Medizinische Physik in Forschung und Praxis: 6. Wissenschaftliche Tagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik in Berlin, 28./29. April 1975 9783110840193, 9783110066159

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Medizinische Physik in Forschung und Praxis

Medizinische Physik in Forschung und Praxis 6. Wissenschaftliche Tagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik in Berlin, 28./29. April 1975

Herausgeber Alexander Kaul

W DE

G Walterde Gruyter • Berlin • New York 1976

Herausgeber: Professor D r . p h i l . n a t . A l e x a n d e r K a u l K l i n i k u m S t e g l i t z d e r Freien U n i v e r s i t ä t B e r l i n , K l i n i k für R a d i o l o g i e , N u k l e a r m e d i z i n u n d Physikalische Therapie

CIP-Kurztitelaufnahme

der Deutschen

Bibliothek

M e d i z i n i s c h e P h y s i k i n F o r s c h u n g u n d Praxis: 6. wiss. Tagung d . Ges. für M e d . P h y s i k in B e r l i n , 2 8 . / 2 9 . A p r i l 1 9 7 5 / Hrsg. A l e x a n d e r K a u l . — 1. A u f l . — B e r l i n , N e w Y o r k : de G r u y t e r 1976. ISBN 3-11-006615-7 N E : K a u l , A l e x a n d e r [ H r s g . ] ; Deutsche Gesellschaft für M e d i z i n i s c h e Physik

© C o p y r i g h t 1 9 7 6 b y W a l t e r de G r u y t e r & C o . , v o r m a l s G . J . G ö s c h e n ' s c h e V e r l a g s h a n d l u n g , J. G u t t e n tag, V e r l a g s b u c h h a n d l u n g Georg R e i m e r , K a r l J. T r ü b n e r , V e i t & C o m p . , B e r l i n 3 0 . A l l e R e c h t e , insbesondere das Recht der V e r v i e l f ä l t i g u n g u n d V e r b r e i t u n g sowie der Ü b e r s e t z u n g , v o r b e h a l t e n . K e i n T e i l des Werkes darf in irgendeiner F o r m ( d u r c h P h o t o k o p i e , M i k r o f i l m oder ein anderes V e r f a h r e n ) o h n e s c h r i f t l i c h e G e n e h m i g u n g des Verlages r e p r o d u z i e r t o d e r u n t e r V e r w e n d u n g elekt r o n i s c h e r S y s t e m e v e r a r b e i t e t , v e r v i e l f ä l t i g t o d e r v e r b r e i t e t w e r d e n . P r i n t e d in G e r m a n y . D r u c k : Druckerei Karl Gerike, Berlin. — Bindearbeiten: Bindegewerbe G m b H Lüderitz & Bauer, Berlin

Vorwort Seit etwa sechs Jahren finden in regelmäßiger Folge wissenschaftliche Tagungen der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik statt mit dem Ziel, über Ergebnisse medizinisch-physikalischer Forschung und praktischer Tätigkeit im Krankenhaus zu berichten. Dennoch ist die Medizinische Physik als Teilgebiet der Angewandten Physik eine zumindest bei uns in Deutschland noch in der Entwicklung begriffene Disziplin. Dies wird auch aus dem Fehlen von deutschsprachigen fachspezifischen Publikationsorganen deutlich, so daß die Mitteilung von neuen Untersuchungsergebnissen im wesentlichen auf Einzelarbeiten in Zeitschriften mit unterschiedlicher wissenschaftlicher Zielsetzung beschränkt ist. Zusammenfassende lehrbuchartige Darstellungen des Gesamtgebietes der Medizinischen Physik sind - fremdsprachige Literatur eingeschlossen - überhaupt nicht verfügbar. Dieser Sachverhalt, die zunehmende Bedeutung der Medizinischen Physik unter den Biowissenschaften und die Tatsache, daß der gewählte Themenkreis die wichtigsten Arbeitsgebiete der Medizinischen Physik einbezieht, haben mich dazu veranlaßt, die Beiträge der Berliner Tagung in Buchform zusammenzufassen und unter dem Titel „Medizinische Physik in Forschung und Praxis" zu veröffentlichen. Im einzelnen werden schwerpunktmäßig die Themen Bildverarbeitung, Abbildungseigenschaften von Kollimator-Systemen, Laser-Anwendung in der Medizin, Sonographie, Thermographie/Kalorimetrie, Neutronen-Therapie, Anwendung der Elektronen-Spin-Resonanz und Anwendung des Ganzkörperzählers in der Medizin behandelt. Darüber hinaus wird über die Entwicklung und Anwendung neuer physikalischer Meßverfahren in der Medizin berichtet. Die den Hauptarbeitsgebieten der Medizinischen Physik entsprechenden Themenkomplexe werden durch Übersichtsreferate eingeleitet, um auch den mit der Materie weniger Vertrauten in die Aufgaben und Ziele der Teilgebiete medizinischphysikalischer Forschung und Praxis einzuführen. Die Themenbreite konnte nur dadurch erreicht werden, daß sich auch Kollegen am wissenschaftlichen Programm der Tagung beteiligten, die in der Biomedizinischen Technik, in der Biophysik und in anderen Zweigen der Angewandten Physik an führender Stelle tätig sind. Dies verdeutlicht das ständig wachsende Bestreben vieler Naturwissenschaftler, ihr spezifisches Fachwissen über die Grenzen ihres Fachgebietes hinaus für die Lösung von Problemen einzusetzen, die anderen Disziplinen der Biowissenschaften entstammen. Trotz der Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen muß unsere Arbeit wirklichkeitsfremd bleiben, wenn wir in unser Bemühen nicht diejenigen miteinbeziehen, die sich der Aufklärung des biologischen Geschehens in der Grundlagenforschung widmen und diejenigen, die unmittelbar am Krankenbett

VI tätig sind. Diese notwendige Partnerschaft zwischen Ärzten und Naturwissenschaftlern ist zwar heute noch nicht überall selbstverständlich, es zeichnet sich aber eine Entwicklung ab, die hoffen läßt, daß das zum Teil ausschließliche Nebeneinander von Naturwissenschaft und Medizin auch in unserem Land bald der Vergangenheit angehören wird. Wir haben versucht, einen Beitrag zum Miteinander und gegenseitigen Verständnis zu leisten. Auf dieser Tagung kam nicht nur der Physiker zu Wort, sondern auch der Mediziner konnte seine Probleme aufzeigen, die er gemeinsam mit Physikern und den Möglichkeiten der Technik zu lösen erhofft. „Medizinische Physik in Forschung und Praxis" ist der Versuch, eine Einführung in Teilgebiete der Medizinischen Physik mit der Darstellung neuer wissenschaftlicher Ergebnisse medizinisch-physikalischer Forschung in einem Buch zu vereinen. Dieser Band wendet sich daher an Physiker, die bereits auf den Gebieten der Medizinischen Physik und Biophysik arbeiten oder beabsichtigen, auf diesem Grenzgebiet zwischen Physik, Biologie und Medizin tätig zu werden. Er ist darüber hinaus für Mediziner von Interesse, die neue technische Verfahren in die klinische Praxis einführen möchten. Schließlich dürfte das Buch auch Bio-Ingenieure und Biomedizinische Techniker interessieren, die aus dem erfolgreichen Einsatz moderner physikalischer Methoden in den Biowissenschaften neue Impulse für die eigene ingenieurwissenschaftliche Tätigkeit erhalten. Vorträge einer wissenschaftlichen Tagung in Buchform herauszugeben, erfordert nicht nur die Bereitschaft der Autoren, druckreife Manuskripte dem Herausgeber zu überlassen, es bedarf auch des Interesses eines Verlages, um die Idee zu verwirklichen. Der Verlag de Gruyter hat dieses Interesse bereits beim ersten orientierenden Gespräch bekundet und mit dem Druck des vorliegenden Buches in dankenswerter Weise dazu beigetragen, daß sich eine junge Disziplin mit Ergebnissen ihrer neusten wissenschaftlichen Forschung der Fachwelt vorzustellen vermag. Ein wesentlicher Beitrag zur Deckung der Kosten bei der Organisation und Durchführung unserer Tagung wurde von der Freien Universität Berlin und verschiedenen Industrieunternehmen geleistet. Es ist mir deshalb ein besonderes Anliegen, auch an dieser Stelle dem Präsidenten unserer Universität und den Mitarbeitern seiner Außenabteilung für die finanzielle und organisatorische Unterstützung zu danken. Dies gilt in gleichem Maße für diejenigen Firmen, die sich großzügig an der Subveritionierung zur Durchführung der Tagung sowie an den Kosten für die Vorleistungen zur Drucklegung des vorliegenden Buches beteiligten. Nicht zuletzt gilt mein Dank meinen Berliner Kollegen und Mitarbeitern, die mich bei der Tagungsvorbereitung sowie bei der Herausgabe dieses Buches stets bereitwillig unterstützt haben.

Berlin, im November 1975

Alexander Kaul

Inhalt

1 Bildverarbeitung 1.1 Elektronische und optische Verfahren der Bildverarbeitung in der Medizin. W. H. Bloss, E. R. Reinhardt 1.2 Die Korrektur der Poisson-Statistik mit Hilfe eines Frequenzrauschfilters, angewendet auf die Verarbeitung von digitalen Szintigrammen. W. Gahr 1.3 Bildbearbeitung bei Szintigrammen mit Hilfe der Faktoranalyse. P. Schmidlin, F. Rösel, W. Schlegel 1.4 Verarbeitung von Szintigrammen mit Laserstrahlen. I. Bofilias 1.5 3-D-Abbildung von Szintigrammen mit Fresnelzonenplatten. E. R. Reinhardt, W. Frit% 1.6 Fresnelzonen-Pseudo-Holographie mit Röntgenstreustrahlung. H. Platter, A. Ganssen 1.7 Untergrundelimination und Merkmalsextraktion an Zellen. W. Abmajr, H. Borst

1 3

13 27 35 45 55 63

2 Abbildungseigenschaften von Kollimatorsystemen 75 2.1 Messungen zur Ortsauflösung einer Gamma-Kamera. U. Seeheck.... 77 2.2 Ein Beitrag zur Verbesserung von Kollimatoren mit Hilfe von Computern. H. J. Helmeke, E. Jahns 89 3 Laser-Anwendung 3.1 Laser als Sonde in der biomedizinischen Forschung. P. Greguss 3.2 Laser in der Medizin - experimentelle und klinische Erfahrungen. E. Mester, E.J. Nagy, E. Bdcsj, A. Korenyi-Both,]. Namenyi, I. Kovdcs, S. Tis^a 3.3 Die Anwendung der holographischen Technik in der Lichtmikroskopie. E. Händler, D. Haina, W. Waidelich 3.4 Methoden der akustischen Holographie. C. Großkopf, C. Scherg, W. Waidelich 3.5 Szintigraphie mit codierter Apertur. U. Röder 3.6 Registrierung und Analyse der Mikrobewegungen des menschlichen Auges. G. Schweitzer, B. Rassow 3.7 Untersuchungen zum blutlosen Schneiden der Leber mit Laserstrahlen. H. Welling, V. Bödecker, B. Grotelüschen

97 99

117 137 147 157 165 175

VIII 4 Sonographie

185

4.1

Die physikalischen Grundlagen der Ultraschall-Diagnostik. R. Gerstner

187

4.2

Klinische Bereiche der Sonographie. A. Kratochwil

197

4.3

Das Schallfeld und sein Einfluß auf die Eigenschaften von Schallköpfen. R. Gerstner 205

4.4

Die Beeinflussung der Eigenschaften von Schallköpfen durch Linsen. R. Gerstner . 215

4.5

Physikalische und medizinische Grundlagen einer quantitativen Analyse des eindimensionalen Schallbildes. A. LorenR. Bader, J. Doli, G. van Kaick, W. J. Loren^ 227

4.6

Zum Einsatz der Sonographie in der Bestrahlungsplanung. K. Heuß.

4.7

Ultraschall in der Bestrahlungsplanung. J. Schüt^, M. Wannenmacher 237

5 Thermographie

233

241

5.1

Möglichkeiten und Grenzen der medizinischen Thermographie aus physikalischer und klinischer Sicht. G. Kaiser 243

5.2

Hautmodell für die diagnostische Thermographie zur Simulation von Hyperthermieherden unter der Haut. U. Flesch, O.-H. Wegener, A. Scheffler, H. Ernst 249

5.3

Meßfühler zur Messung der Hautoberflächentemperatur mit Thermoelementen oder Thermistoren. U. Flesch, O.-H. Wegener, A. Scheffler, H. Ernst 255

5.4

Mikro-Thermoelemente zur Messung von Zeit-Temperatur-Profilen in biologischem Gewebe bei Laserbestrahlung. R. C. McCord, W. Weinberg, F. Hillenkamp 263

5.5

Thermische Messung der peripheren Durchblutung. L. Priebe

6 Kalorimetrie 6.1

Medizinische und biologische Anwendung der Kalorimetrie. I. Lamprecht

269 279 281

6.2

Ganzkörper-Kalorimetrie am menschlichen Organismus./. Tiemann. 299

6.3

Mikrokalorimetrische Untersuchungen an menschlichen Blutzellen. B. Schaarschmidt

7 Ganzkörperzähler 7.1

309 319

Ganzkörper-Aktivitätszähler - eine Übersicht über medizinische Anwendungen. P. Koeppe 321

IX 7.2

Entwicklung einer Linear Scan Einrichtung für einen klinisch genutzten Ganzkörperzähler. Th. BrodocL. Michel 345

7.3

Umbau eines Ganzkörperzählers in einen prozeßrechner-gesteuerten Low-Level Ganzkörper-Scanner. C. Hamann Ein Ganzkörperzähler für die Anwendung in der Klinik und beim Strahlenschutz. E. Werner, S. M. Morsy Anwendung des Ganzkörperzählers für die quantitative Bestimmung von Blutverlusten. E. Werner, P. Einck-Rosskamp, J. P. Kaltwasser. . . Untersuchungen mit dem Ganzkörperzähler zur Resorption von Calcium. P. Kunkel, E. Leicht

7.4 7.5 7.6

8 Anwendung der Elektronen-Spin-Resonanz 8.1 8.2

9.3 9.4

371 379 387 393

Anwendungsmöglichkeiten der ESR-Spektroskopie im medizinischen Bereich. R. E. Grillmaier 395 Nachweis von Drogen in Körperflüssigkeiten mit der ESR-Spektrometrie. M. R. Möller, R. E. Grillmaier 421

9 Neutronen-Therapie 9.1 9.2

355

Grundlagen der Neutronentherapie. W. J. Lorenz Die Neutronentherapieanlage des DKFZ Heidelberg. K.-H. W.J. Lorenz, G. Wolber

429 431 Höver, 453

Tiefendosisstudien an Neutronentherapieanlagen. F. Grünauer, H. 463 Schraube, G. Burger In-vivo-Bestimmung von RBW-Faktoren für 15 MeV-Neutronen für verschiedene biologische Endpunkte in Normalgewebe und beim Sarkom 180 (externe Messungen mit Joddeoxyuridin). W. Porschen, L. E. Feinendegen 479

10 Entwicklung, Anwendung und Ergebnisse neuer physikalischer Meßverfahren in der Medizin 487 10.1 10.2

10.3 10.4

Qualitätskontrolle: Eine Aufgabe der Medizinischen Physik. G. Schoknecht 489 Physikalische Untersuchungen an einem Ein-Kammer-Herzmodell zur Überprüfung der Anwendbarkeit radiokardiographischer Bestimmungen des Herzzeitvolumens. H.-C. Hermsdorf, A. Kaul 501 Nuklearmedizinische Untersuchungen am zentralen Kreislaufsystem. H. Luig, D. Emrich, H.-P. Breuel, S. DomovitH. Siegert 513 Zerfallskorrigierte Szintigraphie mit kurzlebigen Radionukliden. U. Tiefte, A. Kaul 523

X 10.5 10.6

10.7 10.8 10.9

Kalibrieren von Ionisationskammern in Einheiten der Energiedosis. P.J. Pychlau 535 Erfahrungen mit LiF Thermolumineszenzdosimetern - Anwendungen bei niederenergetischen Röntgenstrahlen. W. LeitD. Frost, W. Ribbe 541 Ergebnisse des Dosimeter-Vergleichsdienstes der PTB mittels chemischer Dosimeter. H. Feist 547 Monte-Carlo-Rechnungen zur Energie- und Winkelverteilung schneller Elektronen hinter Blei-Streufolien. M. Abou Mandour, D. Härder. 551 Grenzen der Anwendung von 1 2 3 J in der Schilddrüsendiagnostik. /. Ammon, H. Hermann, B. Helberg, A. Kaul, K. Winkel 567

10.10 Meßtechnik der Lungenfunktionsanalyse. W. Buchheim 10.11 Anwendung der Modulationsübertragungsfunktion auf augenoptische Probleme. B. Rassow 10.12 Zeitraffer-Kinemikrographie als quantitatives Meßverfahren in der Zellpopulationskinetik. G. Hagemann 10.13 Untersuchungen über die Temperatur-Volumen-Funktionen von Blutseren gesunder und Malignomkranker. J. Bartusch, N. Kirmaier, A. Reis

587 595 603

611

Autorenverzeichnis

Abou Mandour, Mohsen Abmayr, Wolfgang

Ammon, Jürgen Bäcsy, Ernö Bader, Reiner

Bartusch, Jörg Bloss, Werner H. Bödecker, Volker Bofilias, Joannes

Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Universität, 34 Göttingen, Gosslerstr. 10 Institut für Strahlenschutz, der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1 Medizinische Fakultät der RWTH, Abt. Radiologie, 51 Aachen, Goethestr. 27-29 Inst. Experim. Med. Hung. Acad. Sei., 1083 Budapest, Szigony-u. 43, Ungarn Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280 Institut für Biomedizinische Technik der Technischen Universität, 8 München 22, Museumsinsel 1 Institut für Physikalische Elektronik der Universität, 7 Stuttgart 1, Böblinger Str. 70 Institut für Angewandte Materialforschung, 282 Bremen-Lesum, Lesumer Heerstr. 36 Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik rechts der Isar der Technischen Universität Abt. Physik, 8 München 80, Ismaninger Str. 22

Borst, Hugo

Institut für Strahlenschutz der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1

Breuel, Hans-Peter

Nuklearmed. Abteilung der Medizinischen und Radiologischen Klinik der Universität, 34 Göttingen, Humboldtallee 1 Fa. Siemens AG, UB Medizintechnik, 852 Erlangen, Henkestr. 127

