet ist, und zwar für ausgewählte Paare zwischen 1,5 und 7 cm, in gewissen Fällen ist der Abstand vorzugsweise 2,5 cm oder größer. Die Einrichtung besitzt eine Vielzahl von Lichtquellen und Detektoren, die eine Anordnung von Quelle-Detektor-Paaren definieren, und eine Steuervorrichtung zum einzelnen Erregen der Quelle, wodurch eine Akkumulation der Einzelquellen-Detektorantworten ermöglicht ist.
Die Lichtquelle oder -quellen sind Glühfadenlampen, LEDs, Laserdioden oder andere Laser.
Das Instrument bzw. Messgerät umfasst eine Anordnung von Quellen von Nahinfrarot- oder sichtbaren Photonen, eine Anordnung von Detektoren, die angeordnet sind, um Photonen von den Quellen in den entsprechenden Quelle-Detektor-Paaren zu empfangen, und zwar nach der Wanderung der Photonen von den Quellen durch das Gewebe, ein System, das es ermöglicht, dass systematisch zahlreiche Ablesungen von migrierten Photonen an den Detektoren, und zwar für unterschiedliche Quelle-Detektor Positionen relativ zum Gewebe, gemacht werden, und einen Prozessor, der einen Abbildungsalgorithmus verwendet, der auf den entsprechend unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten für eine vorgegebene Detektorposition basiert, für Photonen von der Quelle, die durch unterschiedliche Regionen des Volumens des streuenden Gewebes laufen, die an unterschiedlichen Positionen gelagert sind, die seitlich von einer geraden Bezugslinie zwischen Quelle und Detektor verteilt sind.
Gemäß einem anderen wichtigen Aspekt der Erfindung weist ein Messgerät zum funktionellen Abbilden der Gehirnaktivität eines Objekts einen Bildgeber auf, der so ausgelegt und angeordnet ist, dass er Hämoglobin, Desoxyhämoglobin oder das Blutvolumen abbildet, wobei der Bildgeber eine Anordnung von Quellen von Nahinfrarot- oder sichtbaren Photonen aufweist, und eine Anordnung von Detektoren, die positioniert sind, um Photonen von den Quellen zu empfangen, und zwar nach der Migration der Photonen von den Quellen durch das Gewebe, ein System, dass es ermöglicht, dass zahlreiche Ablesungen der migrierten Photonen genommen werden, und zwar systematisch für verschiedene Quelle-Detektor-Positionen relativ zum Gewebe, und einen Prozessor, der Datensätze verwendet, die während der Ruhe und während der Stimulation genommen wurden, mit einem Abbildungsalgorithmus, der auf den entsprechend unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten für eine vorgegebene Quelle-Detektor-Position basiert, und zwar für Photonen von der Quelle, die durch unterschiedliche Regionen des Volumens des streuenden Gewebes laufen, die an verschiedenen Positionen seitlich von einer geraden Referenz- bzw. Bezugslinie zwischen Quelle und Detektor gelagert sind.
Der Abbildungsalgorithmus ist ein Rückprojektionsalgorithmus und die Wahrscheinlichkeiten sind implementiert als entsprechend unterschiedliche Gewichtungsfaktoren, die in dem Algorithmus verwendet werden für die detektierte Energie für unterschiedliche Pixel des Bildes.
Messgeräte, die gemäß den verschiedenen Hauptaspekten der Erfindung hergestellt sind, können einen oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten: Das Messgerät ist ausgelegt, dass es zumindest einen Datensatz für ein vorgegebenes Gehirngebiet speichert, während sich das Objekt in Ruhe befindet und zumindest einen Datensatz für das vorgegebene Gehirngebiet, während das Objekt stimuliert wird, und dass es ein Ausgabebild erzeugt, das die Unterschiede über dem Gebiet der entsprechenden Datensätze darstellt.
Die Lichtquellen produzieren relativ lange Lichtimpulse und das Messgerät funktioniert entsprechend der Spektroskopie mit kontinuierlicher Welle, wobei das Abbildungsgerät so ausgelegt ist, dass es Ablesungen vornimmt und verwendet bei zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen.
Eine Glühfadenlampe ist vorgesehen, um die Photonen zu erzeugen, die an den Quellen eingeführt werde, wobei vorzugsweise eine Anordnung von Miniaturglühfadenlampen angeordnet werden, um der Reihe nach erleuchtet zu werden.
Jede Quelle ist lateral bzw. seitlich versetzt von ihrem Detektor bzw. ihren Detektoren auf der Oberfläche eines Objekts, bei einem Seit-zu-Seit-Abstand zwischen ungefähr 1,5 und 7 cm, um einen bananenförmigen Wahrscheinlichkeitsgradienten der migrierenden bzw. wandernden Photonen in dem Gewebe zu errichten, das sich von der Quelle zum Detektor erstreckt.
Die Erfindung erlaubt es, Verfahren der Bilderzeugung von einem Volumen eines Licht streuenden Gewebes eines lebenden Objekts durchzuführen, wobei solche Verfahren an dem Objekt ein Abbildungsinstrument gemäß einem der vorangehenden Aspekte aufweisen, liefern und verwenden. In gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Verfahren wird ein optisches Kontrastmittel oder ein Medikament in die Blutbahn des Objekts eingeführt, und das Instrument wird verwendet, um einen Bilddatensatz für das Gewebe zu erzeugen, während sich das Kontrastmittel oder das Medikament in dem Blut befindet, das in dem Gewebe des Objekts zirkuliert oder in einem lokalisierten Gewebe gegenwärtig ist.
