-
Meßverfahren zur Bestimmung hösartiger Neoplasie und anderer nichtbösartiger
rankeite Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung (Diagnose)
bösartiger Neoplasie und anderer nichtbösartiger Krankheiten mit der Möglichkeit,
diese im noch heilbaren Zustand zu entdecken.
-
Die bekannten physikalischen Verfahren zur Diagnose bösartiger Neoplasie
unter Verwendung der thermischen Emission des Gewebes basieren auf der Tatsache,
das der Stoffwechsel der neoplastischen Zellen weniger ökonomisch als derjenige
der gesunden Zellen, aus welchen sie sich entwickelt haben, verläuft. Der Verlust
der emittierten Energie als globale hitze im Bereich der Neoplasie (bestimmt durch
Thermographie, Thermovision etc.) ist größer als derjenige normaler Zellen. Auf
diese Weise können sogenannte
"hei@e Stellen" aufgefunden werden,
die die mögliche neonlastische Lokalisation anzeigen und anschließend durch herkömmliche
hekannte Mittel näher bestimmt werden können.
-
Die Nachteile der bekannten Verfahren bestchen insbesondere dor-#
in, da auen verscr-ieclene andere pathologische Prozesse (z.B, Tumore, Entzündungen,
Schwangerschaft, lokale Immunrcaktionen etc.) lokale thermische Veränderungen (thermische
Stellen) hervorrufen könnenm, die sich in weiten Teilen nicht von denjenigen Stellen
unterscheiden, die durch hösartige Neoplasie nervorgerufen werden.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Nachteile
zu vermeiden und ein Meßverfahren zu schaffen, das spezifisch zur Bestimmung (Diagnose)
bösartiger Neoplasie und anderer nichtbösartiger Krankheiten geeignet ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Analyse des Spektraldiagramms
des gesamten Infrarot-Spektrums, das durch thermische Stellen des zu untersucllenden
Gewebes emittiert wird, mittels an sieh eanter Verfahren, z.B. der Thermographie,
wobei die Art der Krankheit durch Vergleich der Gestalt des erhaltenen Spektraldiagramms,
der Bandbreite des besetzten Bandes und dem Grad seiner Verschiebung mit den entsprechenden
Werten des Spektraldiagramms des gesunden Gewebes bestimmt wird.
-
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit einem Monochromator benutzt,
dessen Kollimator auf einen punktförmigen Bereich des zu untersuchenden Gewebes
gerichtet ist; die Infrarotstrahlung
dieses Bereichs wird durch
ein geeignetes System, z.B. durch ein Prisma, zerlegt oder mit monochromatischen
Bandfiltern untersucllt. Das Ausgangssignal ist eine infrarote monochromatisehe
Strahlung, welche durch einen geeigneten Umwandler (z.B.
-
ein Thermoelement oder ein Bolometer oder ewn anderer bekannter Typ
eines Umwandlers) in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das elektrische Signal
wird dann in einem ei elektronischen Verstärker verstärkt und durch einen Schreiber
dargestellt, der die Variationskurve der monochromatischen Strahlungsintensität
(als eine Funktion der Wellenlänge) mittels einer Kupplung zwischen dem Reihenfolgewahl-System
der monochromatischen Strah lung und dem Antriebssystem (Versetzersystem) des Papierbands
des Schreibers aufträgt; als Kupplung kann ein an sich bekannte System, z.B. zwei
Selsyns (Selbstsynchronisierer) verwendet werden.
-
Weitere Aufgabenstellungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung an hand der Zeichnungen: Figur 1 zeigt ein Spektraldiagramm,
bei welchem auf Grund einer undifferenzierten Neoplasie das Maximum gegen das ferne
Infrarot verschoben ist im Vergleich zur Lage des Maximums bei einem gesunden, normalen
Gewebe.
-
Figur 2 zeigt ein Spektraldiagramm einer differenzierten Neoplasie,
bei welchem Gestalt und Breite des besetzten Bandes modifiziert sind.
-
Figur 3 zeigt das Spektraldiagramm einer Neoplasie, bei welchem Gestalt
und Breite des besetzten Bundes modifiziert sind, wobei die Intensitfit des Infrarotspektrums
geringer ist als diejenige normaler Gewebe F'.ifrur 4 zeigt ein Spektraldiagramm,
bei welchem im Falle einer nichtkrebsartigen Krankheit der Itaximalwert der thermischen
Stelle gegen das nahe Infrarot verschoben ist.