Brodocz, Thomas Buchheim, Wilhelm Burger, Georg

Fa. Siemens AG, UB Medizinische Technik, 852 Erlangen, Henkestr. 127 Institut für Strahlenschutz der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1

XII Doli, Josef

Domovitz, Schraga

Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280 Nuklearmed. Abteilung der Medizinischen und Radiologischen Klinik der Universität, 34 Göttingen, Humboldtallee 1

Einck-Roßkamp, Paul

Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. für Biophys. Strahlenforschung, 6 Frankfurt/Main, Paul Ehrlich Str. 20

Emrich, Dieter

Nuklearmedizinische Abteilung der Medizinischen und Radiologischen Klinik der Universität, 34 Göttingen, Humboldtallee 1 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie, Abt. Strahlentherapie, 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30

Ernst, Helmut

Feinendegen, Ludwig E,

Kernforschungsanlage, Institut für Medizin, 517 Jülich

Feist, Harald

Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Abt. 6.41, 33 Braunschweig, Bundesallee 100 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie, Abt. Strahlentherapie, 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30

Flesch, Udo

Fritz, Werner Frost, Dietrich Gahr, Wolfgang

Ganssen, Alexander Gerstner, Richard Greguss, Pal

Institut für Physikalische Elektronik der Universität, 7 Stuttgart 1, Böblinger Str. 70 Rudolf-Virchow-Krankenhaus, Abt. Strahlenphysik, 1 Berlin 65, Augustenburger Platz 1 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie - Biophysik - , 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 Siemens AG, UB Medizinische Technik, 852 Erlangen, Henkestr. 127 Firma Kretztechnik GmbH, A-4871 Zipf/Österreich, Tiefenbach 20 Gesellschaft f. Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7

XIII Grillmaier, Rudolf

Institut für Biophysik der Universität des Saarlandes, 665 Homburg/Saar

Großkopf, Claus

Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7 Abt. für Abdominal- und Transplantationschirurgie der Med. Hochschule Hannover, 3 Hannover-Kleefeld, Karl-Wiechert-Allee 9 Firma Medizinische Datenverarbeitung, 8 München 81, Arabellas«. 4/1 Physikalisches Institut der Technischen Hochschule, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7 Institut für Klinische Radiologie der Med. Hochschule Hannover, 3 Hannover-Kleefeld, Karl-Wiechert-Allee 9 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie - Ganzkörperzähler/Elektronenrechner - , 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Universität, 34 Göttingen, Gosslerstr. 10 Institut für Nuklearmedizin der Med. Hochschule Hannover, 3 Hannover, Karl-Wiechert-Allee 9 Klinikum Westend der Freien Universität Berlin, Strahleninstitut, 1 Berlin 19, Spandauer Damm 130 Bundesversicherungsanstalt für Angestellte, Med.Techn. Untersuchungsstelle Dezernat 7007, 1 Berlin 31, Ruhrstr. 2 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie - Biophysik - , 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 Strahleninstitut der Allgemeinen Ortskrankenkasse Köln, 5 Köln 1, Machabäerstr. 19-27 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1

Grotelüschen, Bernd

Grünauer, Frit2 Händler, Erich Hagemann, Gerd

Haina, Diether Hamann, Christian-Michael

Härder, Dietrich Helmeke, Hans-Jürgen Hermann, Hans-Joachim Hermsdorf, Hans-Christian

Herzberg, Benno

Heuß, Kurt Hillenkamp, Franz

XIV Höver, Karl-Heinz

Jahns, Eberhard Jäszsägi-Nagy, Èva Kaiser, Gerold Kaltwasser, Peter Kaul, Alexander

Kirmaier, Norbert Koeppe, Peter

Korényi-Both, Andräs

Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280 Institut für Nuklearmedizin der Med. Hochschule Hannover, 3 Hannover, Karl-Wiechert-Allee 9 Radiol. Univ. Klinik, H-1082 Budapest, Üllöi-ut 78 Radiologische Universitätsklinik der Universität, 34 Göttingen, Goßlerstr. 10 Zentrum der Inneren Medizin der Universität, Abt. Hämatologie, 6 Frankfurt/Main, Theodor, Stern Kai 7 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie - Biophysik - , 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 Institut für Biomedizinische Technik der Technischen Universität, 8 München 22, Museumsinsel 1 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie - Ganzkörperzähler/Elektronenrechner - , 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 II. Chir. Univ. Klinik, H-1088 Budapest, Baross-u. 23/25, Ungarn

Koväcs, Irén

II. Chir. Univ. Klinik, H-1088 Budapest, Baross-u. 23/25, Ungarn

Kratochwil, Alfred

Ultraschalldiagnostik- und Ausbildungszentrum, II. Univ. Frauenklinik, A-1090 Wien/Österreich, Spitalgasse 23 Institut für Biophysik der Univ. des Saarlandes, 665 Homburg/Saar Zentralinstitut für Biochemie und Biophysik der Freien Universität Berlin, 1 Berlin 33, Habelschwerdter Allee 30 Medizinische Klinik und Poliklinik der Univ. des Saarlandes, 665 Homburg/Saar Statens Stralfkyddfinstitut, Fade, 10404 Stockholm 60, Schweden

Kunkel, René Lamprecht, Ingolf

Leicht, Ernst Leitz, Wolfram Lorenz, Adolf

Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280

XV Lorenz, Walter J.

Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280

Luig, Heribert

Nuklearmed. Abteilung der Medizinischen und Radiologischen Klinik der Universität, 34 Göttingen, Humboldtallee 1 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1

McCord, Roy C.

Mester, Endre Michel, Lothar Möller, Manfred Morsy, Samira M.

Namenyi, Jözsef Platzer, Helmut Porschen, Walter Priebe, Leo Pychlau, Peter-Jochem Rassow, Bernhard Reinhardt, Erich Reis, August Ribbe, Wolfram Röder, Ulrich

II. Chirurgische Universitätsklinik, 1088 Budapest, Baross-u. 23/25, Ungarn Rudolf-Virchow-Krankenhaus, Abt. Strahlungsphysik, 1 Berlin 65, Augustenburger Platz 1 Institut für Rechtsmedizin der Universität des Saarlandes, 665 Homburg/Saar Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. für Biophysikalische Strahlenforschung, 6 Frankfurt/ Main, Paul-Ehrlich-Str. 20 Microbiol. Inst. Hung. Acad. Sei., H-1529 Budapest, Pihenö-ut 1, Ungarn Institut für Nachrichtentechnik der Technischen Universität, 8 München 2, Arcisstr. 21 Kernforschungsanlage, Institut für Medizin, 517 Jülich Physiologisches Institut der Universität, 355 Marburg (Lahn), Deutschhausstr. 2 Physikalisch-Technische Werkstätten Dr. Pychlau KG, 78 Freiburg/Br., Lörracher Str. 7 Universitäts-Augenklinik, Abt. für Medizinische Optik, 2 Hamburg 20, Martinistr. 52 Institut für Physikalische Elektronik der Universität, 7 Stuttgart 1, Böblinger Str. 70 Institut für Biomedizinische Technik der Technischen Universität, 8 München 22, Museumsinsel 1 Rudolf-Virchow-Krankenhaus, Abt. Strahlungsphysik, 1 Berlin 65, Augustenburger Platz 1 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7

XVI Rösel, Fritz Schaarschmidt, Bernd

Scherg, Christof Scheffler, Andreas

Schlegel, Wolfgang

Schmidlin, Peter

Schoknecht, Günter Schraube, Hans

Schütz, Jürgen Schweitzer, Gerhard Seebeck, Uwe Siegert, Horst

Tiemann, Jürgen Tietze, Ulrich

Tisza, Sändor

Institut für Theoretische Physik der Universität, CH-4000 Basel/Schweiz, Klingelbergstr. 80 Zentralinstitut für Biochemie und Biophysik der Freien Universität Berlin, 1 Berlin 33, Habelschwerdter Allee 30 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie, Abt. Strahlentherapie, 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280 Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280 Bundesgesundheitsamt, Institut für Sozialmedizin und Epidemiologie, 1 Berlin 33, Thielallee 88/92 Institut für Strahlenschutz der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1 Radiologische Universitäts-Klinik, 44 Münster, Jungeboldtplatz 1 Universitäts-Augenklinik, Abt. für Medizinische Optik, 2 Hamburg 20, Martinistr. 52 Firma C. H. F. Müller, Unternehmensbereich der Philips GmbH, 2 Hamburg 1, Alexanderstr. 1 Nuklearmed. Abteilung der Medizinischen und Radiologischen Klinik der Universität, 34 Göttingen, Humboldtallee 1 Institut für Ergonomie der Technischen Universität, 8 München 40, Barbarastr. 16 Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie - Biophysik - , 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30 II. Chir. Univ. Klinik, H-1088 Budapest, Baross-u. 23/25, Ungarn

XVII van Kaick, Gerhard

Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280

Waidelich, Wilhelm

Physikalisches Institut der Technischen Hochschule, 61 Darmstadt, Schloßgartenstr. 7 Radiologische Universitäts-Klinik, 44 Münster, Jungeboldtplatz 1

Wannenmacher, Michael Wegener, Otto-Henning

Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin, Klinik für Radiologie, Nuklearmedizin und Physikalische Therapie, Abt. Strahlentherapie, 1 Berlin 45, Hindenburgdamm 30

Weinberg, Wolfram

Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. Kohärente Optik, 8042 Neuherberg, Ingolstädter Landstr. 1

Welling, Herbert

Institut für Angewandte Physik der Technischen HQchschule, 3 Hannover, Weifengarten 1 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Abt. für Biophysikalische Strahlenforschung, 6 Frankfurt/ Main, Paul-Ehrlich-Str. 20

Werner, Eckhard

Wolber, Gerd

Deutsches Krebsforschungszentrum, Institut für Nuklearmedizin, 69 Heidelberg 1, Im Neuenheimer Feld 280

zum Winkel, Karl

Klinikum Westend der Freien Universität Berlin, Strahleninstitut, 1 Berlin 19, Spandauer Damm 130

1 Bild Verarbeitung

1.1 Elektronische und optische Verfahren der Bildverarbeitung in der Medizin W.H. Bloss, ER. Reinhardt

Das Bild i m a l l g e m e i n s t e n Sinne - a l s z w e i d i m e n s i o n a l e I n t e n s i t ä t s - o d e r F a r b v e r t e i l u n g - s p i e l t in den v e r s c h i e d e n s t e n T e i l d i s z i p l i n e n d e r M e d i zin e i n e a u ß e r o r d e n t l i c h w i c h t i g e R o l l e , w o b e i in z u n e h m e n d e m Maße v e r s u c h t w i r d , die q u a l i t a t i v e B e o b a c h t u n g d u r c h q u a n t i t a t i v e A n a l y s e n zu e r gänzen. Entsprechend der Vielfalt der Natur der Bilder: makroskopische oder mikroskopische Bilder im optischen Bereich, Szintigramme,

Rönt-

g e n b i l d e r , S o n o g r a m m e , T h e r m o g r a m m e , u n t e r s c h e i d e n s i c h die V e r f a h r e n d e r B i l d g e w i n n u n g s e h r s t a r k v o n e i n a n d e r . A u ß e r den o p t i s c h e n A b b i l d u n g s s y s t e m e n sind d i e j e n i g e n V e r f a h r e n von b e s o n d e r e r B e d e u t u n g , die e s g e s t a t t e n , a u s d e r z w e i d i m e n s i o n a l e n B i l d v o r l a g e d a s d r e i d i m e n s i o n a l e O b j e k t zu r e k o n s t r u i e r e n , wie e s b e i s p i e l s w e i s e in d e r S z i n t i g r a phie mit F r e s n e l z o n e n p l a t t e n r e a l i s i e r t w i r d . Die A u f g a b e d e r B i l d a n a l y s e b e s t e h t e i n e r s e i t s d a r i n , "quantitative A u s s a gen c h a r a k t e r i s t i s c h e r M e r k m a l e in

i n t e g r a l e r F o r m und h i n s i c h t l i c h

i h r e r s t a t i s t i s c h e n V e r t e i l u n g f ü r d a s g a n z e Bild zu g e w i n n e n . A n d e r e r seits sollen Einzelstrukturen des Bildes nach ihren Merkmalen u n t e r s u c h t und e n t s p r e c h e n d k l a s s i f i z i e r t w e r d e n . Die q u a n t i t a t i v e B i l d a n a l y s e kann n u r dann e r f o l g r e i c h d u r c h g e f ü h r t w e r d e n , wenn die B i l d v o r l a g e n e n t s p r e c h e n d a u f b e r e i t e t o d e r v o r v e r a r b e i t e t w e r d e n . Die b e i d e n P r o z e s s e d e r V o r v e r a r b e i t u n g und d e r B i l d a n a l y s e w e r d e n a l s B i l d v e r a r b e i t u n g b e z e i c h n e t . E i n i g e d i e s e r A u f g a b e n f ü r die M e r k m a l s e r f a s s u n g s i n d in Tabelle 1 zusammengestellt. Anhand e i n e r Ü b e r s i c h t ü b e r die v e r s c h i e d e n e n F u n k t i o n e n d e r B i l d v e r a r beitung und d e r e n t s p r e c h e n d e n S y s t e m e s o l l e n die o p t i s c h e n und e l e k t r o n i s c h e n V e r f a h r e n d e r B i l d v e r a r b e i t u n g e r l ä u t e r t w e r d e n (Abb. 1).

4-

Tabelle 1 Aufgabenstellungen für die Merkmalserfassung. Photometrisch:

Morphologisch:

Mittlerer Grauwert Gesamtextinktion Histogramme von Grauwerten, Gradienten

Anzahl Fläche Umfang Sehnenzahl Strukturelemente Richtung Histogramme von Flächen Abständen, Impulsbreiten

Abbildung 1: Verfahren der Bildverarbeitung.

5 Diese Operationen im optischen B e r e i c h l a s s e n sich mit extrem großer 12 Geschwindigkeit durchführen - es werden Verarbeitungsraten von 10 bis 14 10

b i t / s angegeben, die p r i m ä r durch die Detektorsysteme begrenzt

sind. Die Operationen werden hauptsächlich in der F o u r i e r - oder F r e q u e n z ebene durchgeführt. Als B e i s p i e l sei ein zweidimensionaler richtungsunabhängiger Differentiationsprozeß mit einem F i l t e r , das die Operation bewirkt, angeführt. D i e s e r P r o z e ß dient zur Vorverarbeitung und gestattet das Hervorheben eines Kontrastübergangs (Abb. 2).

Abbildung 2:

Richtungsunabhängiges Differentiationsverfahren zur Sichtbarmachung von Kontrastübergangen.

Ein anderes B e i s p i e l stellt die Größenklassifikation mit einem angepaßten F i l t e r dar, das mit einer Einzelzelle definierter Größe h e r g e s t e l l t wurde und in Abbildung 3 aufgezeigt ist.

Abbildung 3: Größenklassifikation von Einzelzellen mit Hilfe eines angepaßten F i l t e r s .

6 A l l e durch die Ortsfrequenz beschreibbaren Operationen - Differentiation, Faltung, Korrelation - lassen sich in einfacher W e i s e im optischen P r o z e s sor realisieren. Die Verteilung kleiner Einzelelemente in der Objektebene kann aus dem Intensitätsspektrum in der Fourierebene gewonnen werden (Abb. 4).

Abbildung 4a: Intensitätsspektrum in der Fourierebene eines Mikroradiogramms .

Abbildung 4b: Simulationsexperiment mit Einzelzellen, deren Lage in einem quadratischen F e l d statistisch v e r t e i l t i s t .

7 Daraus lassen sich Aussagen über die Wechselwirkung der Einzelstrukturen untereinander gewinnen. Für die elektronische Bildverarbeitung muß zunächst mit Hilfe eines optisch-elektronischen Wandlers das Bild in elektrische Signale umgesetzt werden. Durch die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sowie durch ihre hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit haben die Fernsehaufnahmesysteme besonderen V o r r a n g . Während die durch den Abtaststrahl bedingte ö r t l i che Auflösung im allgemeinen ausreichend ist (etwa 300 000 Bildpunkte), ist die Zahl der auflösbaren Graustufen (32) nicht nur durch das SignalRausch-Verhältnis sondern v o r allem durch die Inhomogenität der Detektorschicht begrenzt. Eine v e r b e s s e r t e Graustufenauflösung läßt sich mit einem Scanning-System erreichen. Tabelle 2 stellt eine Übersicht über die charakteristischen Daten verschiedener Aufnahmesysteme dar. Tabelle 2 Übersicht über die verschiedenen Bildaufnahmesysteme.

Ort/Auflösungsvermögen

Örtl. Abweichung d. Empfindlichkeit

Graustutenajflösung

Relative Empfindlichkeit

Abtastreit pro Bildpunkt

Plurrbicon

1000x640

TU

32

QS

KOnstc

Vidiccn

600x640

3V.

32

Q2

« tOOnsec

Muttidioden Vidicon

700x640

tov.

10

1

KOnstc

CCD

320*512

SV.