Diese oder andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den Zeichnungen, der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und den Ansprüchen klar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm eines optischen tomographischen Systems zum Abbilden funktioneller Aktivität des Gehirns.
2 zeigt ein Diagramm eines optischen Moduls, das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems der 1 verwendet wird.
2A zeigt ein schematisches Schaltdiagramm eines Spektrophotometers mit kontinuierlicher Welle, verwendet in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems der 1.
3A und 3B zeigen unterschiedliche Bilder des Blutvolumens, und zwar detektiert an der visuellen Hirnrinde eines Mannes, der gerade einen Bildschirm beobachtet bzw. nach einer Ruheperiode von 2 Minuten.
4A, 4B und 4C zeigen unterschiedliche Bilder von Blutvolumina der motorischen Hirnrinde eines Mannes, der mit den Fingern klopft, nach einer Ruheperiode von 30 Sekunden bzw. wiederhergestellte Ruhevolumina bei 30–60 Sekunden.
5A, 5B und 5C zeigen unterschiedliche Bilder der Hämoglobinoxgenierung des präfrontalen Cortex eines Mannes, der Wörter vom Englischen ins Französische übersetzt.
6A, 6B und 6C zeigen unterschiedliche Bilder der Blutvolumina der präfrontalen Hirnrinde eines Mannes, der Wörter vom Englischen ins Französische übersetzt.
7, 7A und 7B zeigen einen Helm, der so ausgelegt ist, dass er das optische Modul an ausgewählten Stellen auf dem Schädel befestigt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Ein optisches tomographisches System 10 zum Abbilden funktioneller Aktivität des Gehirns umfasst ein nicht-invasives optisches Modul 12, eine Spektrophotometer-einheit 20, eine Gehirnaktivitätstimulationseinheit 30 und einen Computer und eine Schnittstelleneinheit 40. Das optische Modul 12, das auf der Stirn des Kopfes 14 angeordnet ist, ist betriebsmäßig mit der Spektrophotometereinheit 20 verbunden durch beispielsweise Glasfasern 22 und 24. Der Computer und die Schnittstelleneinheit 40 überblickt und steuert automatisch den Betrieb der Spektrophotometer-einheit 20, ebenso der Stimulationseinheit 30.
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines optischen Moduls 12 sind in der PCT-Anmeldung PCT/US 96/00235, veröffentlicht als WO 96/20638 am 11. Juli 1996, und in der PCT-Anmeldung PCT/US 96/11630, eingereicht am 12. Juli 1996 und veröffentlicht als WO-A-9720494, offenbart. Das optische Modul weist eine Vielzahl optischer Eingangs (Bestrahlungs)stellen bzw. -anschlüsse und optischer Detektionsanschlüsse nach einem ausgewählten Muster auf. Die Anschlüsse sind so ausgelegt, dass sie in vivo elektromagnetische Strahlung von sichtbarer oder Infrarotwellenlänge in das Gehirn an einer ausgewählten Bestrahlungsstelle liefern und die Strahlung, die in dem Gehirn gewandert bzw. migriert ist, an einer ausgewählten Detektionsstelle sammeln. Weiterhin definiert die Konstruktion der Eingangsstellen und Detektionsstellen auch die Größe der eingeführten bzw. detektierten Lichtstrahlen. Das optische Modul kann auch eine Grenze bzw. Barriere aufweisen, oder einen ähnlichen Bestandteil, der Oberflächenphotonen, die sich nicht in dem untersuchten Gewebe ausbreiten, absorbiert.
Die Spektrophotometereinheit 20 ist ein Spektrophotometer mit kontinuierlicher Welle, wie es in der WO 92/20273-Veröffentlichung, veröffentlicht am 26. November 1996, beschrieben ist. Alternativ ist die Spektrophotometereinheit 20 ein zeitaufgelöstes Spektrophotometer, wie in den U.S. Patenten 5,119,815 und 5,386,827 beschrieben, oder ein Phasenmodulations-Spektrophotometer, wie in den U.S. Patenten 4,972,331 und 5,187,672 und in der co-pending U.S. Patentanmeldung 08/031,945 beschrieben, deren gesamte Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Stimulationseinheit 30 ist ausgelegt, dass sie eine spezielle neurale Funktion eines Objekts stimuliert. Der Stimulator, gesteuert durch den Computer 40, emittiert mechanische, elektrische, thermische, Geräusch- oder Lichtsignale, die ausgelegt sind, die interessierende neurale Aktivität zu stimulieren. Die neurale Aktivität wird durch sensorische Reize bzw. Stimuli induziert, wie beispielsweise Seh-, Hör- oder Riech- bzw. Geruchsreize, Geschmack, Tast- bzw. Berührungsunterscheidung, Schmerz- und Temperaturreize, oder propriozeptive Reize.