-
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgcmäßen
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im folgenden
einige theoretische Grundlagen näher erläutert: Es ist bekannt, da jedes energetische
Phänomen letztlich in einen thermischen Prozeß mündet, da die # rmebildung eine
der letzten Formen der Energieumwandlung darstellt. Diese thermisehe Umwandlung
der Energie ist seit langem bekannt und sehr komplex. Auch die biologischen Systeme
sind letztlich nur ein komplizierter Weg, auf welchem die Energie eines Photons
niedri-# ger Entropie in kalorische Energie umgewandelt wird.
-
Es gibt drei wesentliche biologische bzw. biochemische Prozesse, bei
welchen Energieumwandlungen beteiligt sind, nämlich die Photosynthese, die Atmung
und die Glykolyse.
-
Die Photosynthese (Absorption eines Photons und Induktion eines angeregten
Zustandes kurzer Dauer, gefolgt von einem "stabilen"
Zustand), transformiert
einen "angeregten" ustand in einen stabilen Zustand in extrem kurzen Intervallen
von 10 -8 Sekunden (Fluorreszenz).
-
Die Atmung transformiert diesen stabilen Zustand in einen angeregten
Zustand, jedoch unterschiedlicher Natur; ihre Energie wird entweder von den Zellmembranen
für einen aktiven Transport gegenüber einem elektrochemischen Gefcille für verschiedene
;ziologische Prozesse oder von den Muskeln fUtr deren mechanische Arbeit benutzt.
-
Der Krebs-Zitronensäure-Zyklus, der in den Zell-Mitochondrien stattfindet
und in den Atmungsnrozeß eingreift, soll die unmittelbare und nichtspezifische Umwandlung
von Energie in Litze verhindern und die Energie in Richtung auf spezifische biochemische
Prozesse durch die Biosynthese von "makroergischen Substanzen leiten. Letztere transferieren
ihre Energie selektiv und nacheinander auf verschiedene Enzymsysteme, welche die
Rolle von "Umwandlern" spielen, d.h. sie wandeln eine Energieform in die andere
um.
-
Es zeigt sich, daß der Antrieb für den Energietransfer in den biochemischen
Reaktionen innerhalb der Zellen durch das angeregte Elektron besorgt wird und daß
alle biologischen Strukturen, so kompliziert sie auch sein mögen, nichts weiter
als Träger für den Transport der Energie des angeregten Elektrons darstellen.
-
Die wichtigsten biochemischen Zellreaktionen finden mit einem
Energieaustausch
statt, der hinsichtlich seiner Intensität derjenigen zu vergleichen ist, die bei
der Kristalllumineszenz auftritt (2 - 10 eV).
-
Eine zweIte Energieart ist durch die Thermalisierung von Photonenenergie
gegen das nahe Infrarot gegeben. Diese Thermalisierung entspricht dem Energieniveau
von makroergischem Phosphor ((bP) (0,4 - 0,5 eV), das der reinen elektronischen
und oszillatorischen Anregung der Moleküle entspricht. Diese "Resonanz" der energetischen
Felder erhöht die Wahrscheinlichkeit einbegriffener Wechs elwi-rkinen, d .h. die
Wechselwirkung der makroergischen Energien mit denienigen, die spezifisch für die
verschiedenen biologischen Systeme sind.
-
Schließlich können Energien von 0,1 - 0,2 eV, also die Differenz zwischen
den Resonanzenergien der tautomeren Formen von Purin-und Pyrimidin-Basen in der
Struktur der Nucleinsäuren sehr wichtig für Mutationsprozesse sein.
-
Außer dieser "energetischen Resonanz", die für das Starten von biochemischen
Kettenreaktionen in den Zellen notwendig ist und einen mehr allgemeinen Charakter
besitzt, kommen noch komplexe Thermalisierungsrozesse dieser Energie (der Differenz
zwischen der "triggering ener6y" und der "triggering energy") vor. Hierbei wird
die Thermalisierung im nahen Infrarot (l - 15 y) vorgenommen, wenn Atmungsprozesse
mit makromolekularen (makroergischen) Wechselwirkungen verbunden sind im Gegensatz
zur Thermalisierung anderer Reaktionsenergien, bei welchen die beteiligten Moleküle
kleiner sind und wo auch die Energien kleiner sind
und die Thermalisation
im fernen Infrarot (10 - 4? ) erreicht wird.