*20

1

KOnsec

ImageDisseclor

2000*2000

SV,

•*20

0,02

I25tisec

Flying Spul

4000x4000

0-2 VJ

Scanning Tisch

-

-

64

256

-

-

tfjsec

20msec

8 Zahlreiche Aufgaben der Bildvorverarbeitung und der quantitativen Analyse können im rein elektronischen Bereich bearbeitet werden. Zwei Analogprozesse für die Bildvorverarbeitung, die auch als Hilfsmittel für die visuelle Betrachtung herangezogen werden, seien hier herausgegriffen: die Farbumsetzung und die Entfaltung statistisch gestörter Bilder. Bei der elektronischen Farbumsetzung werden die örtlichen Grauwerte durch Phasenmodulation in Farbwerte umgesetzt und bei der Wiedergabe den Helligkeitswerten überlagert. Dieses Farbumsetzverfahren bewirkt eine verbesserte Erkennbarkeit von kontrastarmen Detailstrukturen und erlaubt einen besseren Vergleich zwischen verschiedenen voneinander getrennten Bildpartien. Die elektronische Bildanalyse, die für die Videometrie und Videodensitometrie eingesetzt wird, wird bereits in kommerziell verfügbaren und technisch ausgereiften Geräten durchgeführt. Es lassen sich damit u.a. Äquidensiten, Grauwerthistogramme, Messungen von Umfang, Flächen, Sehnenzahl und die Zählung von Detailstrukturen gewinnen. Für einen erweiterten Anwendungsbereich und für die statistische Auswertung werden die Analogverfahren meist in Verbindung mit einem Digitalrechner eingesetzt. Der hohe Informationsfluß eines Videobildes, etwa 4 Mbyte/s, und der hohe Speicherbedarf, 200 Kbyte, lassen nur leistungsfähige Großrechner für eine Bildanalyse zu, die ausschließlich im Rechner durchgeführt werden soll. Dagegen erfüllen auch Kleinrechner in Verbindung mit elektronischen Auswertegeräten zwei wichtige Funktionen: die Prozeßsteuerung und die Merkmalserfassung. Als Prozeßrechner steuern die Kleinrechner vor allen Dingen das bildpunktweise, objektbezogene Abtasten. Für die quantitative Auswertung kommen zahlreiche Operationen in Betracht, beginnend mit der Kompensation der nichtlinearen Kennlinie des Detektors, der Durchführung nichtlinearer Prozesse, der Gewinnung zusammengesetzter Merkmale, der Gewinnung gewichteter Funktionen und der Auswertung aller statistischen Daten. Besonders für die Partikelklassifizierung stellt das Analog-Digital-System eine leistungsfähige Einheit

9 dar, deren Anwendungsmöglichkeiten bei weitem noch nicht ausgeschöpft sind. Eine F r a g e s t e l l u n g besonderer Aktualität stellt die P a r t i k e l k l a s s i fizierung für die Krebsfrüherkennung dar. Hierbei kann die Relevanz des M e r k m a l s a t z e s an großen Stichprobenmengen getestet und eine Optimierung des K l a s s i f i k a t o r s vorgenommen werden. Daraus r e s u l t i e r e n Anordnungen mit Mikroprozessoren (schnelle p a r a l l e l e Verarbeitung) für spezielle F r a gestellungen. Der Digitalrechner gewinnt neben der Prozeßsteuerung und der Auswertung im Analog-Digital-System zunehmend an Bedeutung für Simulationsversuche und die Herstellung synthetischer F i l t e r . Die Durchführung von Simulationsversuchen im R e c h n e r hat p r i m ä r das Ziel der adaptiven P a r a m e teroptimierung. Im Gegensatz zu den Filteroperationen im optischen B e reich gestalten sich F i l t e r p r o z e s s e im elektronischen B e r e i c h s c h w i e r i ger, weil durch die zeitlich aufeinanderfolgende Erfassung von B i l d e l e menten das Prinzip der Kausalität zu berücksichtigen i s t . Mit Hilfe von Koppelfeldern kann auch bei elektronischen Operationen die Kausalität insofern überwunden werden, a l s das Koppelfeld um den Aufpunkt herum gleichzeitig die Signale a l l e r Koppelelemente verfügbar macht. Die W i r kungsweise eines F i l t e r p r o z e s s e s mit einem Koppelfeld sei noch a l s V o r verarbeitung eines verrauschten Bildes angeführt. Die Simulationsversuche am R e c h n e r gestatten nun, die Koppelfunktion zu optimieren (Abb. 5). In Abbildung 5a i s t die Dichteverteilung eines Bildes mit erheblichem S t ö r untergrund aufgezeichnet. Mit Hilfe der Koppelfunktion (Abb. 5c) gewinnt man Abbildung 5b, die die eingegebene Bildstruktur deutlich hervorhebt. Durch die Kombination der verschiedenen Verfahren kann ein hybrides V e r a r b e i t u n g s s y s t e m großer Leistungsfähigkeit aufgebaut werden, wobei derzeitig noch eine gewisse Problematik an den Schnittstellen besteht, die in Abbildung 1 s c h r a f f i e r t gezeichnet sind. Die derzeitig verfügbaren Komponenten für die Bildaufnahme können hinsichtlich Zuverlässigkeit und B e dienung als zufriedenstellend betrachtet werden. F ü r die Schnittstelle Elektronik - Rechner sind zwar verschiedene Speichermedien möglich, j e doch wird die Funktion am besten mit einem digitalen B i l d s p e i c h e r erfüllt (Tab. 1 5 ).

10

ai m m m m « , .

vfe.

ti

w

m

Abbildung 5: Simulationsversuche mit einer Koppelfunktion.

Tabelle 3 C h a r a k t e r i s t i s c h e Daten verschiedener Speichermedien.

. Videoband Reproduzierbarkeit des Ortes zwischen Schreib- und LeseVorgang

> 10 Bildpkt

Videoplatte

2 Bildpkt

Analoge Bildspeicherröhre

2-3

Bildpkt

Digitaler Bildspeicher

1 Bildpkt

Graustufenauflösung

126

64

10

256

Schrcb-und Lesemodus. TV kompatibel

ja

ja

ja

ja

Randorn Access möglich

nein

ja

ja

ja

Dialcgverkehr zweier Speichermedien möglich

ja

ja

kaum, wegen Gradationsproblemen

ja

11

Für die Durchführung des Gesamtkonzepts stellt die Schnittstelle Elektronik - kohärente Optik noch eine offene Problematik dar, an der seit einigen Jahren intensiv gearbeitet wird, was eine technische Lösung erwarten läßt. Das hier aufgezeichnete System bietet für die verschiedensten F r a g e s t e l lungen in der Medizin, besonders hinsichtlich einer quantitativen Bildanalyse, technisch r e a l i s i e r b a r e Möglichkeiten.

1.2 Die Korrektur der Poisson-Statistik mit Hilfe eines Frequenzrauschfilters, angewendet auf die Verarbeitung von digitalen Szintigrammen W. Gahr Einführung B e i d e r A u f n a h m e von d i g i t a l e n S z i n t i g r a m m e n t r i t t s t e t s die P o i s s o n s t a t i s t i k auf, die a l s s t ö r e n d e s R a u s c h e n in d e r A u f n a h m e e r s c h e i n t . Z u r Entfernung dieses Rauschens werden lineare W i e n e r f i l t e r im F r e q u e n z b e r e i c h benutzt, die von d e r Annahme a u s g e h e n , daß das R a u s c h e n unabhängig von d e r a u f g e n o m m e n e n V e r t e i l u n g i s t . Dies i s t b e i d e r P o i s s o n v e r t e i l u n g n i c h t d e r F a l l , w o d u r c h e s bei d e r F i l t e r u n g von p e r i o d i s c h e n B i l d s t r u k t u r e n z u r V e r g r ö ß e r u n g des F e h l e r s k o m m e n kann. In d i e s e m Z u s a m m e n h a n g t r i t t die F r a g e auf: L ä ß t s i c h ein d i g i t a l e s S z i n t i g r a m m so t r a n s f o r m i e r e n , a u s d e r v a r i a b l e n P o i s s o n s t a t i s t i k eine

daß

G a u ß s t a t i s t i k m i t k o n s t a n t e r Stan-

d a r d a b w e i c h u n g w i r d ? A l s eine s o l c h e T r a n s f o r m a t i o n w i r d die E r s e t z u n g e i n e r I m p u l s z a h l durch i h r e W u r z e l b e t r a c h t e t . Sie l i e f e r t ab 6 counts e i ne genügende N ä h e r u n g . W e i l d i e s e T r a n s f o r m a t i o n nicht l i n e a r i s t , können auf den t r a n s f o r m i e r t e n S z i n t i g r a m m e n k e i n e l i n e a r e n F i l t e r m e h r b e nutzt w e r d e n . S t a t t d e s s e n kann das konstante R a u s c h e n in d e r F r e q u e n z darstellung mit einem Aroplitudenrauschfilter unterdrückt werden.

Die

R ü c k t r a n s f o r m a t i o n - d . h . Q u a d r i e r u n g - l i e f e r t a n s c h l i e ß e n d eine entr a u s c h t e A u f n a h m e . Die o p t i m a l e G r ö ß e des A m p l i t u d e n r a u s c h f i l t e r s e r w e i s t s i c h a l s s t a r k von d e r F o r m des S z i n t i g r a m m s abhängig, s i e muß v o r d e r Routinebenutzung durch V e r s u c h e e r m i t t e l t w e r d e n . Die P o i s s o n s t a t i s t i k und die l i n e a r e F i l t e r u n g B e i d e r A u f n a h m e von d i g i t a l e n S z i n t i g r a m m e n t r i t t s t e t s die Statistik des K e r n z e r f a l l s auf, die durch die P o i s s o n v e r t e i l u n g b e s c h r i e b e n w i r d :

MN P (N) = — - e ' " N

m, N in counts

(i) '

14 Alle Methoden, die die s t a t i s t i s c h e n Störungen aus d e r Aufnahme entfernen wollen, v e r s u c h e n aus der aufgenommenen N - V e r t e i l u n g die ju-Verteilung zu r e k o n s t r u i e r e n ,

soweit dies möglich i s t . B e t r a c h t e n wir als B e i s p i e l

e i n e r solchen Rekonstruktion die l i n e a r e Wienerfilterung. Die l i n e a r e F i l terung geht von der Punktabbildung bei 2 - d i m e n s i o n a l e n bzw. von d e r L i nienabbildung bei der 1-dimensionalen Aufnahmen a u s . Hier wird im folgenden nur der 1 - d i m e n s i o n a l e F a l l b e t r a c h t e t . Diese Abbildungen können für viele K o l l i m a t o r e n durch ortsunabhängige Gaußfunktionen b e s c h r i e b e n werden (HINE et al. (1)): G (x)

^

-¿(i)2 e 2 °

x, o in cm

(2)

• o Die Standardabweichung

a ist ü b e r die angegebenen H a l b w e r t s b r e i t e n d

d e r Abbildungsfunktionen G(x) zu edr h a l t e n : a = — — « 0,424 • d 2 V 2 'ln2

(3)

Die Aufnahme A(x) des S z i n t i g r a m m s läßt sich a l s Faltung des Originals O(x) m i t der Abbildungsfunktion G(x) beschreiben, d e r sich ein s t a t i s t i s c h e s Rauschen R(x) ü b e r l a g e r t . Aus d e r Impulszahl A(x)=N folgt für die Standardabweichung d e r P o i s s o n verteilung:

ff(R(x))=v/N

Wenn F T ( . ) die F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ,

(4) X ( x ) die O r t s d a r s t e l l u n g und

X(co) die F r e q u e n z d a r s t e l l u n g s y m b o l i s i e r t , so läßt sich eine Aufnahme in der Frequenzdarstellung beschreiben a l s : A(co) = 0 ( c o )

• G(co) + R(co)

m i t O(co ) = F T ( 0 ( x ) ) e t c . (5)

Das Rauschen R( co ) ist dabei abhängig von O • G. Aus (2) folgt für G( co ): 1 • (o • u,)2 G (co) a• e 2 mit co = 2?r • f (6) f = Frequenz

\

Mit Hilfe der l i n e a r e n F i l t e r wird nun v e r s u c h t , aus den Aufnahmen A( co) wieder die Originale 0 ( co ) zu gewinnen. E i n e s d i e s e r F i l t e r ist das folgende W i e n e r f i l t e r W( co) (HUNT et al. (2)): W (co)

=

—!—

!

G (co) 1 + I •

e

K • P R . (CO) =» A* (co)

1 • A* (co)

PA* (co) < K • PR»

0 • A* (co)

A* (co)

(CO)

=» A* ( « )

A* (co) • [ 1 - e

2

P^M-K

]

l20)

Die Funktion dieser beiden Rauschfilter läßt sich einfach mit der Abbildung 7 demonstrieren, in der die Frequenzspektren als Punktfolgen in der komplexen Zahlenebene dargestellt sind. Das Rauschfilter (19) setzt alle Punkte A ( co ) innerhalb eines K r e i s e s um den Nullpunkt zu 0, während außerhalb des K r e i s e s liegende Punkte A ( co ) unverändert bleiben. Der Radius dieses K r e i s e s ist dabei etwa durch die Standardabweichung der Rauschverteilungsfunktion gegeben, er hängt aber auch von der Aufnahme A ( c o ) ab, was durch den Faktor K berücksichtigt ist: K gibt die Breite des Rauschfilters an. Das Rauschfilter (19) stellt praktisch einen " T o p f " dar. Das zweite Rauschfilter (20) ersetzt den " T o p f " durch eine 2-dimensional e rotationssymmetrische Gaußverteilung, deren Standardabweichung f ü r K=1 gleich der Standardabweichung der Rauschverteilungsfunktion ist. Ein V e r g l e i c h der beiden Rauschfilter ergibt, daß das Gaußrauschfilter besser e Ergebnisse l i e f e r t : Die Linien- bzw. die periodische Originalfunktion aus der Abbildung 7 wurden mit einer Poissonverteilung gestreut und anschließend rauschgefiltert. Die erhaltenen W e r t e für die Größe F - nach (12) - sind in der folgenden Tabelle enthalten.

24 Die Größe VF als Funktion von K Faktor K 0.5 1.0

1. 5 Faktor K 0.5 1.0 1 .5

Linien mit Gauß

Periodisch mit Gauß 0.55 0. 34 0. 38

1. 32 2.40 5. 47 Linien mit "Topf1Ii

ii Periodisch mit "Topf1

1. 62

2.40 6.48

0. 96 0.51 0.49

Es bleibt die F r a g e offen, wie groß die Breite K des Rauschfilters gewählt werden soll. Die optimale Breite ist abhängig von der zu verarbeitenden Aufnahme A(x). Das wird durch die Abbildung 8 demonstriert: Bei der Linienfunktion ist der Anteil der Frequenzen klein, bei denen die spektralen Energien im Bereich der Rauschenergien liegen (siehe Abb. 7). Entsprechend gering ist auch der Einfluß des Rauschfilters. Anders ist die Situation bei der periodischen Funktion, hier ist der Anteil dieser F r e quenzen groß, und das Rauschfilter führt zu einer deutlichen Bildverbesserung. Die optimale Breite K ist bei diesen zwei Funktionen verschieden: Im ersten Fall ist ihr Wert kleiner als 1, im zweiten Fall jedoch größer. Die Frage, wie dieser optimale Wert für eine Aufnahme mit unbekannter Originalfunktion erhalten werden kann, ist noch unbeantwortet. Zur Anwendbarkeit des Verfahrens Auf 2 Punkte s e i am Schluß noch hingewiesen: a) Die Wurzeltransformation erzeugt konstante F e h l e r bei allen poissongestreuten Funktionen, ob e s sich nun um Orts-, Zeit- oder Energiefunktionen (Spektren) handelt. Oft wird die Darstellung dieser Funktionen nach der Transformation verständlicher, da alle Punkte der Funktion nun direkt vergleichbar sind. Besonders gut ist es, daß Gaußfunktionen wieder in Gaußfunktionen transformiert werden.

25 b) B e v o r ein Rauschfilter benutzt wird, muß untersucht werden, wie groß bei dem besonderen Typ der auftretenden Funktionen die optimale Rauschfilterbreite K i s t . Der Wert K=1 kann zwar benutzt werden, l i e f e r t a b e r nicht optimale E r g e b n i s s e .

ORIGINAL

MAX

ORIGINAL F

\/\/\/i

= o osca œ

VTU

ss

RNKTEN

AUFNAHME

MAX = 0¿/i75L 02 VEN

ES PUfUTLN

AUFNAHME KiT*

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un MAX = 0-3400E OB VW

ES WNKTEN

RELATIVE FEHLER/f~

V

A

MAX = O-aaXJE CE VON

? B5 fWTEN

RELATIVE FEHLER/F 1.75 \ - F = 0,52

MAX = 01B30E 03 VCN

« RfttTEN

MAX = 0 14T£ Di VON

« PINtfEN

ENTRAU5CHTE5 BILD '»4 nnf™ Hfl

ENTRAUSCHTES BILD

MAX = O-.IIBE oe VON

MAX =

SS RfttTEN

0 I S K E OS VDN

BS PUNKTEN

Abbildung 8: K ist die relative Standardabweichung des Gauß-Raüschfilters. Sein optimaler Wert, für den F = A P / i P Q = min ist, hängt von der zu verarbeitenden Aufnahme ab.

26 ANHANG: Das 3. Moment einer standardisierten symmetrischen Verteilung. Das 3. Moment g einer Verteilung f(x) ist gegeben durch den Erwartungswert: (r)

+

g = E(

(x-x0)3)

=f

( x - x 0 ) 3 • f(x) dx

- oo

Es gilt (KREYSZIG (5)): (2 ' ) g = E( ( x - x 0 ) 3 ) = E(X3-3X2Xq + 3xx 2 - x 3 ) = = E(x 3 ) - 3Xq • E(x 2 ) + 3x 2 • E(x) - x 3 • 1 Für eine standardisierte symmetrische Verteilungsfunktion f(x) gilt (KREYSZIG (6)): ^ = (3')

E(x) =

o

a =E(x2) = 1 7=

E( (x-M) 3 ) / a 3 = E(x 3 ) = 0

Damit folgt aus (2'): (4')

g=-3x0-x3

Die Gleichung (4') gibt das 3. Moment für eine standardisierte Verteilungsfunktion in Abhängigkeit von x^ an. Für den Bereich x^= - 0 . 5 . . + 0.5 gilt a l s Näherung: (5')

g » -3 • xQ

Literatur 1.

Hine, G. J . & Tsialas, S. P. (1969), "Evaluation of Fokussed Collimator Performance III", Proceedings of a Symposium on Medical Radioisotope Scintigraphy, Salzburg 6 . - 1 5 . Aug. 1968, IAEA Wien, S.487 ff., s.besonders S. 492

2.

Hunt, W. A. , Meder, H.G. , Pistor, P . , Walch, G., Lorenz, W. J . , Luig, H. & Schmidlin, P. (1970), "Optimum Sample Size in Digital Radioscintigraphy", Veröffentlichungen des Wissenschaftlichen Zentrums Heidelberg, 24. Aug., IBM Publication 70.09.004, S.8

3.

I . e . (2), S. 6

4.

Kreyszig, E. (1968), "Statistische Methoden und ihre Anwendungen" Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1968 , Abschnitt 44 I . e . (4), Gleichung (30. 3) 1. c. (4), Satz 34. 2

5. 6.