In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Spektrophotometer mit kontinuierlicher Welle mehrere Quellen und Detektoren, befestigt an dem optischen Modul, das auf dem Kopf des untersuchten Objekts angebracht ist. Bezugnehmend auf 2 umfasst ein optisches Modul 12a zwölf Lichtquellen S1, S2, ... S12 und vier Lichtdetektoren D1, D2, D3 und D4, die auf einem Kunststoffmaterial angebracht sind. Die Lichtquellen und die Lichtdetektoren sind in einem geometrischen Muster angebracht, das sechzehn Quelle-Detektor-Kombinationen (C1, C2, ... C16) liefert, die einen ausgewählte Quelle-Detektor-Abstand besitzen. 2,5 cm wurde als Abstand ausgewählt, was eine durchschnittliche Lichtpenetration bzw. -durchdringung von ungefähr 1,25 cm erzeugt, um ein zweidimensionales Bild der kortikalen Oberfläche zu er halten. Die Lichtquellen sind 1 W Tungsten Glühbirnen, welche Breitbandlichtquellen sind. Die Lichtdetektoren sind Silikondioden, von denen jeder mit einem Interferenzfilter ausgestattet ist, der ein 10 nm breites Band überträgt, das bei 760 nm und 850 nm zentriert ist. Die 760 nm- und 850 nm-Wellenlängen sind ausgewählt, um Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin in der untersuchten Hirnrinde zu detektieren. (Abhängig von der physiologischen Antwort, befinden sich die Wellenlängen im sichtbaren bis zum Infrarotbereich.) Ebenfalls Bezug nehmend auf 2A, ist das optische Modul 12A mit einer analogen Schaltung 50 verbunden, die eine Quellenschaltung 52 umfasst, die die Quellen S1, S2, ... S12 steuert, und eine Detektorschaltung 54, die die Detektoren D1, D2, D3 und D4 steuert. Jede Quelle wird selektiv für eine Periode von 500 msek angeschaltet. Das emittierte Licht wird von dem entsprechenden Eingangsanschluss in das Gewebe eingeführt und die Photonen wandern in dem untersuchten Gewebe zu einem Detektionsanschluss. Der entsprechende Detektor wird 200 msek nach der Quelle getriggert und sammelt 200 msek lang Licht. Detektorschaltung 54 empfängt ein Detektorsignal von dem Diodendetektor. Detektorschalter 54 ermöglicht Korrektur für das Dunkelstrom/Rauschen, das Hintergrundlicht aufweist, Gleichstromversetzung der betriebsbereiten Verstärker, Photodiodendunkelstrom, Temperatureffekte auf die Ausgangsgrößen individueller Bestandteile und Veränderungen infolge sich ändernder Umgebung.
Das System führt eine durch seinen internen Oszillator synchronisierte Datenerfassung in vier Schritten durch. Der erste Schritt wird bei abgeschalteten Lichtquellen durchgeführt. Die Detektorausgangsgröße wird zu einem Integrator 56 geleitet und der Integrationskondensator 58 wird auf die Dunkelpegelspannung_(dark level voltage)_geladen. Im zweiten Schritt wird die Lichtquelle angeschaltet und nach 200 msek wird die Vorverstärkerausgangsgröße, die der Intensität des detektierten Lichtes entspricht, zum Integrator 56 geleitet, und zwar derart, dass sie den Kondensator 58 mit Strom von einer zur Polarität des Ladestroms des ersten Schritts entgegengesetzten Polarität zu laden. Dies wird erreicht durch Dies wird erreicht durch Gebrauch einer geeigneten AN/AUS-Schalterkombination A und B. Die Spannung des Kondensators 58 lädt sich bis zu einem Wert, der nach 200 msek die totale detektierte Stärke minus dem Dunkelpegelrauschsignal repräsentiert. Im dritten Schritt werden beide Schalter A und B AUS-geschaltet, um die beiden betriebsbereiten Verstärker mit der positiven Einheitsverstärkung und der negativen Einheitsverstärkung (60 und 62) zu unterbrechen. Dann wird die Ausgangsgröße des Integrators 58 über den Schalter C zu einem Analog-zu-Digital-Konverter bewegt und as digitale Signal wird in dem Speicher des Computers 60 gespeichert. In dem vierten Schritt sind die Schalter A, B und C offen und Schalter D wird geschlossen, um den Kondensator 58 durch einen 47K Widerstand zu entladen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Schaltung des Integrators 58 auf Null zurückgesetzt und ist bereit für den ersten Schritt des Detektionszyklus.
Alternativ kann der Analogschalter 50 durch einen Computer mit einem Analog-zu-Digital-Konverter und geeigneter Software ersetzt werden, der den gesamten Betrieb des optischen Moduls 12A steuert. Zum Beispiel kann ein Quellencode in Sprache C geschrieben werden, um die Quellen und die Detektoren des optischen Moduls 12A in ähnlicher Weise, wie oben beschrieben, zu steuern. Das detektierte Dunkelpegelrauschsignal wird digital von der detektierten Intensität des eingeführten Lichtes subtrahiert. Es kann auch leicht ein Programm geschrieben werden, um die rohen Datendateien, die in C geschrieben sind, in ein anderes Format zu transferieren für den weiteren Gebrauch durch den Abbildungsalgorithmus.
Dieses optische tomographische System wurde verwendet, um die Aktivität bzw. Tätigkeit des visuellen Cortex einer 54 jährigen männlichen Versuchsperson abzubilden, und zwar bei strikter Einhaltung des festgelegten Sicherheitsprotokolls. Das optische Modul 12A wurde auf dem Okzipitalbereich der Schädelknochen platziert, um die Oberfläche des okzipitalen Cortex zu beobachten. Ein erster Datensatz wurde für alle sechzehn C1 bis C16 Kombinationen erfasst, wobei die Versuchsperson die Augen geschlossen hatte. Ein zweiter Datensatz wurde gesammelt, während die Versuchsperson einen Fernsehbildschirm beobachtete. Während einer Testperiode von 40 Sekunden beobachtete die Testperson einen kreisförmigen Gegenstand mit einem Durchmesser von 5 cm und sich ändernder Farbe. Als Nächstes wurde die Testperson gebeten, zwei Minuten lang mit geschlossenen Augen zu ruhen. Dann wurde ein dritter Datensatz für alle sechzehn Quelle-Detektor-Kombinationen erfasst.