-
Bei normalen biologischen Prozessen der Erwachsenen stammen 99 % der
Gesamtenergie aus Atmungsprozessen, da die Atmung, ökonomisch ist und nur eine geringe
Energiemenge verlorengeht. Die Thermalisation verlauft hier entsprechend einer Kurve,
die hei 5 - 6 µ beginnt, plötzlich ansteigt und ihr einziges Intensitätsmaximum
der Strahlung (I) beim Wert N (annähernd 9 µ) erreicht, dann langsam gegen 15 -
20 µ abfällt und so dem Infrarot-Spektrum das Aussehen des Spektrums eines schwarzen
Körpers gibt (vergl. Figur 1, Kurve 1) Die Glykolyse ist ein komplexer energetischer
Prozeß, der vorwiegend in bösartigen Zellen vorkommt, wo die biochemischen Prozesse
ähnlich denjenigen in embryonalen Zellen sind. Bei diesen biochemischen Prozessen
wird die Energie auf Grund der Glykolyse zu 60 ,o ausgenutzt (verglichen mit 1 %
bei gesunden Zellen Erwachsener), d.h. es wird ionisch gebundener Sauerstoff aus
dem Abbau der Glykose verwendet. Die Glykolyse als endotherme Reaktion benötigt
einen exogenen Energiezuschuß, welcher zusätzliche litze liefert.
-
Die Energie, die aus Atmungsprozessen stammt (wird nur zu ca.
-
40 % bei biochemischen Reaktionen in bösartigen Zellen verwendet)
induziert eine wesentlich geringere Wärmemenge. Aus diesem Grund ist die Gesamtmenge
der aus der bösartigen Zelle emittierten ausschließlichen wesentlich größer gegenüber
derjenigen, die aus fast Wärme Atmungsprozessen der gesunden Zelle eines
Erwachsenen
stammt.
-
Veiterhin ist festzustellen, daß das thermische Spektrum, das von
einer bösartigen Zelle emittiert wird, zwei Maximum besitzt : Eines entspricht der
thermalisierten Energie aus den Atmungsrealitionell (nahes Infrarot von 4 - 15 });
; die andere entspricht der Energie, die aus Glykolysereaktionen stammt (entferntes
Infrarot: über 15 31). Daraus folgt, daß das von bösartigen Tumoren emittierte Infrarotspektrum
weiter sein muß und eine Tendenz aufweisen mul, das zweite Maximum gegen das ferne
Infrarot zu verschieben entsprechend der Thermalisation der Energie, die aus Glykolysereaktionen
stammt.
-
Die eliminierte Wärmemenge und ihre spektrale Verteilung sind extrem
wichtig für die Ökonomie der biologischen Reaktionen, die sie zu einem groben Teil
qualitativ und quantitativ beeinflußt und die fähig ist, das Erscheinen oder Verschwinden
und die Beschleunigung oder Verlangsamung dieser Reaktionen zu beeinflussen. Dieser
Einfluß zeigt sich durch die Wechselwirkung zwischen den inneren Energien (Rotation,
Vibration, Translation), die spezifisch für die reagierenden Moleküle sind.
-
Andererseits ist das erwähnte Spektrum mit einem einzigen Maximum
bei ca. 9 µ nicht nur ein sekundäres Ergebnis der biochemisehen Atmungsreaktionen,
sondern auch unbedingt notwendig für die Entwicklung in einem normalen Rhythmus,
Die Modifikation dieses Spektrums durch Bestrahlung mit anderen infraroten Wellenlängen
kann schwere Schädigungen (z.B. hemmung oder Beschleunigung der Zellteilung, Zellbewegungen
etc.) hervorrufen.
-
Gleichermaßen kann die Anwesenheit einiger biochemischer Prozesse,
die bei Energien von 0,l - 0,2 eV vor sich gehen und welche im fernen Infrarot (über
25 µ) thermalisieren, Mutationen föruern oder sogar einleiten. Weiterhin braucht
das ferne Infrarotspektrum, das für die Reaktionen vom Glykolysetyp cwarakteristisch
ist, nicht nur gelegentlich aufzutreten, sondern wie bei den Atmungsprozessen eine
Notwendigkeit für die positive Rückkopplrng (positives feedback) dieses Reaktionstyps
sein und evtl. ein Weg ihrer Transmission zu anderen normalen geschlossenen Zellen
(der Einfluß des Krebszellenkontakts ist allgemein bekannt).