1.3 Bildbearbeitung bei Szintigrammen mit Hilfe der Faktoranalyse P. Schmidlin, F. Rösel, W. Schlegel Methode Die Methoden z u r B i l d v e r a r b e i t u n g b e i s t a t i s c h e n S z i n t i g r a m m e n s i n d v i e l f ä l t i g . E i n n e u a r t i g e r und v i e l v e r s p r e c h e n d e r A n s a t z b e s t e h t in d e r A n w e n dung d e r M e t h o d e d e r F a k t o r a n a l y s e auf die s z i n t i g r a p h i s c h e B i l d b e a r b e i tung. D i e s e Anwendung w u r d e von MARANO (1) a m B e i s p i e l von F o t o g r a p h i e n g e t e s t e t . Di P A O L A (2) h a t die Methode auf S z i n t i g r a m m e ü b e r t r a gen und d a b e i s e h r gute E r g e b n i s s e e r h a l t e n . W i r h a b e n d e s h a l b die M e thode a u f g e g r i f f e n und v e r s u c h t , C h a r a k t e r i s t i k a und M ö g l i c h k e i t e n h e r auszuarbeiten. Z u r D u r c h f ü h r u n g d e r F a k t o r a n a l y s e w e r d e n die B i l d z e l l e n e i n e s S z i n t i g r a m m s in e i n z e l n e g l e i c h g r o ß e Z e l l k o l l e k t i v e u n t e r g l i e d e r t ( S a m p l i n g ) . Die Z e l l k o l l e k t i v e w e r d e n a p p r o x i m i e r t d u r c h ein F u n d a m e n t a l s y s t e m von Orthogonalfunktionen, h i e r F a k t o r e n genannt. Der entscheidende Unterschied gegenüber der Bilddarstellung mit Hilfe eines t r i g o n o m e t r i s c h e n F u n d a m e n t a l s y s t e m s bei d e r l i n e a r e n F i l t e r u n g b e s t e h t d a r i n , daß d a s Fundamentalsystem im Fall der Faktoranalyse bildspezifisch errechnet w i r d . Die O r t h o g o n a l f u n k t i o n e n e r g e b e n s i c h a u s d e r F o r d e r u n g , daß die in den Z e l l k o l l e k t i v e n e n t h a l t e n e I n f o r m a t i o n in m ö g l i c h s t w e n i g e n F a k t o r e n k o m p r i m i e r t w i r d , so daß a l l e ü b r i g e n F a k t o r e n z u s a m m e n g e n o m m e n n u r noch e i n e n B r u c h t e i l d e r G e s a m t i n f o r m a t i o n e n t h a l t e n . Auf m a t h e m a tische Einzelheiten kann im Rahmen d i e s e r Darstellung nicht eingegangen werden. Ergebnisse Im f o l g e n d e n w e r d e n a u s P l a t z g r ü n d e n n u r e i n i g e t y p i s c h e B e i s p i e l e f ü r die f a k t o r a n a l y t i s c h e B i l d v e r a r b e i t u n g h e r a u s g e g r i f f e n . In a l l e n g e z e i g t e n F ä l l e n wurde zeilenweise Sampling benutzt. Daraus r e s u l t i e r t eine zeilenweise Rekonstruktion der Bilder m i t Hilfe der F a k t o r e n .

28 Abbildung 1 zeigt die Faktoranalyse eines Szintigramms des I A E A - L e b e r phantoms. Die gesamte Zählrate im Bild beträgt 7 680 Impulse. Dargestellt ist der Aufbau des Szintigramms aus 1 bis 6 Faktoren. Während bei den ersten Faktoren die Zeilen- und Spaltenstruktu, noch deutlich zu erkennen ist, ergibt sich bereits bei 3 bis 4 Faktoren ein objekttreues und rauscharmes Bild. Bei Hinzunahme weiterer Faktoren verstärkt sich allmählich der Rauschanteil. Auf das Szintigramm eines Linienphantoms, über einen homogenen Untergrund

überlagert, wurden verschiedene Filtermethoden angewandt. Ab-

bildung 2 zeigt die Resultate dieser Auswertungen in zwei zueinander senkrechten Schnitten. Das mit FWA gekennzeichnete P r o f i l ist das Ergebnis einer Filterung mit einem kontrastverstärkenden Filter nach WALCH (3), FWI mit einem

Erwartungswertfilter nach WIEBELT (4), und F A das

Abbildung 1: Aufbau des Szintigramms des IAEA-Leberphantoms aus 1-6 Faktoren.,

29

Abbildung 2: P r o f i l e e i n e r L i n i e n q u e l l e n a c h v e r s c h i e d e n e n V e r a r b e i t u n g e n . FWA = F i l t e r n a c h W a l c h ( k o n s t r a s t v e r s t ä r k e n d ) , F W I = F i l t e r n a c h W i e b e l t ( E r w a r t u n g s w e r t ) , F A = F a k t o r a n a l y s e (4 F a k t o ren). E r g e b n i s d e r F a k t o r a n a l y s e . Zu e r k e n n e n i s t v o r a l l e m die Neigung zu I n t e r f e r e n z w e l l e n b e i den F o u r i e r - F i l t e r n . Die F a k t o r a n a l y s e l i e f e r t e i nen g r ö ß e r e n R a u s c h a n t e i l , d e r j e d o c h i n n e r h a l b d e r S t a t i s t i k k e i n e l a n g welligen a r t i f i z i e l l e n Schwankungen enthält. Die V e r a r b e i t u n g e i n e s s i m u l i e r t e n H o m o g e n p h a n t o m s m i t 4 h e i ß e n K n o ten (Abb. 3, O r i g i n a l l i n k s oben) z e i g t eine d e u t l i c h e Ü b e r l e g e n h e i t d e r F a k t o r a n a l y s e ( r e c h t e Seite) ü b e r d a s E r w a r t u n g s w e r t f i l t e r (links u n t e n ) . W ä h r e n d die 4 K n o t e n auch b e i m E r w a r t u n g s w e r t f i l t e r n o c h f a s t i m R a u s c h e n v e r s c h w i n d e n , s i n d s i e b e r e i t s m i t 2 F a k t o r e n k l a r zu e r k e n n e n . Abbildung 4 zeigt das Scannerbild e i n e r W i r b e l s ä u l e im Original, m i t dem E r w a r t u n g s w e r t f i l t e r und m i t d e m k o n t r a s t v e r s t ä r k e n d e n F i l t e r b e a r b e i t e t und a u s 3 F a k t o r e n r e k o n s t r u i e r t . H i e r z e i g e n s i c h d e u t l i c h die U n t e r s c h i e d e in den v e r s c h i e d e n e n V e r a r b e i t u n g s m e t h o d e n . Die p e r i o d i s c h e Struktur der Wirbelsäule wird durch das kontrastverstärkende F i l t e r als

31

S ¿ u m O r-H ?. .*iCa«-rH ä h .HP s ^ ^ h1 îh«0) Og +->+-» .y î-I >l

1

0,01

0,2

0,7

2

j

0,07

'J

S

15

27

on-axisZP"

Belichtungszeit, '( Zweibild

2

V2

o f M s Z p

Lochkamefa

Experimentelle Ergebnisse 99m Ein S c h i l d d r ü s e n p h a n t o m , d a s m i t r a d i o a k t i v e m

Tc (140keV) g e f ü l l t

w a r , w u r d e m i t o n - a x i s - wie a u c h m i t o f f - a x i s - Z o n e n p l a t t e n a u s B l e i a b g e b i l d e t . Die o n - a x i s - Z o n e n p l a t t e h a t t e f ü r die

7 - S t r a h l u n g von 140keV

e i n e " s i n u s f ö r m i g e " T r a n s m i s s i o n . D u r c h m e s s e r d e r Z o n e n p l a t t e 13, 6 c m ; 17 R i n g e . Die o f f - a x i s - Z o n e n p l a t t e w a r b i n ä r . D u r c h m e s s e r 13 c m ; 60 R i n g e .

Abbildung 5a z e i g t e i n e R e k o n s t r u k t i o n d e s m i t d e r o n - a x i s - Z o n e n p l a t t e a u f g e n o m m e n e n P h a n t o m s . A b w e i c h u n g e n von d e r e x a k t e n F o r m d e s P h a n t o m s w e r d e n v o m d e f o k u s s i e r t e n v i r t u e l l e n Bild v e r u r s a c h t . A b b i l d u n g 5b z e i g t die R e k o n s t r u k t i o n d e s g l e i c h e n P h a n t o m s , d e s s e n S c h a t t e n b i l d m i t e i n e r o f f - a x i s - Z o n e n p l a t t e a u f g e n o m m e n w u r d e . Die d r e i k a l t e n Knoten, s o w i e d e r eine h e i ß e sind d e u t l i c h zu e r k e n n e n . Die ä u ß e r e F o r m d e s P h a n t o m s w i r d a u c h exakt w i e d e r g e g e b e n .

Abbildung 5 : R e k o n s t r u k t i o n d e s S c h i l d d r ü s e n p h a n t o m s a) m i t o n - a x i s - , b) m i t o f f - a x i s - Z o n e n p l a t t e n . Das Z w e i b i l d v e r f a h r e n w u r d e b i s h e r n u r in e i n e r l i c h t o p t i s c h e n S i m u l a t i on g e t e s t e t . Abbildung 6 gibt d r e i R e k o n s t r u k t i o n e n w i e d e r . In Abbildung 6a w u r d e auf d a s r e e l l e , in Abbildung 6b auf d a s v i r t u e l l e Bild d e r s e l b e n

A b b i l d u n g 6: L i c h t o p t i s c h e S i m u l a t i o n d e s Z w e i b i l d v e r f a h r e n s . B e u g u n g s o r d n u n g f o k u s s i e r t . Die A u s l ö s c h u n g in Abbildung 6c i s t d e u t l i c h

53 zu e r k e n n e n , wenn a u c h d e r Rand d e s B u c h s t a b e n s noch s c h w a c h s i c h t b a r i s t . Durch e i n e f e i n e r e J u s t i e r u n g s i n d d i e s e F e h l e r zu v e r m e i d e n . A b b i l dung 6b gibt die k o n v e n t i o n e l l e R e k o n s t r u k t i o n w i e d e r . - H e r r n P r o f . BLOSS, H e r r n P r o f . F E I N E und H e r r n D r . ANGER s p r e c h e n w i r f ü r die U n t e r s t ü t z u n g d i e s e r A r b e i t u n s e r e n Dank a u s . -

Literatur 1.

B a r r e t t . H . H . & H o r r i g a n , F . A . (1 973), F r e s n e l zone p l a t e i m a g i n g of g a m m a r a y s ; t h e o r y ; A p p l . O p t i c s J_2, 2686

2.

B a r r e t t , H . H . & De M e e s t e r , G. D. (1974), Q u a n t u m n o i s e in F r e s n e l zone plate imaging; A p p l . O p t i c s 1_3, 1100

3.

R o g e r s , W . L . , H a n . K . S . , J o n e s , L . W . & B e i e r w a l t e s , W. H. (1972), A p p l i c a t i o n of a F r e s n e l - z o n e - p l a t e to g a m m a - r a y i m a g i n g ; J . N u c l e a r Med. 13, 6 l 2

4.

K l o t z , E . & W e i s s , H. (1974), T h r e e - d i m e n s i o n a l c o d e d a p e r t u r e imaging using nonredundant point distributions, O p t i c s C o m m . 12., 183

5.

K l o t z , E . , L i n d e , R. & W e i s s , H. (1974), A m e t h o d f o r d e c o n v o l u t i n g coded a p e r t u r e i m a g e s of t h r e e d i m e n s i o n a l x - r a y o b j e c t s , O p t i c s C o m m . U_, 368

6.

H e n k e l m a n n , R . M. & B r o n s k i l l , M . J . (1974), I m a g i n g e x t e n d e d o b j e c t s with a F r e s n e l - z o n e - p l a t e a p e r t u r e , J . O . S . A . 64, 134

1.6 Fresnelzonen-Pseudo-Holographie mit Röntgenstreustrahlung H. Platzer, A. Ganssen

Die Abbildung von i n n e r e n O r g a n e n m i t d u r c h d r i n g u n g s f ä h i g e n S t r a h l e n h o h e r E n e r g i e o b e r h a l b von 20 keV i s t f ü r die m e d i z i n i s c h e D i a g n o s e von g r ö ß t e r B e d e u t u n g . W e g e n d e s F e h l e n s von L i n s e n und S p i e g e l n f ü r S t r a h len d i e s e s E n e r g i e b e r e i c h e s i s t m a n h i e r auf den S c h a t t e n w u r f h i n t e r e i n e r m ö g l i c h s t p u n k t f ö r m i g e n S t r a h l e n q u e l l e o d e r bei a k t i v s t r a h l e n d e n I s o t o p e n v e r t e i l u n g e n auf den S c h a t t e n w u r f t e i l w e i s e a b s o r b i e r e n d e r S c h i r m e a n g e w i e s e n . Das S c h a t t e n b i l d e r l a u b t d a n n , d i e G e s t a l t d e r o r g a n a b h ä n g i g e n I s o t o p e n v e r t e i l u n g zu r e k o n s t r u i e c e n . Ein d e r a r t i g e s V e r f a h r e n w u r d e e r s t m a l i g 1961 f ü r die R ö n t g e n s t r a h l e n a s t r o n o m i e von M E R T Z und YOUNG (1) e n t w i c k e l t und dann 1972 von B A R R E T T (2) f ü r die m e d i z i n i s c h e Anwendung a u f g e g r i f f e n . Während BARRETT sich im wesentlichen mit der nuklearmedizinischen Anwendung b e f a ß t e , b e r i c h t e n w i r h i e r ü b e r die Anwendung " c o d i e r t e r A p e r t u r e n " z u r A b b i l d u n g von O r g a n e n m i t t e l s R ö n t g e n s t r e u s t r a h l u n g ,

die

i m d i a g n o s t i s c h e n E n e r g i e b e r e i c h e i n e n hohen P r o z e n t s a t z d e r G e s a m t strahlung ausmacht. Das P r i n z i p e i n e r e r s t e n A b b i l d u n g s s t u f e e i n e s s o l c h e n V e r f a h r e n s z e i g t Abbildung 1. Die s c h a t t e n w e r f e n d e W i r k u n g d e r S c h i r m e w i r d in g u t e r N ä h e r u n g m a t h e m a t i s c h d u r c h die F a l t u n g b e s c h r i e b e n . E s s e i o (xy) die von e i n e r i n f i n i t e s i m a l k l e i n e n B l e n d e in d e r E b e n e d e r c o d i e r t e n A p e r t u r e n t w o r f e n e I n t e n s i t ä t s v e r t e i l u n g in d e r D e t e k t o r e b e n e . G l e i c h f a l l s s e i c (x, y) d a s von e i n e m O b j e k t p u n k t in d e r D e t e k t o r e b e n e e n t w o r f e n e S c h a t t e n b i l d d e r c o d i e r t e n A p e r t u r c. Dann e r r e c h n e t s i c h die I n t e n s i t ä t s v e r t e i l u n g i (x, y) a l s i (x, y) = o (x, y) *

c (x, y).

(1)

56

registrierte

Intensität*'M Verteilung

i(*f) • ©(«y)«c(*y) m i Ortsfrequenzberekh: M,

fy)'OUlff)

CUtfy)

Abbildung 1: Gewinnung des codierten Bildes. Da beide Funktionen positiv definit sind, hat diese Operation den Charakter einer Verschmierung. Informationsverlust ist also zu erwarten. Die Informationsübertragung durch ein derartiges System wird durchsichtiger, wenn die Verhältnisse im Bereich der Ortsfrequenzen betrachtet werden. Dann wird nach dem Faltungstheorem aus der Faltung die Multiplikation ; und es gilt: I (f , f ) = O (f , f ) • C (f , f ) . (2) x y x y x y Hieraus erhellt, daß zur Decodierung die Verschmierung rückgängig gemacht werden muß, das heißt durch C (f x , f y ) dividiert werden muß, was an Nullstellen von C mindestens technisch problematisch ist. BARRETT (3) schlug vor, als codierende Apertur einen exzentrischen Ausschnitt aus einer Fresnelzonenplatte zu benützen. Diese hat den Vorteil, daß damit die Decodierung von i (x, y ) besonders einfach wird: Da nun c das Hologramm eines Punktes ist, welches bei Durchleuchtung mit Licht eben diesen Punkt zu rekonstruieren erlaubt, und jeder Objektpunkt nach Rekonstruktion wieder seinen Bildpunkt erzeugt, scheint diese Methode große Vorteile zu besitzen. Zur systemtheoretischen Analyse betrachten wir das Spektrum einer offaxis-Zonenplatte. Abbildung 2 zeigt das aus einem

5-Impuls bei der F r e -

quenz Null und aus zwei Seitenbändern bestehende Spektrum P.

57

Abbildung 2: Z o n e n p l a t t e n s p e k t r u m . Da d a s m i t t l e r e zu ü b e r t r a g e n d e S i g n a l s p e k t r u m s i c h u m die F r e q u e n z f^ = f

= O, d . h . die n i e d e r e n B i l d f r e q u e n z e n , h e r u m g r u p p i e r t ,

werden

die w e s e n t l i c h e n F r e q u e n z e n n i c h t ü b e r t r a g e n . E s s t e l l t s i c h nun die A u f g a b e , m i t H i l f e d e r z u r V e r f ü g u n g s t e h e n d e n O p e r a t i o n S c h a t t e n w u r f , d a s S i g n a l s p e k t r u m O in den Ü b e r t r a g u n g s b e r e i c h P zu v e r s c h i e b e n (Abb. 3). D i e s g e s c h i e h t m i t m i n i m a l e r V e r g r ö s s e r u n g von O, d . h . m a x i m a l e r A u s n ü t z u n g von P d u r c h F a l t u n g von O m i t e i n e r p u n k t h a f t e n F u n k t i o n M (Abb. 4).

Abbildung 3: Ü b e r t r a g u n g m i t o f f - a x i s - Z o n e n p l a t t e .

58

Abbildung 4: Modulationsfunktion m. Zur Übertragung eines möglichst großen Frequenzbandes muß also die Objektfunktion O (x, y ) mit einer Modulationsgitterfunktion M (x) m u l t i p l i z i e r t werden. Die Modulationsgitterkonstante ergibt sich aus der L a g e der Seitenbänder der off-axis-Zonenplatte und den geometrischen Konstanten der Aufnahmeanordnung. Abbildung 5 zeigt eine typische Anordnung mit s y s t e m t h e o r e t i s c h e r B e schreibung. Vor dem Objekt O ist das Modulationsgitter m angeordnet. Im Abstand b befindet sich die Fresnelzonenplatte P. Das Schaltbild i (x, y) wird dann im Abstand a entworfen. Dieses ergibt sich aus der F a l tung von o (x, y)

•

m (x, y) mit p (x, y).