Die gesammelten Datensätze wurden unter Verwendung eines Abbildungsalgorithmus verarbeitet. Der Abbildungsalgorithmus berechnete das Blutvolumen in dem untersuchten Cortex für jede Quelle-Detektor-Kombination für die ersten, zweiten und dritten Datensätze. Dann wurde der erste Datensatz des Blutvolumens von dem zweiten Datensatz des Blutvolumens subtrahiert, um einen ersten Differenzbilddatensatz der Volumendifferenz zwischen der Testperiode und der Ruheperiode zu erzeugen. Als Nächstes wurde der dritte Datensatz des Blutvolumens von dem zweiten Datensatz des Blutvolumens subtrahiert, um einen zweiten Differenzbilddatensatz der Volumendifferenz zwischen der Testperiode und der Ruheperiode zu erzeugen.
Der Abbildungsalgorithmus erzeugt ein Bild unter Nutzung der Differenzbilddatensätze. Vor der Erzeugung des Bildes wird ein Interpolationsalgorithmus angewandt, um den Differenzbilddatensatz, der 16 (4 × 4) Datenpunkte enthält, auf eine Bilddatensatz der 32 × 32 Bildpunkte enthält zu expandieren bzw. vergrößern. Das Bild der ersten Volumendifferenz zwischen der Testperiode und der Ruheperiode ist in 3A gezeigt, und das Bild der zweiten Volumendifferenz zwischen der Testperiode und der Ruheperiode ist in 3B gezeigt. Die Bilder zeigen ein erhöhtes Blutvolumen, das von einer Desoxygenierung des Hämoglobins in dem abgebildeten Gebiet begleitet ist.
In einem anderen Experiment wurde das optische tomographische System verwendet, um die funktionelle Aktivität des motorischen Cortex einer Versuchsperson abzubilden. Das optische Modul 12A wurde auf dem Parietalbereich der Schädelknochen platziert, um die Oberfläche des parietalen Cortex zu beobachten. In ähnlicher Weise wie oben wurde ein erster Datensatz für alle sechzehn C1 bis C16 Kombinationen erfasst, wobei die Versuchsperson ihre Finger in Ruhe hielt. Ein zweiter Datensatz wurde gesammelt, während die Versuchsperson 40 Sekunden lang so schnell wie möglich mit den Fingern klopfte, und ein dritter Datensatz wurde nach einer Ruheperiode von 30 Sekunden erfasst. Ein vierter Datensatz wurde nach einer Ruheperiode von 30–60 Sekunden erfasst. 4A, 4B und 4C stellen die unterschiedlichen Bilder der Blutvolumina des motorischen Cortex der männlichen Versuchsperson, die mit seinen Fingern klopft, nach einer Ruheperiode von 30 Sekunden bzw. wiederhergestellten Ruhevolumina nach 30–60 Sekunden dar. Die Bilder zeigen ein erhöhtes Blutvolumen, welches von einer Entsättigung des Hämoglobins in dem abgebildeten Gebiet begleitet ist.
In einem anderen Experiment wurde das optische tomographische System verwendet, um die kognitive Tätigkeit in dem präfrontalen Cortex einer Versuchsperson abzubilden. Ein Highschool-Schüler wurde gebeten, Wörter vom Englischen ins Französische zu übersetzen, und zwar 40 Sekunden lang mit Ruheperioden von 2 Minuten. 5A, 5B und 5C zeigen unterschiedliche Bilder der Hämoglobinoxgenierung des präfrontalen Cortex eines Mannes, der während dreier aufeinander folgender Perioden von 40 Sekunden Wörter vom Englischen ins Französische übersetzt. In einem Gebiet von 0,5 bis 2 cm des präfrontalen Cortex zeigen die Bilder wiederholte erhöhte Blutoxygenierung infolge der Aktivierung in einem speziellen Teil des Cortex. Jedoch erzeugte das erste Bild des ersten Stimulus bzw. Reizes den höchsten Oxygenierungsanstieg. In ähnlicher Weise zeigen die 6A, 6B und 6C unterschiedliche Bilder der Blutvolumina in dem gleichen Gebiet des präfrontalen Cortex während der Übersetzung vom Englischen ins Französische.
In einem anderen wichtigen Ausführungsbeispiel wird ein dreidimensionales Bild erzeugt, und zwar durch Herstellen von Schichten des oben beschriebenen zweidimensionalen Bildes bei unterschiedlichen Tiefen der durchschnittlichen Photonenpenetration. Das optische Modul weist einen optischen Haarpinsel-(hair brush)-koppler auf, der in der PCT-Anmeldung PCT/US 96/11630, eingereicht am 12. Juli 1996, offenbart ist. Die Glasfasern sind in einem geo metrischen Muster angeordnet, was unterschiedliche Eingangs-Detektionsstellen-Abstände ermöglicht, zum Beispiel 1,5 cm, 2,0 cm, 2,5 cm, 3,0 cm, 3,5 cm, 4,0 cm, 4,5 cm, 5,0 cm, 5,5 cm, 6,0 cm, 6,5 cm oder 7,0 cm. Für größere Abstände der Eingangs- und Detektionsstellen verwendet die Lichtquelle größere Lichtintensitäten, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Ein zweidimensionales Bild wird für jede Durchschnittseindringtiefe erzeugt, die ungefähr die Hälfte des Abstands beträgt.