-
Erfindungsgemäß wurde nun auf der Basis der vorstehenden theoretischen
Grundlagen gefunden, daß die Emissionsspektren der Thermalisation in den chemischen
Reaktionen in bösartigem Gewebe eine größere Verschiebung gegen das ferne Infrarot
(Figur l; Kurve 2; N1>N) bei nichtdifferenzierter Neoplasie, die eine schnelle
Entwicklung zeigt und bei welcher das Auftreten glykolytischer Reaktionen ein Maximum
besitzt, erleidet. Figur 2 (Kurve 4; N2+N3>N) zeigt entsprechend die Kurve für
differenzierte Neoplasie, die mehr dem Atmungstyp der biochemischen vorkommen Reaktionen,
wie sie in normalen Fällen/, entspricht.
-
Es gibt auch einige Wrebsformen, die an Stelle einer erhöhten Intensität
ihrer Infrarotstrahlungen eine niedrigere Intensitätskurve als das normale Gewebe
aufweisen (Figur 3, Kurve 6; N4+N5<N). In diesen Fällen kann die derzeitige Thermographie
keine präzisen Details angeben, was die bösartigen Prozesse anbetrifft.
-
Im Falle nichtcancerogener Krankheiten kann eine Verschiebung einer
der Spektraldiagramme nach links auftreten (Figur 4, Kurve 8; N6+N7>N).
-
Die Spektraldiagramme werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
aufgezeichnet, welche die spektrale Emission analysiert, die für verschiedene Stellen
des Organismus charakteristisch ist, wodurch die differenzierte Identifikation der
betreffenden Regionen gewährleistet wird.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert ähnlich den modernen
Spektrometrieapparaten für das Infrarot gemäß dem in Figur 5 dargestellten Schemabild.
-
Die qualitative Analvse der Spektralverteilung wird durch einen Monochromator
1 erreicht. Die vom GeTebe 2 emittierte Infrarotstrahlung 3 tritt als divergenter
Strahl durch einen Eingangsschlitz ein und wird durch einen Kollimator in cinen
parallelen drahtlosen Strahl. transformiert. Dieser wird dann durch ein Prisma oder
durch ein Beugungsgitter dispersiert.
-
Die sukzessive Selektion der monochromatischen Strahlen verschiedener
Wellenlänge geschicht in der Ebcne des Austrittsschlitzes des Monochromators mittels
eines Chjektivs mit fokusierender Linse, die das Bild des Spektrums formt. Die Selektion
der monochromatischen Strahlen verschjedener Wellenlänge kann auch durch Verwendung
(austauschbarer) monochromischer Bandfilter erreicht werden.
-
Die auf diese Weise erhaltene monochromatische Strahlung 4 wird dann
von einem Infrarot-Umwandler 5 (dieser kann ein Thermoelement, ein Bolometer, ein
pneumatischer Kezeptor etc. sein) übernommen, der die Umwandlung der Strahlungsenergie
in ein elektrisches Signal eines dauernden Stromes mit einer Amplitude vornimmt,
die nroportional zur Intensität der monochromatischen Strahlung ist, wodurch die
@uantitative Analyse des auszuwertenden Spektrums erreicht wird. Das elektrische
Signal 6 definiert den qualitativen und @uantitativen Charakter der Spektralstrahlung.
Es wird in einen Verstänker 7 eingebracht, der z.B.
-
ebenfalls ein Verstärker für einen Gleichstrom oder ein Gruppenmodulator-Verstärker
für Wechselstrom sein kann. Mit diesem Verstärker wird das Signal derart verstärkt,
daß es mittels eines Schreibers 8 dargestellt werden kann.
-
Der Schreiber 8 zeigt sowohl die Intensität der monochromatiseien
Strahlung als auch gleichzeitig dereti Wellenlänge; dies ist möglich auf Grund der
Kupplung 9 zwische dem Schreiber und dem System der sukzessiven Selektion der monochromatischen
Strahlungen. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß die Spektraldiagramme der untersuchten
Berciche der Gewebe erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Durchfillrung dieses Verfahrens weisen insbesondere den Vorteil
auf, daß sie eine nualitative differentielle Diagnose von bösartiger Neoplasie oder
anderer nichtbösartiger Krankheite ermöglichen.