Abbildung 5: Gewinnung des codierten B i l d e s mit einer off-axis-Zonenplatte.

59 B e i d e r p r a k t i s c h e n Anwendung von A b b i l d u n g s s y s t e m e n d i e s e r A r t i s t e s n i c h t i m m e r m ö g l i c h , den A b s t a n d z w i s c h e n O b j e k t i v und M o d u l a t i o n s g i t t e r n b e l i e b i g k l e i n zu m a c h e n . E i n e g e n a u e r e A n a l y s e z e i g t , daß b e z ü g lich der Abbildungsqualität der daher r ü h r e n d e Effekt v e r n a c h l ä s s i g t w e r den kann, e r j e d o c h f ü r die D i m e n s i o n i e r u n g d e s G i t t e r s b e r ü c k s i c h t i g t werden muß. Zur versuchsweisen Realisierung einer Röntgenstreustrahl e n a u f n a h m e nach d e m b e s c h r i e b e n e n K o n z e p t w u r d e die auf A b b i l d u n g 6 wiedergegebene Anordnung verwendet.

Abbildung 6: R ö n t g e n s t r e u s t r a h l e n - A u f n a h m e m i t F r e s n e l z o n e n p l a t t e n Pseudo-Holographie. Das a b z u b i l d e n d e O b j e k t w u r d e m i t R ö n t g e n s t r a h l u n g a n g e s t r a h l t .

Die

R ö n t g e n r ö h r e a r b e i t e t e bei 60 kV m i t e i n e m R ö h r e n s t r o m von 400 m A . Von d e r in a l l e R i c h t u n g e n e m i t t i e r e n d e n S e k u n d ä r s t r e u s t r a h l u n g

passier-

te ein T e i l etwa u n t e r 90° g e g e n ü b e r d e m P r i m ä r s t r a h l d a s M o d u l a t i o n s gitter. Dieses bestand aus teilweise mit 0,5 m m Bleifolie belegtem Plex i g l a s m i t e i n e r G i t t e r k o n s t a n t e n von 1, 8 m m . H i n t e r d e m G i t t e r w a r die e x z e n t r i s c h e F r e s n o l z o n e n p l a t t e von ä h n l i c h e r B a u a r t wie d a s G i t t e r a n geordnet . Das P s e u d o h o l o g r a m m w u r d e dann a l s S c h a t t e n b i l d auf e i n e n f l u o r e s z e n z f o l i e n v e r s t ä r k t e n F i l m g e w o r f e n . D e r A b s t a n d z w i s c h e n O b j e k t und Modul a t i o n s g i t t e r b e t r u g 5 c m , die A b s t ä n d e z w i s c h e n G i t t e r und F r e s n e l z o n e n p l a t t e , s o w i e F r e s n e l z o n e n p l a t t e und F i l m , w a r e n j e w e i l s 15 c m . Die A p e r t u r d e r F r e s n e l z o n e n p l a t t e b e t r u g 18 c m bei e i n e m k l e i n s t e n Z o n e n a b s t a n d von 0, 35 m m . Die A n o r d n u n g bei d e r R e k o n s t r u k t i o n i s t s c h l i e ß l i c h auf d e r Abbildung 7 w i e d e r g e g e b e n .

60

Abbildung 7: Bildrekonstruktion mit Ortsfrequenzfilterung und Nachvergrößerung.

Zur Rekonstruktion der Strahlungsverteilung wurde der Röntgenfilm auf ca. 5 mm verkleinert und als Diapositiv in ein kohärent-optisches System eingesetzt. Ein H e - N e - L a s e r l i e f e r t e einen Parallelstrahl, der durch ein Mikroskop-Objektiv auf die Modenblende (Pinhole) fokussiert wurde. Er verläßt diese stark divergierend. Ein hochwertiger Kollimator erzeugte ein leicht konvergentes Strahlenbündel, in welches das verkleinerte P s e u dohologramm gestellt wurde. Die Konvergenz des Strahles ist so bemessen, daß auch noch das bei p a r a l l e l e r Durchleuchtung imaginäre Bild der minus ersten Ordnung zu einem reellen Bild wird. Um den Bildpunkt des Pinholes herum entsteht so zwischen den beiden Rekonstruktionen (+ 1. und -1. Ordnung) die Spektralzerlegung des Pseudohologrammes mit seinen charakteristischen Seitenbändern. Dies bietet die Möglichkeit der Ortsfrequenzfilterung, welche von uns ausgenutzt wurde. Nach der Ortsfrequenzfilterung wurde das Strahlenbündel durch das P r i s m a in die Richtung der optischen Achse gebracht und mit Hilfe einer Zerstreuungslinse auf das F o r m a t der Polaroidkamera ( 8 x 1 0 cm) vergrößert. Die Abbildung 8 zeigt auf diese W e i s e erhaltene Ergebnisse: Ein P l e x i glasprisma mit einer zylindrischen Bohrung und ein menschlicher Wirbelknochen in Seitenansicht und in Aufsicht.

Die Gleichkomponente

61 Objekte:

Plexiglasprisma

Menschlicher Rückenwirbel Seitenansicht

Rekonstruktionen der Fresnelzonenholoqramme:

A

Draufsicht

y

Abbildung 8 : R ö n t g e n s t r e u s t r a h l e n b i l d e r m i t F r e s n e l z o n e n - H o l o g r a p h i e . w i r d in den R e k o n s t r u k t i o n e n gut w i e d e r g e g e b e n . l i c h auch die T i e f e n i n f o r m a t i o n e n t h a l t e n ,

Es ist darin grundsätz-

so daß a l s o auf v e r s c h i e d e n e

S c h i c h t e n in d e r T i e f e s c h a r f e i n g e s t e l l t w e r d e n kann. - W i r g l a u b e n ,

daß

noch w e s e n t l i c h e V e r b e s s e r u n g e n in d e r Q u a l i t ä t d e r r e k o n s t r u i e r t e n B i l der möglich sein werden.

Literatur 1.

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1.7 Untergrundelimination und Merkmalsextraktion an Zellen W. Abmayr, H. Borst

Die v i s u e l l e A u s w e r t u n g von M i k r o s k o p b i l d e r n m i t Z e l l p r ä p a r a t e n i s t z e i t r a u b e n d und w e n i g o b j e k t i v . D e s h a l b w e r d e n h e u t e a n v i e l e n S t e l l e n A n s t r e n g u n g e n u n t e r n o m m e n , die a n s t e h e n d e n A u f g a b e n a u s d e m B e r e i c h d e r z y t o l o g i s c h e n und h i s t o l o g i s c h e n K r e b s v o r s o r g e u n t e r s u c h u n g s o w i e a u s v e r schiedenen biologischen F o r s c h u n g s b e r e i c h e n durch eine automatische A n a l y s e d e r Z e l l b i l d e r zu l ö s e n . Z i e l d e r a u t o m a t i s c h e n V e r a r b e i t u n g i s t e s , q u a n t i t a t i v e und o b j e k t i v e M e ß w e r t e zu e r h a l t e n ,

um damit eine K l a s -

s i f i z i e r u n g ( D i a g n o s e ) v o r n e h m e n zu k ö n n e n . Die h e u t i g e n E n t w i c k l u n g e n f ü r e i n e A u t o m a t i s i e r u n g auf d i e s e m G e b i e t b e r u h e n i m w e s e n t l i c h e n auf zwei a p p a r a t i v v e r s c h i e d e n e n V e r f a h r e n .

Diese

sind a) D u r c h f l u ß - S y s t e m e , die von e i n e r Z e l l e m u l s i o n a u s g e h e n ; die Z e l l e n w e r d e n d u r c h e i n e enge K a n ü l e g e s c h i c k t und an den s i c h b e w e g e n d e n Z e l l e n e l e k t r i s c h e und o p t i s c h e M e s s u n g e n v o r g e n o m m e n (1); b) h o c h a u f l ö s e n d e S y s t e m e , bei d e n e n die Z e l l p r ä p a r a t e auf e i n e m O b j e k t t r ä g e r v o r l i e g e n (2, 3). B e i d e V e r f a h r e n g e h e n von d e r V o r a u s s e t z u n g a u s , daß die Z e l l e n n i c h t ü b e r l a g e r t sind. Es sind also V e r f a h r e n zur E i n z e l z e l l a n a l y s e . In u n s e r e n A r b e i t e n v e r w e n d e n w i r ein h o c h a u f l ö s e n d e s S y s t e m , b e i d e m die D a t e n e r f a s s u n g e n t w e d e r m i t e i n e r F e r n s e h k a m e r a o d e r m i t e i n e m S c a n n i n g - M i k r o s k o p - P h o t o m e t e r v o r g e n o m m e n w e r d e n k a n n . Mit d e m F e r n s e h a b t a s t s y s t e m w e r d e n S c h w e l l w e r t b i l d e r m i t 480x312 B P e r f a ß t . Ein G r a u b i l d w i r d d u r c h v e r s c h i e d e n e S c h w e l l w e r t b i l d e r d a r g e s t e l l t . Mit e i n e r A u f n a h m e z e i t von 20 m s

p r o Bild i s t d a s F e r n s e h s y s t e m ein s e h r

s c h n e l l e s V e r f a h r e n . D e r a u g e n b l i c k l i c h e Stand d e r T e c h n i k l ä ß t a b e r n u r e i n e b e s c h r ä n k t e M e ß g e n a u i g k e i t d e r G r a u w e r t e zu. W e s e n t l i c h g e n a u e r ,

64-

a b e r auch wesentlich l a n g s a m e r (50 Bildpunkte pro Sekunde) ist das Scanning-Mikroskop-Photometer-Verfahren.

Man e r r e i c h t eine Grauauflösung

von 1% bei e i n e r Ortsauflösung von 0, 5 ^m (2). Die m i t einem d i e s e r beiden V e r f a h r e n digitalisierten B i l d e r werden über eine C A M A C - I n t e r f a c e s c h n i t t s t e l l e on-line in den SIEMENS P R 330 ü b e r t r a gen, der direkt m i t einem SIEMENS G r o ß r e c h n e r 4 0 0 4 / 4 6 verbunden i s t . In Abbildung 1 ist die Anlage einschließlich p e r i p h e r e r G e r ä t e des P r o z e ß r e c h n e r s s c h e m a t i s c h d a r g e s t e l l t . Die V e r a r b e i t u n g der B i l d e r wird im G r o ß r e c h n e r m i t t e l s A L G O L - P r o g r a m m e n v o r g e n o m m e n . Dabei ist der e r s t e und wesentlichste Schritt die B i l d v o r v e r a r b e i t u n g . Sie hat zum Ziel, den Informationsgehalt des Bildes so zu r e d u z i e r e n , daß die für die A u s wertung relevanten M e r k m a l e wie z . B .

Zellfläche, ihre F o r m ,

ihr Umfang,

i h r e Dichte und i h r e Koordinaten einfach b e s t i m m t werden können. In dies e r Arbeit werden nichtlineare Verarbeitungsmethoden verwendet,

die

sich bevorzugt auf Schwellwertbilder anwenden l a s s e n . Dabei wird u n t e r schieden zwischen den s e h r schnellen p a r a l l e l e n Operationen, die den globalen Zusammenhang des Bildes beeinflussen und sich deshalb bevorzugt für die B i l d v o r v e r a r b e i t u n g eignen und den aufwendigen sequentiellen Operationen, mit denen man auch den lokalen Zusammenhang untersuchen kann. Diese Operationen eignen sich deshalb bevorzugt für Aufgaben d e r M e r k m a l s e r f a s s u n g und Objektseparierung (4). Parallele Verarbeitung Die h i e r verwendeten p a r a l l e l e n Operationen sind von ihren Grundtypen h e r logische Operationen, wie (AND, OR, EXOR), Bildshiftoperationen, (LINKS, RECHTS, UNTEN, O B E N ) sowie Makrooperationen,

wie

die sich aus

m e h r e r e n Grundoperationen z u s a m m e n s e t z e n . Sie werden auf ganze Bildfelder angewendet.

65

Abbildung 1: System zur Verarbeitung mikroskopischer B i l d e r . a) Nachbarschaftsanalyse Mittels dieser parallelen Grundoperationen wird eine Nachbarschaftsanalyse durchgeführt, um die A r t der Verknüpfung eines Bildpunktes mit s e i nen v i e r oder acht Nachbarpunkten zu untersuchen. Dazu werden Punkte aus dem Bild eliminiert, die keinen, einen, zwei, drei oder v i e r Nachbarpunkte haben. Die Elimination von Einzelpunkten ist eine grundlegende und sehr leistungsfähige Operation, mit der man Rauschanteile beseitigen und Störstellen auffüllen kann (wenn man das invertierte Bild hernimmt). Punkte mit einem, zwei und drei Nachbarn sind Randpunkte eines Objektes und eignen sich für die Umfangsbestimmung ( D I F F ) . Durch Elimination von Punkten mit v i e r Nachbarn kann man Objekte um jeweils ihre Randpunkte verkleinern (SHRINK), und durch Anwendung dieser Operation auf das invertierte Bild kann man diese Objekte wieder um diese Randpunkte aufweiten ( B L O W ) . b) Lösch- und Fülloperationen W e i t e r werden Prozeduren verwendet, die Bildpunkte richtungsabhängig löschen oder ergänzen. Die in Abbildung 2 dargestellten Prozeduren ergänzen oder löschen Punktegruppen in horizontaler und vertikaler Richtung. Durch eine logische Verknüpfung z . B . von richtungsabhängigen Fülloperationen können Ringinhalte gewonnen werden. Die Ringinhalte werden erzeugt, indem man

66 +

+ ++ ++• + •• + + + + LXSH (B) *• f t

+

b.

+ ++ + + + +

+ + ++ + t

••• +

LXSV (B)

+ + ++ + ++ +

+++ ++ ' + + + + + + + d.

+ •+ t, 4 , ,+. + + + ++ +

• •+ •

+ ©»0, 001

12

748, 6 ± 26, 2

618,3 ± 16, 2

+ 26, 2

-

2, 8

-

05

0, 01-»P-»0, 001

+) Mittelwerte einschließlich Standardabweichung von Ergebnissen an jeweils 12 Ratten / Gruppe. Darüber hinaus untersuchten wir die Wirkung des Rubinlasers auf die makromolekulare Synthese humaner Fibroblastenkulturen. Wir haben gemessen, in welchem Grad die mit Laserbestrahlung vorbehandelten bzw. nichtbehandelten Zellen der Kulturen die spezifischen, radioaktiv markierten Vorstufen des Eiweißes, der DNS- und RNS-Synthese inkorporieren. Nach den Ergebnissen unserer Untersuchungen wird der Einbau von markiertem Uridin und Valin durch die Bestrahlung nur geringfügig erhöht. Andererseits ist die stimulierende Wirkung der Strahlung auf den Thymidineinbau wesentlich deutlicher. Da der Grund der Thymidininkorporation im allgemeinen als Information über die Zahl der Zellen in der S-Phase des Zellenzyklus zu werten ist, ist anzunehmen, daß durch die LaserbeStrahlung die Anzahl der sich teilenden Zellen vermehrt wird.

134-

Es wird zunächst über Erfahrungen beim klinischen Einsatz des L a s e r s f ü r die Wundheilung berichtet. Danach werden Ergebnisse neuerer Untersuchungen beschrieben, die sich auf die Klärung des Mechanismus der stimulierenden Wirkung der Laserbestrahlung hinsichtlich der Wundheilung beziehen: - Elektronenmikroskopische Serienuntersuchungen; - Messung der Radioaktivität kollagener Präkursoren; - Chemische Übertragung des stimulierenden Substrats auf humane Leukozytenpopulationen; - Enzymhistochemische Untersuchungen; - Erhöhte Zugfestigkeit von Nahtwunden; - Neo-Vaskularisation mittels " e a r Chamber-Technik"; - Biochemischer Nachweis der RNS-, DNS- und ProteinsyntheseStimulation In allen angeführten Systemen, d.h. in den wichtigen Regulationprozessen, welche die Grundlage der Wundheilung bilden, war die stimulierende Wirkung des L a s e r s nachweisbar.