7, 7A und 7B zeigen einen Helm, der ausgelegt ist, das optische Modul 12 an ausgewählten Stellen auf dem Schädel zu befestigen. Dieser Helm ermöglicht verlässliches Koppeln des Lichts mit dem untersuchten Gewebe und beseitigt verschiedene Artefakte, die während der Erfassung der Bilddaten infolge Bewegung der Versuchsperson auftreten können. Dies liefert einen wichtigen Vorteil gegenüber PET, CT oder FMRT, die alle für diese unerwünschten Artefakte anfällig sind.
Das optische Modul ist ausgelegt, ein ausgewähltes neurales Gewebe abzubilden, das von einem Stimulator stimuliert wurde, und zwar durch Detektieren der entsprechenden physiologischen Antwort, die der funktionellen Aktivität zugeordnet ist. Die Quellen sind ausgelegt, dass sie Strahlung von einer Wellenlänge ausstrahlen, die empfindlich bzw. sensitiv für eine interessierende physiologische Antwort ist, und die Detektoren detektieren dieselbe. Die physiologische Antwort ist eine Änderung im Blutvolumen, die Änderung im Oxygenierungsstatus eines Gewebepigments (endogenes Pigment, wie beispielsweise Hämoglobin, oder ein exogenes Pigment, wie beispielsweise ein Kontrastmittel), eine Änderung des Streuungskoeffizienten oder des Brechungsindex des Gewebes. Alternativ ist die physiologische Antwort eine Erzeugung oder Produktion eines Metaboliten bzw. Stoffwechselprodukts, das direkt oder indirekt durch das eingeführte Licht detektiert wird (z. B. die Reaktion mit einem exogenen Mittel, das in das Gewebe eingeführt wurde).
Das optische Modul ist so ausgelegt, dass es einen gewählten Abstand der Eingangs- und Detektionsstellen aufrechterhält. In einer Reflexionsgeometrie migrieren die Photonen des eingeführten Lichts über ein „Bananen"-Muster, mit einer durchschnittlichen Eindringtiefe von ungefähr der Hälfte des Eingangs-Detektionsstellenabstands. Auf diese Weise wird durch den Aufstellungsort und den Abstand der Anschlüsse bzw. Stellen des optischen Moduls auf ein Neuralgebiet gezielt. Die äußeren Aufstellungsorte der Anschlüsse hängen von der angepeilten Neuralregion ab. Die Lokalisationsstellen der Neuralgebiete sind in im Stand der Technik in extensiver Weise kartographiert und sind einer in Neuroanatomie und Neurophysiologie ausgebildeten Person bekannt.
Der Computer benutzt einen Rückprojektionsalgorithmus, der in der Computertomographie (CT) bekannt ist, und zwar modifiziert für Lichtdiffusion und -brechung, und die Bananen ähnliche Geometrie, die von dem optischen Bildgebungs- bzw. Abbildungssystem verwendet wird. In dem optischen Rückprojektionsalgorithmus ersetzt das Wahrscheinlichkeitskonzept der „Photonenmigrationsdichte" die lineare Beziehung ballistisch übertragener Röntgenstrahlen, für den Strahl, der die Pixel repräsentiert. Die Photonenmigrationsdichte stellt eine Wahrscheinlichkeit dar, dass ein an der Eintrittsstelle eingeführtes Photon einen bestimmten Pixel besetzen und die Detektionsstelle erreichen wird. Für unterschiedliche Gewebetypen liefert das Phasenmodulationsspektrophotometer Werte der Streu- und Absorptionskoeffizienten, die in den Wahrscheinlichkeitsberechnungen angewendet werden. In dem Bildrekonstruktionsprogramm wird die Wahrscheinlichkeit in einen Gewichtungs- bzw. Wertigkeitsfaktor übersetzt, wenn sie benutzt wird, um eine Rückprojektion zu verarbeiten. Die Rückprojektion mittelt die Informationswerte, die jeder Strahl mit der Wertigkeit in jedem Pixel trägt. Die speziellen Algorithmen sind in dem Quellencode enthalten, der in den Anhängen E und F vorgesehen ist. Anhang E ist ein Quellencode, der einen Wertigkeitsalgorithmus zur Erzeugung eines Photonendichtebildes beinhaltet, das in dem in Anhang F offenbarten Rückprojektions-Rekonstruktionsalgorithmus verwendet wird.
Ein Verfahren zum Korrigieren des Verwischens und der Brechung, das in dem Rückprojektionsalgorithmus verwendet wird, wurde von S. B. Colak, H. Schomberg, G. W. 't Hooft, M. B. van der Mark am 12. März 1996 in „Optical BackProjection Tomography in Heterogeneous Diffuse Media" beschrieben. Die Referenzen, die in dieser Veröffentlichung genannt sind, liefern weitere Information über die optische Rückprojektionstomographie und ihr gesamter Inhalte ist hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Das optische tomographische System kann auch zahlreiche andere Zentren neuraler Aktivität abbilden. Zum Beispiel wird das optische Modul 12 an dem Temporalknochen des Schädels angebracht, um die Oberfläche des Temporallappens zu untersuchen. Dann stimuliert der Stimulator die Hörfunktion, während das optische tomographische System die neurofunktionelle Aktivität des Hörgebiets des Temporallappens abbildet. Das optische System kann auch die Hörassoziations-Hirnrinde von Wernicke im Temporallappen vor und nach der Stimulation durch den Stimulator abbilden.