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3.3 Die Anwendung der holographischen Technik in der Lichtmikroskopie E. Händler, D. Haina, W. Waidelich

In d e r L i c h t m i k r o s k o p i e gibt e s e i n e R e i h e von A u f g a b e n s t e l l u n g e n ,

die

m i t den h e r k ö m m l i c h e n G e r ä t e n n u r u n b e f r i e d i g e n d g e l ö s t w e r d e n k ö n n e n . Man denke z . B . an die U n t e r s u c h u n g b e w e g t e r O b j e k t e , b e i d e n e n e s k a u m möglich ist, photographische Aufnahmen durch das Mikroskop herzustell e n , w e i l m a n d i e s e O b j e k t e k a u m in d e r S c h ä r f e n e b e n e d e s M i k r o s k o p e s h a l t e n k a n n . Die S c h ä r f e n t i e f e i s t b e i h o h e r A u f l ö s u n g s o g e r i n g , daß s i c h bewegte Objekte vorwiegend außerhalb des Schärfenbereichs aufhalten. O d e r m a n d e n k e an die U n t e r s u c h u n g d r e i d i m e n s i o n a l e r M i k r o o b j e k t e , wie z . B . an die V e r f o l g u n g von N e r v e n b a h n e n , B l u t g e f ä ß e n und d e r g l . . Z u r L ö s u n g d i e s e r A u f g a b e n s t e l l u n g m ü s s e n von d e m P r ä p a r a t m e h r e r e p h o t o g r a p h i s c h e A u f n a h m e n in v e r s c h i e d e n e n S c h ä r f e n e b e n e n h e r g e s t e l l t w e r d e n , was eventuell eine hohe W ä r m e b e l a s t u n g des P r ä p a r a t e s z u r Folge hat, o d e r e s m u ß die z e i t r a u b e n d e D ü n n s c h n i t t e c h n i k a n g e w a n d t w e r d e n . A l l e d i e s e S c h w i e r i g k e i t e n könnte m a n u m g e h e n , wenn e s g e l ä n g e , n i c h t n u r die I n f o r m a t i o n ü b e r e i n e E b e n e , n ä m l i c h die S c h ä r f e n e b e n e d e s O b j e k t i v s p h o t o g r a p h i s c h a u f z u z e i c h n e n , s o n d e r n wenn die M ö g l i c h k e i t b e s t ü n d e , die g e s a m t e I n f o r m a t i o n ü b e r d a s zu u n t e r s u c h e n d e O b j e k t auf d e r P h o t o p l a t t e zu s p e i c h e r n . D i e s e B e d i n g u n g w i r d e r f ü l l t von d e m d u r c h P r o f . Dennis GABOR 1948 e n t wickelten holographischen Aufzeichnungsverfahren. P r a k t i s c h konnte d i e s e s V e r f a h r e n e r s t a n g e w a n d t w e r d e n , n a c h d e m m i t d e r E n t w i c k l u n g d e s G a s l a s e r s (1961) l i c h t s t a r k e , k o h ä r e n t e L i c h t q u e l l e n z u r V e r f ü g u n g s t a n d e n . Abbildung l a d e u t e t d a s W e l l e n f e l d an, d a s von e i n e m b e l e u c h t e t e n G e g e n s t a n d in den R a u m h i n a u s l ä u f t . Auf d e r R e t i n a bzw. bei d e r k o n v e n t i o n e l l e n P h o t o g r a p h i e auf d e r F i l m e b e n e w i r d m i t H i l fe d e r A u g e n l i n s e bzw. d e m K a m e r a o b j e k t i v d a s Bild d e s G e g e n s t a n d e s

138

RekonstnJitiHiswelle - Rtferenzwdle

Abbildung 1 :

P r i n z i p der Holographie .

entworfen und dort intensitätsmäßig aufgezeichnet. Anders sind die V e r hältnisse bei der Holographie. Hier wird nicht ein Bild des Gegenstandes, sondern das von dem Gegenstand ausgehende Wellenfeld selbst gespeichert. Zur Erreichung dieses Z i e l e s ist allerdings e r f o r d e r l i c h , daß die Information über die Phasenlage des Wellenfeldes nicht v e r l o r e n geht. Dies wird erreicht (Abb. lb), indem man dem Wellenfeld auf der Photoplatte eine ungestörte, ebene W e l l e , die sogenannte R e f e r e n z w e l l e , überlagert. Die Information über die Phasenlage wird durch diese Maßnahme in Intensitätsschwankungen verwandelt. Dies ist e r f o r d e r l i c h , da die photographische Schicht als quadratischer Detektor keine Phasen, wohl aber Intensitäten aufzeichnen kann. Die so belichtete, entwickelte und f i x i e r t e Photoplatte

139 nennt man Hologramm. Die Information über Amplitude und Phase des von unserem Gegenstand ausgehenden Wellenfeldes ist nun in F o r m heller und dunkler Linien im Abstand von etwa 1 (im auf dem Hologramm verschlüsselt. Beleuchtet man dieses Hologramm mit einer ebenen W e l l e , welche die gleiche Gestalt wie die R e f e r e n z w e l l e hat (Abb. 1 c), so entsteht unter anderem ein Wellenfeld, das mit dem ursprünglich von dem Gegenstand ausgehenden Wellenfeld identisch ist. Aufgrund dessen muß das Auge bei dieser sogenannten "Rekonstruktion des H o l o g r a m m e s " ein dreidimensionales Bild des Gegenstandes sehen. Bei Veränderung des Betrachtungswinkels kann man teilweise um den Gegenstand herumsehen. Ein w e i t e r e r V o r t e i l dieser Abbildungstechnik besteht darin, daß Hologramme wegen der Verteilung der Information über die gesamte Photoplatte sehr unempfindlich gegen Störungen, wie z . B . K r a t z e r , Flecken und dgl. sind. Bei der Rekonstruktion lassen sich sowohl virtuelle als auch r e e l l e B i l d e r verschiedener Größe erzeugen. W i l l man Hologramme von mikroskopischen Objekten anfertigen, wählt man am besten einen Versuchsaufbau, wie e r in Abbildung 2 gezeigt ist. H

Ein L a s e r s t r a h l wird an einem Strahlenteiler aufgespalten. Der e i ne Strahl dient zur Beleuchtung des Objektes O. Durch das Mikroskop M wird in der Nähe der Hologramm-

M

ebene H ein r e e l l e s Bild des Objektes, die Objektwelle, erzeugt. Der zweite Strahl, die R e f e r e n z w e l l e , wird am Mikroskop vorbeigelenkt

/

/

/

und über einen weiteren Strahlent e i l e r der Objektwelle überlagert. Aus dem so gewonnenen Hologramm

Abbildung 2: Holographische Mikroskopie.

kann man entsprechend Abbildung 1 c durch Beleuchtung mit der R e -

140 konstruktionswelle das dreidimensionale Bild des Objektes erzeugen. Abbildung 3 zeigt drei verschiedene Rekonstruktionen aus ein und demselben Hologramm. A l s Objekt dienten Bakterienkolonien von Staphylococcus.

3 b

3 a

3 c Abbildung 3: Rekonstruktion verschiedener Ebenen von Staphylococcus aus einem Hologramm. In Abbildung 3a ist die Bakterienkolonie links unten scharf rekonstruiert, in Abbildung 3b die rechte (Durchmesser 100 pm) und in Abbildung 3c die mittlere Kolonie. Der Abstand zwischen den in Abbildung 3a und c fokussierten Ebenen beträgt ca. 500 jum. Man hat also bei Anwendung der holographischen Technik die Möglichkeit, die dreidimensionale Information über dicke Mikroobjekte in einer einzigen Photoplatte zu speichern. Zur Aufnahme bewegter Objekte benutzt man zur Beleuchtung kurze

Laser-

blitze, wobei das Objekt nicht scharf abgebildet sein muß. Wie in Abbildung 3 gezeigt, kann man sich die Schärfenebene hinterher bei der Rekonstruktion heraussuchen.

141 Die unumgängliche Verwendung von kohärentem Laserlicht bringt bei der Forderung nach hoher Auflösung jedoch optisch einige gravierende Nachteile. Beleuchtet man das Objekt nämlich aus einer einzigen Richtung mit kohärentem Licht, so wird wegen der Beleuchtungsapertur von nahezu Null zum einen die mikroskopische Auflösung verringert und zum anderen die Tiefenschärfe enorm vergrößert. In diesem F a l l ist das ein Nachteil, denn jetzt sind die Bilder benachbarter Objektebenen gleichzeitig scharf und überlagern sich störend, was natürlich das Auflösungsvermögen zusätzlich herabsetzt. Jedes geringste Staubteilchen auf den Spiegeln und Linsen führt zu störenden Interferenzen, die dem Bild ebenfalls überlagert sind. Diese Nachteile können vermieden werden, wenn man in den Beleuchtungsstrahlengang vor das Objekt eine Mattscheibe einbringt, von der aus das Objekt dann diffus beleuchtet wird. Die beleuchtete Mattscheibe wird jedoch durch das Mikroskop ebenso wie das Bild vergrößert und diesem als störendes kontrastreiches Granulationsmuster überlagert. Um die Bildqualität bei kohärenter Beleuchtung zu verbessern, wurde eine spezielle Beleuchtungseinrichtung konstruiert, bestehend aus je vier justierbaren keilförmigen Strahlteilern und Spiegeln, die es erlaubt, das Objekt aus vier Richtungen gleichzeitig zu beleuchten. Abbildung 4 zeigt eine Skizze des Versuchsaufbaus. Der mittlere Strahl wird durch eine Blende abgeblockt. Die vier Beleuchtungsstrahlen fallen unter dem Aperturwinkel in das Objektiv des waagerecht liegenden Mikroskopes ein. Die Tiefenschärfe nimmt ab, da praktisch vier verschiedene Bilder überlagert werden, die nur in der Bildebene übereinander passen. Damit wird die Störung durch die Bilder benachbarter Objektbereiche stark reduziert. Mehrfachreflexionen können wegen der schrägen Strahlführung nicht auftreten. Die Störungen durch Staubteilchen werden bei der Überlagerung der vier Bilder, bei denen wegen der v e r schiedenen Strahlführung unterschiedliche Störungen auftreten, vermindert.

14-2

Abbildung 4: Skizze des optischen Aufbaues bestehend aus He - Ne - L a s e r L, Spiegeln Si und S2, Strahlteiler ST, justierbarem Vierstrahlkondensor J , Blende Bl, Irisblende Ib, Mattscheibe M, Objekt O, Objektiv Ob, Okular Ok, Bildebene B, Hologramm H, Raumfilter R F . Das Auflösungsvermögen eines Mikroskopes hängt davon ab, unter welchem Winkel zum Beleuchtungsstrahl das vom Objekt abgebeugte Licht in das Objektiv einfallen kann. Bei schrägem Einfall des Beleuchtungsstrahles kann dieser Winkel für das nach einer Seite abgebeugte Licht verdoppelt werden. Allerdings fällt das auf die andere Seite abgebeugte Licht dann nicht mehr in das Objektiv. Da bei dem gegenüberliegenden Beleuchtungsstrahl die Verhältnisse umgekehrt liegen, geht keine Bildinformation verloren. Das Auflösungsvermögen bei der Vierstrahlmethode ist etwas richtungsabhängig. Die Verbesserung gegenüber der Beleuchtung mit einem Strahl schwankt vom Faktor y/2 bis zum F a k t o r 2. Der Nachteil dies e r Methode besteht darin, daß vier Beleuchtungsstrahlen in der Bildebene ein regelmäßiges gitterförmiges Interferenzmuster erzeugen. Das stört in der P r a x i s jedoch kaum, denn zum einen ist der Mensch durch die B e trachtung von Druckerzeugnissen an rasterförmige Bilder gewöhnt, und zum anderen liegt der Rasterabstand sowieso ganz nahe an der Auflösungsgrenze. Außerdem kann man diese R a s t e r durch einen kohärent-optischen Filterprozeß beseitigen.

143 Die V o r t e i l e dieser Methode soll Abbildung 5 erläutern. Es werden hier die Rekonstruktionen von Hologrammen eines Testtargets (kleinste Balkenbreite 2, 4 fim) gezeigt. Bei Abbildung 5a wurde das Objekt nur mit einer ebenen Welle beleuchtet; bei Abbildung 5b wurde vor das Objekt eine Mattscheibe eingebracht. Bei der Rekonstruktion von Abbildung 5c wurde das Objekt nach der eben beschriebenen Vierstrahlmethode beleuchtet. Es ist deutlich die v e r b e s s e r t e Bildqualität dieser Beleuchtungsart zu erkennen.

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Abbildung 4 ist der Längsschnitt durch das Schallbün-

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und -2o

dB

Abbildung 4: Schallbilder eines Schallkopf e s bei verschiedener Fokussierung.

verschiedener Fokussierung gezeichnet,

Außer der genannten Grenze von -20dB ist auch die Zone für eine Abnahme um 6 dB angegeben. Man erkennt, daß die fokussierten Schallbündel zwar s c h m ä l e r , aber auch kürzer sind, als das nicht-fokussierte Schallbündel. Bei der Auslegung dieser Darstellung ist außerdem zu beachten, daß sich der P e g e l der Grenzen i m m e r auf den Maximalwert bezieht. Für die P r a x i s bedeutet dies, daß eine Abnahme der B r e i t e des Schallbündels in der gezeigten Größe nur dann in Erscheinung tritt, wenn man die V e r stärkung des Gerätes um den gleichen Betrag herabsetzt, um den die Empfindlichkeit des Schallkopfes bei der Fokussierung angestiegen ist. Abbildung 4 zeigt außerdem, daß die erwartete Einschnürung des Schallbündels am Ort des Fokus nur sehr schwach ausgeprägt ist. Die 6 dB Zone besitzt

221 überhaupt keine Verengung. Auf Grund von weiteren Messungen kann bezüglich der Einschnürung des Schallfeldes folgendes angegeben werden: a)

Die Einschnürung tritt erst bei Pegeln in Erscheinung, die 20 dB oder mehr unter dem Maximalwert liegen. Je tiefer man liegt, desto deutlicher ist die Einschnürung zu erkennen.

b)

Die Einschnürung ist umso stärker, je kürzer die Fokuslänge in bezug auf die Nahfeldlänge ist.

c)

Die maximale Einschnürung tritt in den verschiedenen Niveaus nicht genau an der gleichen Stelle auf; sie ist um so weiter nach rückwärts verschoben, je niedriger der Pegel ist, bei dem gemessen wird. Die Unterschiede sind allerdings nicht sehr groß und daher mehr von theoretischer Bedeutung.

d)

Je stärker die Einschnürung ist, desto stärker läuft das Feld nach der Einschnürung wieder auseinander. Dies bedeutet, daß bei Schallköpfen mit sehr kurzer Fokuslänge eine Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens nur in einem schmalen Bereich vor und hinter dem Fokus eintritt. An anderen Stellen kann dieses Auflösungsvermögen sogar schlechter sein, als bei nicht fokussierten Schallköpfen.

Reichweite Die Frage nach einer Erhöhung der Reichweite durch Fokussierung ist indirekt durch die gezeigten Diagramme bereits beantwortet worden. In allen Fällen ist klar zu erkennen, daß die Reichweite des Schallbündels bei der Fokussierung abnimmt. Wünsche, eine Verlängerung der Reichweite durch Verwendung von Linsen zu erhalten, können also nicht erfüllt werden. Schlußfolgerungen Durch die Fokussierung von Schallbündeln mit Hilfe von Linsen ist es möglich, gewisse Änderungen in den Eigenschaften von Schallköpfen hervorzurufen und sie so den gestellten Anforderungen besser anzupassen. Den sich ergebenden Möglichkeiten sind allerdings Grenzen gesetzt, die immer beachtet werden müssen, wenn man Mißerfolge vermeiden will.

222 W i r d e i n e E r h ö h u n g d e r E m p f i n d l i c h k e i t g e w ü n s c h t , so i s t d i e s n u r i n n e r h a l b d e s N a h f e l d e s m ö g l i c h . Den s t ä r k s t e n E f f e k t e r h ä l t m a n , wenn m a n e i n e n Schallkopf v e r w e n d e t , d e r ein s e h r l a n g e s N a h f e l d h a t und ihn dann e n t s p r e c h e n d k u r z f o k u s s i e r t . Da die E m p f i n d l i c h k e i t s e r h ö h u n g n u r in e i n e m s e h r k l e i n e n B e r e i c h w i r k s a m i s t , m u ß d e r F o k u s m ö g l i c h s t genau in d e r E n t f e r n u n g l i e g e n , in d e r die h ö c h s t e E m p f i n d l i c h k e i t a u f t r e t e n s o l l . A u s d i e s e m G r u n d können f a l s c h e A n g a b e n d e r F o k u s l ä n g e b e s o n d e r s s t ö rend sein. F ü r e i n e E r h ö h u n g d e s S e i t e n a u f l ö s u n g s v e r m ö g e n s s c h e i n t e i n e n i c h t zu s t a r k e F o k u s s i e r u n g g ü n s t i g e r zu s e i n , da d u r c h s i e die R e i c h w e i t e d e s S c h a l l b ü n d e l s n i c h t zu s e h r h e r a b g e s e t z t w i r d . B e i s e h r k u r z e r F o k u s s i e r u n g e r h ä l t m a n ein v e r b e s s e r t e s S e i t e n a u f l ö s u n g s v e r m ö g e n n u r in e i n e r k l e i n e n Z o n e v o r und h i n t e r d e m F o k u s . D e r E i n s a t z d e r a r t i g e r S c h a l l k ö p f e s c h e i n t v o r w i e g e n d dann g ü n s t i g , wenn n u r e i n e ganz b e s t i m m te Tiefenzone untersucht werden soll. Eine V e r l ä n g e r u n g der Reichweite eines Schallbündels kann m a n durch eine F o k u s s i e r u n g nicht e r r e i c h e n . Angaben bezüglich der Fokuslänge eines Schallkopfes m ü s s e n kritisch bet r a c h t e t w e r d e n . In a l l e n F ä l l e n , in denen die a n g e g e b e n e F o k u s l ä n g e g r ö ß e r a l s die N a h f e l d l ä n g e d e s S c h a l l k o p f e s i s t , kann m i t z i e m l i c h e r Sic h e r h e i t a n g e n o m m e n w e r d e n , daß die a n g e g e b e n e Z a h l die B r e n n w e i t e d e r L i n s e d a r s t e l l t und die F o k u s l ä n g e d e s S c h a l l k o p f e s e r h e b l i c h k ü r z e r ist. Literatur 1.

B e r g m a n n , L . (1949); D e r U l t r a s c h a l l und s e i n e Anwendung in W i s s e n s c h a f t und T e c h n i k , 5. A u f l a g e , S. 99, H i r z e l - V e r l a g Z ü r i c h

2.

K r a u t k r ä m e r , J . & K r a u t k r ä m e r , H. (1966), W e r k s t o f f p r ü f u n g m i t U l t r a s c h a l l , 2. A u f l a g e S . 7 3 - 7 4 , S p r i n g e r - V e r l a g

3.

Mc E l r o y , J . T . (1966); F o c u s e d U l t r a s o n i c B e a m s . A u t o m a t i o n Industries inc. Technical Report 66-40

223 4.

G e r s t n e r , R . , Die M ö g l i c h k e i t d e r F o k u s s i e r u n g von S c h a l l b ü n d e l n m i t L i n s e n . P r o c e e d i n g s l s t W o r l d C o n g r e s s on U l t r a s o n i c D i a g n o s t i c s in M e d i c i n e and SIDUO III; Vol. I S. 97-103, V e r l a g d e r W i e n e r Medizinischen Akademie

5.

G r e g o r , M . , T h e o r i e f o k u s s i e r t e r P r ü f k ö p f e und H i n w e i s e f ü r i h r e A n w e n d u n g . V o r t r a g bei d e r T a g u n g f ü r z e r s t ö r u n g s f r e i e M a t e r i a l p r ü f u n g in R e m s c h e i d a m 19. Mai 1971 (nicht s c h r i f t l i c h v e r ö f f e n t licht).

4.5 Physikalische und medizinische Grundlagen einer quantitativen Analyse des eindimensionalen Schallbildes A. Lorenz, R. Bader, J. Doli, G. van Kaick, WJ. Lorenz Einleitung Das eindimensionale Sonogramm (A-Bild, A-Scan) ist für die topographische Diagnostik ungeeignet. E s enthält jedoch Informationen über Gewebseigenschaften, die im zweidimensionalen Sonogramm ( B - B i l d , B - S c a n ) nur begrenzt wiedergegeben werden. Die Arbeiten von MOUNTFORD und W E L L S (1, 2, 3) haben gezeigt, daß 30 A - S c a n s zur Charakterisierung des gesunden Leberparenchyms sowie zur Diagnose diffuser Lebererkrankungen erforderlich sind. Durch eine mathematische Analyse der im A-Scan enthaltenen Informationen soll versucht werden, gewebsspezifische Daten der L e b e r zu erhalten. Methodik Eine konventionelle Ultraschalleinheit mit einem 2, 25 MHz-Schallkopf wird an einen T r a n s i e n t - R e c o r d e r angeschlossen (Abb. 1). Im T r a n s i e n t R e c o r d e r wird die Echokurve in Samplingintervallen von 100 ns digitalisiert und mit maximal 2816 Worten d 8 Bit zwischengespeichert. Ein spezielles Interface zur Anpassung des T r a n s i e n t - R e c o r d e r s an ein CAMAC-InputModul ermöglicht die Datenübertragung mit einem installierten CA MACNetz über eine Entfernung von 75 m zum R e c h n e r . Rechnerseitig werden die Daten der A - S c a n - S e r i e auf einer Magnetplatte mit 1, 2 Mio Worten Speicherkapazität abgelegt. Als Rechner steht eine P D P - 1 1 / 2 0 mit 28 k Worten K e r n s p e i c h e r zur V e r fügung. Als P e r i p h e r i e sind Wechselplatte, Magnetbandgerät,

Speicher-

display mit Hardcopy, B l a t t s c h r e i b e r und e l e k t r o s t a t i s c h e r P r i n t e r - P l o t t e r nutzbar.

226 Datenerfassung für A - S c a n

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Computer mit Peripherie

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Abbildung 1: Funktionelles Blockdiagramm für die Digitalisierung, - Übertragung und Speicherung des A - S c a n s . Unter suchungstechnik Die Untersuchungen wurden ausschließlich an der L e b e r durchgeführt. Lage und F o r m des Organs v a r i i e r e n bekanntlich s e h r . Zur topographischen Orientierung muß eine Untersuchung im zweidimensionalen B - B i l d vorausgehen. Wegen der Atemverschieblichkeit der L e b e r muß die Aufnahme der A - S c a n s bei gleicher Atemphase erfolgen. Am günstigsten hat sich die Untersuchung bei tiefer Inspiration erwiesen. Dabei ragt der v o r dere L e b e r r a n d unter dem Rippenbogenrand hervor, so daß eine subcostale Aufnahme des A - S c a n s möglich i s t . Der m e i s t große und relativ homogene rechte Leberlappen eignet sich besonders für die Untersuchung. Störende Einflüsse ergeben sich durch die großen Hilusgefäße und eine gefüllte Gall e n b l a s e . Außerdem muß darauf geachtet werden, daß der Schallstrahl auch bei stark ausgeprägter Konkavität der Leberunterfläche intrahepatisch verläuft. Ein kleiner r e c h t e r Lappen a l s F o r m v a r i a n t e der L e b e r oder als F o l g e einer zirrhotischen Schrumpfleber kann die Erfassung eindimensionaler Sonogramme e r s c h w e r e n .

227 B e i unseren Untersuchungen haben w i r pro P e r s o n 3 Serien zu je 20 A-Scans aufgenommen. Je nach Thoraxbreite und subcostalem Leberanteil wird der Schallkopf subcostal 5-7 cm rechts der Mittellinie und anschließend 2 cm rechts und links davon aufgesetzt. Die Winkelstellung des Schallkopfes wird bei j e d e r Aufnahme v a r i i e r t , so daß ein sektorf ö r m i g e r Ausschnitt der L e b e r erfaßt w i r d . Das Zwerchfellecho soll als Markierung für das dorsale Ende der L e b e r zu sehen sein. Auswertung der Untersuchungsergebnisse Der Auswertebeginn der einzelnen A-Scans w i r d auf 4, 6 cm Entfernung von der K ö r p e r o b e r f l ä c h e festgesetzt, während die Endmarke v a r i i e r b a r p r o g r a m m i e r t ist und unter Beachtung des Leberendechos ( Z w e r c h f e l l echo) gewählt w i r d . Die 20 A-Scans einer Serie werden zusammengefaßt. Diese K u r v e wird durch eine e-Funktion angenähert, für die die Summe der Abweichungsquadrate ein Minimum ist. Der Anfangswert ( K ) und der Absorptionskoeffizient ( a ) sind durch die errechnete Funktion bestimmt (Abb. 2). Der einzelne A-Scan wird danach im Auswertungsintervall mit den für die Serie geltenden A b s o r p FORMELN

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AUSWERTUNG

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I = 0.1..N K = 0,1..G (G< N/2) Abbildung 2 ¡ F o r m e l n der berechneten P a r a m e t e r .

t e r v a l l - L ä n g e (D) wird vom Rechner ausgegeben.

228 Außerdem wird die Summe der Amplituden innerhalb des Meßintervalls e r r e c h n e t und durch die Anzahl der Meßpunkte dividiert. Untersuchungsergebnisse Zur Erfassung von Normalwerten wurden zunächst 10 Normalpersonen (5 Männer und 5 F r a u e n ) in zufälliger F o l g e nach den genannten K r i t e r i e n untersucht. Diese Messungen wurden zweimal in jeweils anderer Reihenfolge von demselben Untersucher wiederholt. Alle Echosignale werden linear um 50 dB v e r s t ä r k t . Die laufzeitabhängige Verstärkung wird abgeschaltet. Alle anderen G e r ä t e p a r a m e t e r werden in definierter Einstellung b e l a s s e n . Die Überprüfung der Reproduzierbarkeit der berechneten Werte haben wir nach dem F R I E D M A N - T e s t (4) vorgenommen (Tab. 1). Die linke Spalte enthält die Abkürzungen für die berechneten Größen: Absorptionskoeffizient ( a ), Anfangswert (K), relative quadratische Abweichung (RQA), die Peakzahl pro cm Lebergewebe (P/D) und die Summe der Echoamplituo den (S). In der zweiten Spalte sind die X - W e r t e und in der dritten die zugehörigen Irrtumswahrscheinlichkeiten p aufgeführt. Die I r r t u m s w a h r scheinlichkeiten a l l e r berechneten Werte liegen unter 2, 5 %. Ein zweiter Untersucher hat von der oben angeführten Gruppe von Normalpersonen ebenfalls eindimensionale Schallbilder aufgenommen. Die Zusammenhänge zwischen den Werten der beiden Untersucher werden durch den S P E A R MANschen Rang-Korrelations-Koeffizienten r s geprüft (4). Auffällig ist die hohe Signifikanz in der Korrelation der Größe ( P / D ) zwischen beiden Untersuchern. Hingegen kann der Absorptionskoeffizient ( a ) nicht als k o r r e l i e r t angesehen werden. Die Übereinstimmung der anderen P a r a m e t e r ist gut. Unter der Voraussetzung einer Normalverteilung der jeweiligen Werte der Personengruppe können der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichung der leberspezifischen P a r a m e t e r errechnet werden. Insgesamt sind alle berechneten Werte des Untersuchers 2 größer als die des Untersuchers 1. Die Variationskoeffizienten haben jedoch für die jeweiligen

229 Tabelle 1: Ergebnisse wiederholter Untersuchungen desselben Personenkollektivs zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit bestimmter Parameter (Rangkorrelationstest nach FRIEDMAN). X2

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28A-

Meßergebnisse Die früher gebräuchlichen K a l o r i m e t e r aus Dewar-Gefäß und empfindlichem T h e r m o m e t e r sind heute weitgehend durch Wärmeflußkalorimeter verdrängt worden, die eine nahezu perfekte Isothermie erlauben. Daher sollen auch nur sie im weiteren behandelt und in ihren Erscheinungsformen näher beschrieben werden. K a l o r i m e t e r dieser Bauart messen den Wärmefluß zwischen dem Reaktionsgefäß und einem großen thermostatischen Block konstanter T e m p e r a tur. Um den Einfluß von Schwankungen der Bezugstemperatur so klein wie möglich zu halten, sind sie als Differentialgeräte konstruiert, bei denen die Differenz der W ä r m e s t r ö m e zur Anzeige gebracht wird. Wenn Isothermie besteht, so entspricht der Wärmefluß der Wärmeproduktion in der Reaktionskammer. V i e l e biologische und biochemische Reaktionen laufen bei konstantem Druck ohne nennenswerte Volumänderungen ab, so daß die Wärmeproduktion gleich der Enthalpieänderung des Systems ist. In diesem Sinne findet man

AH,

dAH/dt,

Q oder dQ/dt als Beschriftung an der Ordinate von

" T h e r m o g r a m m e n " , den vom K a l o r i m e t e r aufgezeichneten Wärmeflüssen als Funktion der Zeit. Nur wenn im untersuchten System die Änderung der F r e i e n Enthalpie G Null ist, kann auch die Entropie S direkt aus kalorimetrischen Daten gewonnen werden. Aus den Thermogrammen lassen sich nach entsprechender Kalibrierung w e i t e r e Größen leicht gewinnen. Kennt man z . B . den zeitlichen Stoffumsatz und damit die Wärmeproduktion eines Mikroorganismus, so ist der W ä r mefluß ein direktes Maß für die Anzahl der stoffwechselnden, also nach dieser Definition lebenden Zellen. Mißt man die bereits ausgetauschte W ä r m e und kennt die Wärmetönung der Reaktion, so kann man in jedem Augenblick die Konzentration des Substrates und aus dem Wärmefluß s e i ne Umsatzgeschwindigkeit ermitteln. Es ist also leicht, aus einem einzigen Experiment eine Vielzahl von reaktionskinetischen Daten zu gewinnen.

285 Tabelle 3 stellt noch einmal die Meßergebnisse zusammen, die man direkt oder indirekt aus Thermogrammen erhält. Tabelle 3. 1.

Meßergebnisse der isothermen K a l o r i m e t r i e .

K a l o r i m e t e r mißt direkt - Wärmeproduktion im System Q = dQ/dt durch Integration daraus Wärmetönung Q - mit p = const, V = const: Änderung der Enthalpie H - mit

AG = 0

: Änderung der Entropie S

K a l o r i m e t e r mißt indirekt - Reaktionsgeschwindigkeit - Substratkonzentration - Zellkonzentration in einer Mikrobenkultur - Reaktionskinetische Daten Kalorimeter liefert - zusammen mit Gleichgewichtskonstante K die Änderung der Entropie S - Aktivierungsgrößen

Kalorimetertypen Drei unterschiedliche, heute v i e l verwendete isotherme Differentialkalorimeter sollen im folgenden beschrieben werden. Das klassische " D i f f e r e n t i a l - M i k r o k a l o r i m e t e r " geht auf Arbeiten von T I A N und C A L V E T zurück (1, 2). Es besteht aus zwei Gefäßen, der Reaktions- und der R e f e r e n z k a m m e r , die radial von Thermosäulen umstanden und über diese mit einem großen thermostatisierten Block verbunden sind (Abb. 1). Die Thermosäulen sorgen dafür, daß die gesamte in der Reaktionskammer produzierte W ä r m e an den Block abgeführt wird, dessen W ä r mekapazität so groß ist, daß es zu keiner signifikanten Temperaturänderung kommt. Die den Block konzentrisch umgebenden Metall- und A s bestmäntel sorgen für eine gute thermische Isolierung. Die Kammern w e r den an langen Gestängen von oben in das Gerät eingeführt, ein Aufbau, der

286 Abbildung 1: Mikrokalorimeter E. C A L V E T im Schnitt. 1 = Meßkammer, 2 = Röhre zum Einbringen der Probe, 3 = Thermosäulen, 4 = Thermostatischer Block, 5 = konzentrische Metallmäntel, 6 = Isolierung, 7 = Wärmeleitungskonus, 8 = Anschlußkasten, 9 = Empfindlichkeitsschalter, 10 = Heizung

für einen guten thermischen Schutz sorgt, aber auch Manipulationen am Kammerinhalt sehr erschwert. Andere Geräte sind heute auf dem Markt, bei denen dieser Nachteil nicht so gravierend ist. Ein weiteres " B a t c h " - K a l o r i m e t e r ist von WADSÖ (3) als " A m p o u l e - D r o p " - K a l o r i m e t e r beschrieben worden. Hier werden kleine Kammern (Ampullen) an Seidenfäden zunächst in einen äußeren V o r w ä r m e r , dann in eine Konstriktion oberhalb der Meßstelle und schließlich direkt in diese abgesenkt (Abb. 2). Mit einem solchen Verfahren wird die T e m p e r i e r z e i t w e sentlich verkürzt. Die Proben können in den Kammern bleiben und nach beliebig langer Zeit wieder ins K a l o r i m e t e r verbracht werden. Diese M e thode hat sich besonders bei der Untersuchung von Blut und Blutbestandteilen und bei der Analyse von Bodenproben bewährt (3, 4). Der dritte Typ ist ein Durchfluß- oder F l o w - K a l o r i m e t e r , wie es von WADSÖ (3) und P I C K E R (5) entwickelt worden ist. Hier befindet sich die P r o b e nicht in einem abgeschlossenen Gefäß (batch), sondern durchströmt die Meßkammer oder eine Rohrspirale zwischen den Meßsäulen (Abb. 3).

28;

Abbildung 2: A m p o u l e - D r o p - K a l o r i m e t e r (3). a = V o r w ä r m e r , b = Innere Konstriktion, c = Isolierung, d = K a l o r i m e t e r - V o r w ä r m e r , e = Isolierung, f = P e l t i e r elemente (als Thermosäulen), g = Thermostatischer Block 1. 2. RMktion*küv*tit (MiKhtyp) 3. R«*kliOf*kuv»tt« (0«rchflu»tYp) 4. Elchh»izung 5. Wirm—wtmacher 6. ThermittOf 7. Hwzung 8. Therrrxwiul»»!

Abbildung 3: F l o w - K a l o r i m e t e r (Prospekt LKB/Stockholm). Um die einströmende Flüssigkeit auf die genaue Temperatur des K a l o r i m e ters zu bringen, muß sie eine Reihe von Wärmeaustauschern durchlaufen. Dadurch entsteht eine Durchflußzeit von einigen Minuten für die P r o b e . Der große V o r t e i l dieses Systems ist die Möglichkeit, an der Probe außerhalb des K a l o r i m e t e r s Manipulationen vorzunehmen, also u.U. andere Substanzen zuzugeben, sie zu belüften usw. Für die Untersuchung von Mikrobenkulturen läßt sich das K a l o r i m e t e r leicht mit einem F e r m e n t o r kom-

288 binieren, in dem alle anderen Messungen (pH-Wert, Sauerstoffverbrauch, Substratkonzentration, Trockenmasse, Zellzahl,

Kohlendioxidproduktion)

durchgeführt werden können (6). Dieses K a l o r i m e t e r ist vornehmlich für biochemische Analysen, für Stoffwechselbestimmungen an Mikroorganismen und für Blutuntersuchungen eingesetzt worden (3, 7). Qualitative Messungen Die K a l o r i m e t r i e hat sich in den letzten Jahren von einem früher rein quantitativen Instrument zu einem heute auch qualitativen Nachweisgerät ("analytical t o o l " ) entwickelt, das davon Gebrauch macht, daß jede ablaufende Reaktion mit einer Enthalpieänderung verbunden ist, sich also nach außen durch einen Wärmefluß bemerkbar macht. Von B E E Z E R et a l . ( 8 ) ist die F r a g e untersucht worden, wie weit sich ein F l o w - K a l o r i m e t e r bei der Ermittlung der Bakterieurie (zu hohe Bakterienkonzentration im Harn) einsetzen läßt. Da nach ihren Ermittlungen mehr als 90% der gefundenen Mikroorganismen Escherichia coli mit einer sehr hohen Wärmeproduktion sind, scheint es ihnen möglich, dieses kalorimetrische V e r f a h r e n zur Bestimmung der Stoffwechselaktivität und damit der Anzahl der Zellen im Urin zu automatisieren und zu einer klinischen Standardmethode zu entwickeln. Ähnliche Überlegungen werden für die Überwachung der in einer Molkerei angelieferten Milchchargen auf bakterielle Kontamination angestellt. B I N F O R D et al. (9) haben gezeigt, daß es mit Hilfe eines F l o w - K a l o r i m e ters schnell gelingt, die Empfindlichkeit von Mikroorganismen auf bestimmte Antibiotika zu testen. Zunächst wird eine unbehandelte P r o b e der Population im K a l o r i m e t e r gehalten, bis die thermische Störung durch das Einbringen abgeklungen und ein Wachstum zu beobachten ist, d.h. ein Anstieg in der Wärmeproduktion auftritt (Abb. 4, linke K u r v e ) . Darauf wird mit P u f f e r gespült, ein T e i l derselben Population mit dem entsprechenden

An-

tibiotikum versetzt und im K a l o r i m e t e r analysiert. Es zeigt sich, daß mit Gentamicin eine bakteriostatische, mit Colistin eine bacteriocide, mit Carbencillin aber keine Wirkung bei E. coli zu e r z i e l e n ist und sich dieser ganze Test in weniger als einer Stunde durchführen läßt.

time, min.

Abbildung 4: T h e r m o g r a m m e e i n e r E . c o l i - K u l t u r ohne und in A n w e s e n h e i t von A n t i b i o t i k a (9). GM = G e n t a m i c i n , C B = C a r b e n c i l l i n , C L = C o l i s t i n , + = Wachstum, - = kein Wachstum, S = empfindlich, R = resistent In den l e t z t e n b e i d e n J a h r e n i s t , a n g e r e g t d u r c h e i n e V e r ö f f e n t l i c h u n g von BOLING et a l . (10), i n t e n s i v u n t e r s u c h t w o r d e n , wie w e i t m a n v e r s c h i e d e n e M i k r o o r g a n i s m e n anhand i h r e r " f i n g e r p r i n t " - ä h n l i c h e n T h e r m o g r a m m e zu u n t e r s c h e i d e n in d e r L a g e i s t . Denn e i n e r s e i t s f i n d e t m a n f ü r e i n e n O r ganismus unter verschiedenen Anzuchtbedingungen sehr unterschiedliche W ä r m e f l u ß k u r v e n (Abb. 5), a n d e r e r s e i t s a b e r kann m a n u n t e r s t a n d a r d i s i e r t e n V e r h ä l t n i s s e n gut r e p r o d u z i e r b a r e T h e r m o g r a m m e e r h a l t e n ,

die

s i c h von O r g a n i s m u s zu O r g a n i s m u s d e u t l i c h u n t e r s c h e i d e n (Abb. 6). JOHANSON (11) h a t e i n V e r f a h r e n v o r g e s c h l a g e n , b e i d e m die K a l o r i m e t e r d a t e n e i n e m C o m p u t e r e i n g e g e b e n w e r d e n , d e r s i e z u n ä c h s t in d e r Z e i t und d e r W ä r m e f l u ß r i c h t u n g n o r m i e r t und dann P u n k t f ü r P u n k t v e r g l e i c h t . W e r d e n die e n t s p r e c h e n d e n " Y - W e r t e " g e g e n e i n a n d e r a u f g e t r a g e n , s o m u ß sich nach Normierung im F a l l e der Übereinstimmung eine Gerade mit der S t e i g u n g 1 und e i n e m R e g r e s s i o n s k o e f f i z i e n t e n +1 e r g e b e n . Das V e r f a h r e n l ä ß t s i c h d a d u r c h v e r s c h ä r f e n , daß m a n zu j e d e m T h e r m o g r a m m die A b l e i t u n g n a c h d e r Z e i t b i l d e t , in d e r die e i n z e l n e n G i p f e l und T ä l e r d e u t l i -

290

Abbildung 5: T h e r m o g r a m m e vom Wachstum von Hefen unter verschiede nen Bedingungen (nach SCHAARSCHMIDT) .