Bei einer anderen neurofunktionellen Untersuchung ist das optische Modul 12 an dem Frontalbereich des Schädelknochens befestigt, um den Frontallappen zu untersuchen. Dann stimuliert der Stimulator die motorische Sprechfunktion, während das optische tomographische System die neurofunktionelle Aktivität des motorischen Sprachgebiets von Broca vor und während der Stimulation abbildet. Zusätzlich kann das optische Modul 12 an dem rechten Os parietale befestigt sein, um die neurofunktionelle Aktivität des allgemein sensorischen Gebiets vor und während der Stimulation durch Schmerz, Heiß- und Kaltempfinden, oder Vibrationsempfinden an den linken Extremitäten, und umgekehrt, zu untersuchen.
Alternativ ist die Stimulationseinheit so ausgelegt, dass sie physiologische und pathophysiologische Reflexe in dem cerebralen oder spinalen Gewebe induziert. Die Stimulationseinheit stimuliert Pupillenreflexe, Hornhautreflexe, okulozephale Reflexe, okulovestibuläre Reflexe, tiefe Sehnenreflexe, den Bauchdeckenreflex, Cremasterreflexe, Stellreflexe, Würgereflex, frühkindliche Reflexe (wie z. B. Blinzelreflex, Akustikopalpebralreflex, Handgreifreflex, Saugreflex, Galant-Reflex, tonischer Nackenreflex, Perez-Reflex, Schreckreflex).
Der Stimulator stimuliert ein ausgewähltes Gebiet des Nervensystems. Die entsprechenden neurologischen Impulse, die durch die Neuronen übertragen werden, werden detektiert und an unterschiedlichen Punkten ihres Pfads abgebildet, wie beispielsweise in den Nerven, dem Rückenmark, im Thalamus oder dem cerebralen Cortex bzw. der Großhirnrinde. Wenn der Stimulator beispielsweise eine Kälte- oder Wärmestimulation am kleinen Finger der linken Hand bewirkt, erzeugt diese thermische Stimulation Impulse, die entlang dem rechten Tractus spinothalamicus lateralis des Hals- bzw. Zervikalmarks zu den sensorischen Nuclei bzw. Kernen des Thalamus wandern und in dem rechten postzentralen Gyrus des Parietallappens enden.

Claims

Ein optisches System (10) zur in vivo nicht invasiven Abbildung von biologischem Gewebe einschließlich eines Spektrophotometers (20) mit Lichtquellenmitteln (S1 ... S12) ausgelegt zur Einführung elektromagnetischer Strahlung einer sichtbaren oder Infrarotwellenlänge in das Gewebe an mehreren Eingangsanschlüssen bzw. -stellen, wobei die Wellenlänge auf einen Bestandteil des Gewebes empfindlich ist oder anspricht, mit Detektormitteln (D1 ... D4) ausgelegt zur Detektierung an mehreren Detektionsanschlüssen bzw. -stellen Strahlung der erwähnten ausgewählten Wellenlänge die in dem Gewebe von den entsprechenden Eingangsstellen aus gewandert ist, und mit einem Prozessor zum Empfang der Detektormittelsignale der detektierten Strahlung und zur Erzeugung eines Bildes des Gewebes, wobei das optische System folgendes aufweist: ein optisches Modul (12) ausgelegt zur Anordnung nahe dem ausgewählten Gewebe, einschließlich einer Anordnung der erwähnten Eingangsstellen und der erwähnten Detektionsstellen angeordnet in einem ausgewählten geometrischen Muster mit ausgewählten Abständen zwischen den Eingabe- und Detektionsstellen zum Vorsehen einer Vielzahl von Photonenmigrations- oder Wanderpfaden in dem ausgewählten Gewebe und gekennzeichnet, dadurch, dass ferner folgendes vorgesehen ist: Stimuliermittel (30) zum Stimulieren des ausgewählten Gewebes, und wobei das Spektrometer (20) die erwähnten Lichtquellenmittel umfasst geeignet zur Einführung der erwähnten Strahlung in das untersuchte Gewebe selektiv an den erwähnten Eingabestellen, und wobei die Detektormittel geeignet sind, um an jeder erwähnten Detektionsstelle Strahlung der erwähnten eingeführten Wellenlänge zu detektieren, die in dem ausgewählten Gewebe von der entsprechenden Eingangsstelle migriert oder gewandert ist, und wobei der Prozessor geeignet ist zur Erzeugung eines definierten räumlichen Bildes des Gewebes durch effektive Erzeugung aus den detektierten Signalen aus der Vielzahl der erwähnten Photonenmigrationspfade einer Folge von Datensätzen, die aus einer ausgewählten Ansicht eine Folge von räumlichen Bildern präsentieren, und zwar Bildern des Gewebes das durch die erwähnten Stimulatormittel stimuliert ist und des Gewebes das nicht stimuliert ist, und wobei der Prozessor ferner geeignet ist, um einen Bilddatensatz zu schaffen, der mit den Differenzen in Beziehung steht zwischen den Daten der aufeinanderfolgenden Datensätze des stimulierten und nicht stimulierten Gewebes.
Optisches System nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte Stimulator derart konstruiert ist, dass er Neuralgewebe stimuliert.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte optische Modul derart konstruiert ist, dass ein ausgewählter Abstand aufrecht erhalten wird, zwischen den erwähnten Eingabe- und Detektionsstellen, um eine ausgewählte durchschnittliche Eindringtiefe der erwähnten Strahlung zu erreichen.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul derart konstruiert ist, dass die erwähnte Strahlung detektiert wird, und zwar über die erwähnten Photonenmigrationspfade hinweg, und zwar unterschiedliche Tiefen der Photonenmigration zeigend, um dreidimensionale Datensätze zu erzeugen, aus denen ein Bilddatensatz erzeugt werden kann.
Optisches System nach Anspruch 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor programmiert ist, um den erwähnten Bilddatensatz durch Implementieren eines optischen tomographischen Algorithmus zu erzeugen.
Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische tomographische Algorithmus Faktoren verwendet, die mit der bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen in Beziehung stehen, die auf den Streuungscharakter des abgebildeten Gewebes zurückgehen.
Optisches System nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte optische Modul (12) derart konstruiert ist, dass die erwähnten Photonenmigrationspfade in einem Bereich oder einer Region des Kopfes vorgesehen sind, und dass der Prozessor derart konstruiert ist, dass der erwähnte Bilddatensatz aus dem erwähnten Bereich des Kopfes gebildet ist.
Optisches System nach Anspruch 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul (12) zur Erzeugung von Photonenmigrationspfaden unterhalb eines Oberflächenbereichs der Kortex konstruiert ist, und wobei der Prozessor derart konstruiert ist, dass er den erwähnten funktionellen Bilddatensatz von unterhalb des Oberflächenbereichs der Kortex bildet.
Optisches System nach Anspruch 2, 3, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zum Stimulieren des visuellen Kortex konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 2, 3, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zum Stimulieren des kognitiven Kortex konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 2, 3, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zum Stimulieren des sensorischen Motorkortex konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zum Stimulieren des spinalen Gewebes konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zur Lieferung elektrischer Signale an das ausgewählte Gewebe konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das erwähnte ausgewählte Gewebe konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (30) zur Lieferung von magnetischen Signalen an das ausgewählte Gewebe konstruiert ist.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor zur Berechnung des erwähnten Bildes programmiert ist, und zwar in Beziehung stehend mit mindestens einem Element ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Blutvolumen, Hämoglobinoxigenierung oder -deoxignenierung, Photonenabsatzabsorptionskoeffizient, Photonenstreukoeffizient, Brechungsindex, Magnetfeldänderung, elektrische Feldänderung, Erzeugung eines bestimmten Gewebebestandteils, Änderung eines bestimmten Gewebestandteils, Erzeugung der Konzentration eines Gewebepigments und Änderung der Konzentration eines Pigments.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebestandteil ein endogenes Pigment ist.
Optisches System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das endogene Pigment Hämoglobin ist.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte Gewebestandteil ein exogenes Pigment ist.
Optisches System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das exogene Pigment ein ausgewähltes Kontrastmittel ist.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenmittel und die Detektormittel derart konstruiert sind, dass sie dem erwähnten Prozessor die erwähnten Signale der detektierten Strahlung liefern, die über zwei im wesentlichen symmetrischer Photonenmigrationspfade im Gewebe migriert sind.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrophotometer folgendes aufweist: einen ersten Oszillator ausgelegt zur Erzeugung einer ersten Trägerwellenform mit einer ersten Frequenz in der Größenordnung von 10⁸ Hertz, wobei die erwähnte erste Frequenz eine Zeitcharakteristik besitzt, die mit der Zeitverzögerung der Photonenmigration von einer Eingangsstelle zu einer Detektionsstelle in dem untersuchten Gewebe kompatibel ist; wobei die Lichtquellen mit dem erwähnten ersten Oszillator gekoppelt sind und derart konstruiert sind, dass die erwähnte Strahlung moduliert durch die erwähnte erste Trägerwellenform erzeugt wird; einen Phasendetektor konstruiert zur Bestimmung der Änderung in der Wellenform der detektierten Strahlung relativ zur Wellenform der eingeführten Strahlung und Messung daraus der Phasenverschiebung der detektierten Strahlung bei der erwähnten Wellenlänge, wobei die phasenverschobene Strahlung eine Anzeige bildet für die streuenden oder absorbierenden Eigenschaften des untersuchten Gewebes; und wobei der Prozessor derart konstruiert ist, dass er den erwähnten Bilddatensatz basierend mindestens teilweise auf der gemessenen Phasenverschiebung erzeugt.
Optisches System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass folgendes vorgesehen ist: ein zur Erzeugung einer zweiten Wellenform mit einer zweiten Frequenz konstruierter zweiter Oszillator; wobei die erwähnten Detektormittel angeordnet sind, um eine Bezugswellenform mit einer Bezugsfrequenz zu empfangen, und zwar versetzt gegenüber einer Frequenz in der Größenordnung von 10³ Hertz von der erwähnten ersten Frequenz und um ein Signal bei der versetzten Frequenz zu erzeugen, und zwar entsprechend der erwähnten detektierten Strahlung; und wobei der Phasendetektor geeignet ist, um bei der versetzten Frequenz die detektierte Strahlung mit der eingeführten Strahlung zu vergleichen und um daraus die Phasenverschiebung bei der erwähnten Wellenlänge zu bestimmen.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrophotometer folgendes aufweist: Lichtquellenmittel ausgelegt zur Erzeugung von Strahlungsimpulsen der erwähnten Wellenlänge, wobei die erwähnten Pulse eine Dauer in der Größenordnung von Nanosekunden oder weniger besitzen; wobei die Detektormittel derart ausgelegt sind, dass über die Zeit hinweg Photonen der modifizierten Pulse detektiert werden, die in dem Gewebe von den erwähnten Eingangsstellen gewandert sind; einen Analysator verbunden mit den erwähnten Detektormitteln und geeignet zur Bestimmung einer Änderung der Impulswellenformgestalt der detektierten Impulse relativ zu den erwähnten eingeführten Impulsen bei der erwähnten Wellenlänge; wobei der Prozessor derart ausgelegt und angeordnet ist, dass der erwähnte Bilddatensatz basierend auf der erwähnten bestimmten Impulswellenformänderung erzeugt wird.
Optisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor derart ausgelegt und angeordnet ist, dass die effektive Pfadlänge der Photonen der erwähnten Wellenlänge die zwischen der Eingabe und Detektionsquellenmigrieren berechnet wird, und zwar in Verbindung mit der Erzeugung des erwähnten Bilddatensatzes.
Optisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte Prozessor derart ausgelegt und angeordnet ist, dass er den Streukoeffizienten berechnet, und zwar bei der erwähnten Wellenlänge in Verbindung mit der Erzeugung des erwähnten Bilddatensatzes.
Optisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor derart ausgelegt und angeordnet ist, dass er den Absorptionskoeffizienten berechnet, und zwar bei der erwähnten Wellenlänge in Verbindung mit der Erzeugung des erwähnten Bilddatensatzes.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Spektrophotometer derart konstruiert ist, um Photonen einzuführen und zu detektieren, und zwar bei zwei ausgewählten Wellenlängen, um Empfindlichkeit für eine Eigenschaft des erwähnten Bestandteils vorzusehen.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenmittel mindestens eine Glühfadenlampe aufweisen.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenmittel mindestens eine LED aufweisen.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul zur Positionierung auf dem Kopf angeordnet ist und dass einige der erwähnten Eingangs- und Detektionsstellen zwischen ungefähr 1,5 und 7 cm beabstandet sind.
Optisches System nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Beabstandung zwischen den Eingabe- und Detektionsstellen mindestens 2,5 cm sind.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass folgendes vorgesehen ist: ein Steuersystem, welches zahlreiche Ablesungen der migrierten Photonen ermöglicht und zwar systematisch für unterschiedliche Eingangs- und Detektionsanschlußpositionen relativ zum Gewebe; und wobei der Prozessor ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass Datensätze verwendet werden, die während der Ruhe und während der Stimulation genommen werden, wobei ein Abbildalgorithmus basiert auf entsprechend unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten für gegebene Eingangs- und Detektionsanschlußpositionen, und zwar für Photonen von der Quelle die durch unterschiedliche Regionen des Volumens des steuernden Gewebes laufen, die an unterschiedlichen Positionen positioniert sind, und zwar verteilt zeitlich gegenüber einer geraden Bezugslinie zwischen der Quelle und dem Detektor.
Optisches System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungsalgorithmus ein Rückprojektionsalgorithmus ist, wobei die Wahrscheinlichkeiten implementiert werden als entsprechend unterschiedliche Gewichtsfaktoren verwendet in dem Algorithmus für das detektierte Licht für unterschiedliche Pixel des Bildes.
Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass folgendes vorgesehen ist: eine Steuerung zur Erregung der Quellenmittel (S1–S12) zu einer Zeit, die die Akkumulation eines einzigen Eingangsstellen- und Detektionsstellenansprechens ermöglicht.
Optisches System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Lichtquellen (S1–S12) relativ lange Lichtimpulse erzeu gen, und dass die erwähnten Spektrophotometerfunktionen gemäss der Spektroskopie mit kontinuierlicher Welle erfolgen.
Optisches System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (20) mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen verwendet.
Ein Verfahren zur in vivo nicht invasiven Abbildung von Gewebeänderungen, wobei folgendes vorgesehen ist: Stimulieren eines ausgewählten biologischen Gewebes; Vorsehen einer Anordnung von Eingangsstellen- und Detektionsstellen angeordnet über eine selektiertes oder gewähltes geometrisches Muster um eine Vielzahl von Photonenmigrationspfaden in dem ausgewählten Gewebe vorzusehen, wobei die Pfade abhängig sind von der Trennung der Eingangs- und Detektionsstellen die im Bereich von 1,5 bis 7 cm liegen; Einführen elektromagnetischer Strahlung sichtbarer oder Infrarotwellenlänge in das Gewebe selektiv an den erwähnten Eingabestellen, wobei die Wellenlänge auf einen Bestandteil des Gewebes anspricht, bzw. dafür empfindlich ist; Detektieren an jeder erwähnten Detektionsstelle von Strahlung der gewählten Wellenlänge die in das Gewebe von der entsprechenden Eingangsstelle migriert oder gewandert ist; und Erzeugen eines definierten räumlichen Bildes des Gewebes basierend auf den Detektionssignalen der Vielzahl der Photonenmigrationspfade durch Verwendung einer Folge von Datensätzen die aus einer gewählten Ansicht eine Folge von räumlichen Bildern des stimulierten Gewebes repräsentieren, und des nicht stimulierten Gewebes, und Berechnung eines Bilddatensatzes in Beziehung stehend mit Unterschieden zwischen Daten der aufeinanderfolgenden Datensätze des stimulierten und nicht stimulierten Gewebes.
Das optische System nach Anspruch 2, 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul (12) zum Vorsehen der Photonenmigrationspfade in einer Zone der Stirn vorgesehen ist.
Das optische System nach Anspruch 39, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul (12) zur Anordnung der Quellen- und Detektormittel zum Vorsehen von mindestens zwei symmetrischen Photonenmigrationspfaden aufgebaut ist.
Das optische System nach Anspruch 39, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul (12) derart aufgebaut ist, dass die Quellen- und Detektormittel zur Vorsehung von mindestens vier symmetrischen Photonenmigrationspfaden angeordnet sind.