0

10

h 0

10

h

Monk and Wadsü 1975 Abbildung 6: Thermogramme verschiedener Mikroorganismen, mit unterschiedlichen Techniken aufgenommen (3). eher herauskommen, und diese d i f f e r e n z i e r t e Kurve analysiert (Abb. 7). Solche Experimente können sicherlich eines Tages im klinischen Bereich dazu führen, Mikroorganismen schneller zu identifizieren, doch ist bislang völlig ungeklärt, wie man bei Mischpopulationen vorgehen soll.

29' Klebsiella pneumoniae

3

A b b i l d u n g 7: T h e r m o g r a m m e von K l e b s i e l l a p n e u m o n i a e ( l i n k s ) u n d i h r e A b l e i t u n g n a c h d e r Z e i t ( r e c h t s ) (11). Auf d e r A b s z i s s e i s t d i e Z e i t in r e l a t i v e n E i n h e i t e n , auf d e r O r d i n a t e die W ä r m e P r o d u k t i o n b z w . die z e i t l i c h e Ä n d e r u n g d e r W ä r m e p r o d u k t i on a u f g e t r a g e n . Quantitative Messungen Untersuchungen zur Enzymaktivität oder enzymatische Konzentrationsbestimmungen werden routinemäßig überwiegend

spektralphotometrisch,

m a n c h m a l p o t e n t i o m e t r i s c h d u r c h g e f ü h r t . MONK u n d WADSÖ (3) k o n n t e n nun f ü r eine Reihe von E n z y m e n (z. B. L a c t a t d e h y d r o g e n a s e ,

Glucoseoxi-

d a s e , C h o l i n e s t e r a s e ) z e i g e n , daß s i c h die A k t i v i t ä t m i t H i l f e e i n e s F l o w K a l o r i m e t e r s leicht e r m i t t e l n läßt, wenn m a n einen Ü b e r s c h u ß des p a s s e n d e n S u b s t r a t e s d a z u g i b t . E s s c h e i n t m ö g l i c h , d i e s e s V e r f a h r e n zu s t a n d a r d i s i e r e n und i m k l i n i s c h e n R o u t i n e b e t r i e b e i n z u s e t z e n . In d e r V e r g a n g e n h e i t s i n d e i n e V i e l z a h l von U n t e r s u c h u n g e n an M i k r o o r g a n i s m e n d u r c h g e f ü h r t w o r d e n , v o r a l l e m a n E s c h e r i c h i a c o l i (12, 13, 14) und a n H e f e n (15 - 19), d a n e b e n a b e r a u c h a n a n d e r e n M i k r o b e n (3, 15, 20, 21). Da s p e z i f i s c h e T h e r m o g r a m m e s c h o n w e i t e r o b e n g e z e i g t w o r d e n s i n d , s o l l h i e r n u r d a s W a c h s t u m von H e f e n e x e m p l a r i s c h d a r g e s t e l l t w e r den.

292 Überimpft man einen M i k r o o r g a n i s m u s in ein f r i s c h e s Nährmedium,

so

beginnt das Wachstum e r s t nach e i n e r Übergangsperiode, der l a g - P h a s e , in der die benötigten Enzyme s y n t h e t i s i e r t werden. Ihr folgt die exponent i e l l e oder l o g - P h a s e m a x i m a l e r Wachstumsgeschwindigkeit, die s c h l i e ß l i c h bei Erschöpfung des N ä h r s u b s t r a t e s

in die s t a t i o n ä r e P h a s e einmün-

det. I n s g e s a m t r e s u l t i e r t der bekannte sigmoide W a c h s t u m s v e r l a u f ,

der

s i c h in der i n t e g r i e r t e n T h e r m o g r a m m k u r v e (Q) w i d e r s p i e g e l t (Abb. 8).

Abbildung 8 : T h e r m o g r a m m e i n e r wachsenden Hefekultur (dQ/dt) und die i n t e g r i e r t e Wärmeproduktion ( Q ) . Das u r s p r ü n g l i c h e T h e r m o g r a m m s t e l l t a l s zeitliche Änderung der W ä r meproduktion und damit auch der Z e l l z a h l die Ableitung d i e s e r W a c h s t u m s kurve nach der Zeit d a r . Sorgt m a n mit e i n e r ständigen m e c h a n i s c h e n Durchmischung des K a m m e r i n h a l t e s dafür, daß das Medium homogen bleibt und keine Zellen s e d i m e n t i e r e n , so e r h ä l t man den V e r l a u f der Abbildung 8, d e s s e n s t e i l e r Abfall e i n e r M i c h a e l i s - M e n t e n - K i n e t i k des G l u c o s e - V e r b r a u c h s e n t s p r i c h t . Aus einem solchen T h e r m o g r a m m l a s s e n s i c h nun, wie schon oben angedeutet, die folgenden Daten entnehmen:

293 - W ä r m e p r o d u k t i o n Q in j e d e m b e l i e b i g e n Z e i t p u n k t - d a r a u s die im Augenblick stoffwechselaktive Zellzahl - die b i s zu d i e s e m Z e i t p u n k t a b g e g e b e n e W ä r m e m e n g e Q (integrierte Kurve) - d a r a u s die v e r b r a u c h t e und a l s o auch die noch v o r h a n d e n e S u b s t r a t menge - d u r c h K o m b i n a t i o n a u s b e i d e n die s p e z i f i s c h e A k t i v i t ä t , d . h . die Rate d e r Wärmeproduktion p r o G r a m m Hefen bei einer b e s t i m m t e n Substratkonzentration. D i e s e W e r t e l a s s e n s i c h in e i n e r L i n e w e a v e r - B u r k - D a r s t e l l u n g d e r r e z i proken Aktivität als Funktion der reziproken Substratkonzentration z u s a m m e n f a s s e n , a u s d e r s i c h ein " f o r m a l e r " K

- und v -Wert des Wachsm max t u m s g e w i n n e n l a s s e n (Abb. 9). D i e s e Daten d i e n e n dazu, v e r s c h i e d e n e

H e f e a r t e n m i t e i n a n d e r zu v e r g l e i c h e n o d e r f ü r e i n e b e s t i m m t e H e f e Subs t r a t s p e z i f i t ä t e n zu q u a n t i f i z i e r e n . Z u g l e i c h k a n n m a n a n e i n e m T h e r m o g r a m m w i e in A b b i l d u n g 8 e i n d i a u x i s c h e s V e r h a l t e n d e r H e f e f e s t s t e l l e n , die z u n ä c h s t die a n g e b o t e n e G l u c o s e zu Ä t h a n o l v e r g ä r t und d i e s e n a n s c h l i e s send v e r a t m e t .

Zwischen beiden Stoffwechselwegen liegt eine Anpassungs-

n i e ) , S t o f f w e c h s e l a k t i v i t ä t A a l s F u n k t i o n d e r Z e i t (offene K r e i s e ) und L i n e w e a v e r - B u r k - A u f t r a g u n g ( g e s c h l o s s e n e K r e i se) .

29^ Auch Gewebe und Gewebekulturen sind k a l o r i m e t r i s c h a n a l y s i e r t worden (22, 23). Eigene Untersuchungen galten der Enzymaktivität in Haut und L e berproben und der F r a g e , w i e v i e l Enzym die Zelle v e r l a s s e n kann (24). B i e t e t man in P u f f e r befindlichen Hautzellen eine Lösung von Pyruvat und NADHg an, so wird unter dem Einfluß der z e l l e i g e n e n Lactatdehydrogenas e (LDH) Pyruvat zu Lactat und NADH^ zu NAD umgewandelt. Die W ä r m e erzeugung bei d i e s e r Reaktion i s t k a l o r i m e t r i s c h g e m e s s e n worden (Abb. 10). Der Abfall in der Wärmeproduktion entspricht dem Verbrauch an NADHg, das h i e r den l i m i t i e r e n d e n Faktor d a r s t e l l t . Entfernt man die Haut aus dem P u f f e r , so kann nur noch die aus den Z e l l e n a u s g e t r e t e n e LDH den w e i t e r e n Abbau k a t a l y s i e r e n . Durch V e r g l e i c h der beiden Wärm e f l ü s s e ergibt sich a l s o eine einfache Methode zur B e s t i m m u n g der a u s geschiedenen Enzymmenge.

E p i d e r m i s (24). Der Teil links des P f e i l e s entspricht dem endogenen S t o f f w e c h s e l d e r H a u t . Der nächste Schritt in der Stufenleiter der Komplexität führt zu ganzen Organen. Von BOIVINET (25) i s t das offene F r o s c h h e r z und s e i n e Aktivität k a l o r i m e t r i s c h untersucht worden, von WILKIE (22) und WOOLEDGE (23) die W ä r m e e r z e u g u n g in g e r e i z t e n und u n g e r e i z t e n Muskeln.

Experimente

zur k a l o r i m e t r i s c h e n A n a l y s e des S t o f f w e c h s e l s e i n e r i s o l i e r t e n perfundierten Rattenleber sind in Vorbereitung.

295 Da d e r f o l g e n d e B e i t r a g d e r G a n z k ö r p e r k a l o r i m e t r i e g e w i d m e t i s t ,

soll

auf d i e s e G e r ä t e h i e r n i c h t n ä h e r e i n g e g a n g e n w e r d e n , obwohl s i e den T e i l d e r K a l o r i m e t r i e r e p r ä s e n t i e r e n , d e r s c h o n l a n g e E i n g a n g in den klinischen Bereich gefunden hat. Schlußbemerkungen Die s e h r s u m m a r i s c h e B e h a n d l u n g d e r K a l o r i m e t r i e und i h r e r E i n s a t z m ö g l i c h k e i t e n h a t t e zum Z i e l zu z e i g e n , in w e l c h v i e l f ä l t i g e r W e i s e d i e s e G e r ä t e in d e r m o d e r n e n b i o l o g i s c h e n und m e d i z i n i s c h e n F o r s c h u n g V e r w e n d u n g f i n d e n . E s i s t g e r a d e i h r e U n s p e z i f i t ä t , die den K a l o r i m e t e r n d i e s e w e i t e V e r b r e i t u n g b e s c h e r t h a t . Die E n t w i c k l u n g d e r l e t z t e n J a h r e m a c h t d e u t l i c h , daß die K a l o r i m e t r i e a u s den k l a s s i s c h e n G e f i l d e n d e r P h y s i k a l i s c h e n C h e m i e in die m o d e r n e n B e r e i c h e d e r B i o w i s s e n s c h a f t e n d r ä n g t , in d e n e n ein i m m e r g r ö ß e r e r B e d a r f zu e r w a c h s e n s c h e i n t . In n i c h t zu f e r n e r Z u k u n f t w i r d d a h e r die Situation e n t s t e h e n , daß K a l o r i m e t e r a u c h a u s d e m k l i n i s c h e n B e r e i c h nicht m e h r w e g z u d e n k e n s i n d .

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6.2 Ganzkörper-Kalorimetrie am menschlichen Organismus J. Tiemann

Die G a n z k ö r p e r - K a l o r i m e t r i e (auch a l s B o d y - K a l o r i m e t r i e o d e r

direkte

K a l o r i m e t r i e b e z e i c h n e t ) h a t e s s i c h z u r A u f g a b e g e s t e l l t , den W ä r m e a u s t a u s c h z w i s c h e n d e r O b e r f l ä c h e d e s M e n s c h e n und s e i n e r U m g e b u n g zu u n t e r s u c h e n und m e ß t e c h n i s c h zu e r f a s s e n . W a s h i e r a m B e i s p i e l d e s menschlichen O r g a n i s m u s dargestellt wird, kann mit gewissen E i n s c h r ä n kungen a u c h auf T i e r e und s o g a r P f l a n z e n ü b e r t r a g e n w e r d e n . Die v o m Organismus abgegebene W ä r m e m e n g e stellt das Produkt eines komplizierten R e g e l p r o z e s s e s d a r , d e r a l s T h e r m o r e g u l a t i o n b e z e i c h n e t w i r d . Sinn d e r T h e r m o r e g u l a t i o n i s t e s nicht, die a b g e g e b e n e W ä r m e m e n g e auf e i n e n b e s t i m m t e n W e r t e i n z u s t e l l e n , s o n d e r n v i e l m e h r , die a b g e g e b e n e W ä r m e m e n g e s o zu r e g e l n , daß i m K ö r p e r e i n e b e s t i m m t e

Temperaturverteilung

a u f r e c h t e r h a l t e n w i r d . A u s d i e s e m G r u n d e i s t die T h e r m o r e g u l a t i o n g e g e n Änderungen der U m g e b u n g s t e m p e r a t u r s e h r empfindlich. Ein G a n z k ö r p e r Kalorimeter muß also mit konstanter Umgebungstemperatur arbeiten.

Zur

Erzeugung verschiedener Versuchsbedingungen sollte diese T e m p e r a t u r zudem einstellbar sein. W e i t e r h i n i s t b e i d e r W a h l d e r U m g e b u n g s t e m p e r a t u r n o c h zu b e a c h t e n , daß d e r K ö r p e r u n t e r h a l b e i n e r k r i t i s c h e n U m g e b u n g s t e m p e r a t u r g e z w u n gen i s t , n e b e n d e r a l s s o z u s a g e n A b f a l l p r o d u k t d e r m e t a b o l i s c h e n V o r g ä n g e entstehenden G r u n d u m s a t z w ä r m e noch zusätzlich W ä r m e m e n g e n a u s s c h l i e ß l i c h z u r A u f r e c h t e r h a l t u n g s e i n e r T e m p e r a t u r zu e n t w i c k e l n (Abb. 1). Will m a n d i e s e n V o r g a n g a u s s c h l i e ß e n , s o m u ß die U m g e b u n g s t e m p e r a t u r des K a l o r i m e t e r s oberhalb d e r k r i t i s c h e n T e m p e r a t u r liegen, etwa o b e r h a l b 19°C. D i e s e B e d i n g u n g e n t s p r i c h t e t w a den " G r u n d u m s a t z " - B e d i n g u n gen.

300 Wärmeabgabe

temperatur

Abbildung 1: Zusätzliche Wärmeproduktion unterhalb einer kritischen Umgebungstemperatur zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur. Während des Kalorimeterversuchs muß die Atmung, der Gasstoffwechsel des Probanden unter physiologischen Bedingungen aufrechterhalten werden. Durch den hierzu notwendigen Luftstrom durch die Kalorimeterkammer wird eine gewisse Wärmemenge abgeführt, die durch geeignete Konstruktion besonders erfaßt werden muß. Weiter gibt der Organismus Wärme in Form von Verdampfungswärme ab, und zwar sowohl über die Haut als auch über die Atmung. Diese Wärmemenge kann im allgemeinen über die Messung der Wasserdampf-Zunahme bestimmt werden. Um also zu einer exakten Bestimmung des Gesamt-Wärmeaustausches zu kommen, müssen alle diese Größen gleichzeitig bestimmt werden. Im folgenden werden einige Konstruktionen von Ganzkörper-Kalorimetern vorgestellt, die die genannten Forderungen mehr oder weniger gut erfüllen: Eisschmelz-Kalorimeter von LAVOSIER (Abb. 2)

301

Abbildung 2: E i s s c h m e l z - K a l o r i m e t e r nach LAVOSIER aus dem J a h r e 1784. Nach ( l ) . Ä u ß e r e r und i n n e r e r B e h ä l t e r sind m i t s c h m e l z e n d e m Eis gefüllt, sodaß keine T e m p e r a t u r d i f f e r e n z a u f t r i t t und die vom L e b e w e s e n abgegebene W ä r m e ausschließlich Eis im i n n e r e n B e h ä l t e r zum Schmelzen bringt. Die aufgefangene W a s s e r m e n g e ist d e r W ä r m e a b g a b e des T i e r e s p r o p o r t i o n a l . K a l o r i m e t e r m i t a d i a b a t i s c h e r Wandung (Abb. 3).

Abbildung 3: P r i n z i p des K a l o r i m e t e r s m i t a d i a b a t i s c h e r Wandung.

302 Die Wandung des K a l o r i m e t e r s ist so gestaltet, daß keine W ä r m e hindurchfließen kann. Das kann auch durch eine Temperaturregelung bewirkt w e r den. Die vom Organismus abgegebene Wärmemenge wird ausschließlich über einen Kühlmittelstrom abgeführt und kann so meßtechnisch leicht e r faßt werden. Diese Konstruktionen eignen sich v o r allem für Langzeituntersuchungen, haben aber den Nachteil höherer Zeitkonstanten. D i f f e r e n t i a l - K a l o r i m e t e r (Abb. 4) Zwei Kalorimeterkammern, in denen sich der zu untersuchende Organismus bzw. ein elektrischer Heizwiderstand befindet, sind symmetrisch in einem Wasserbad untergebracht. Durch die Wärmeabgabe des Organismus entsteht in dem die entsprechende K a m m e r umgehenden Luftraum eine Erwärmung und damit ein Überdruck. Die Heizleistung in der V e r gleichskammer wird nun so eingestellt, daß beide Drücke gleich sind. Sie entspricht damit der Wärmeabgabe des Organismus.

Abbildung 4: Differential-Luftkalorimeter nach O B E R H O L Z E R .

303 Gradienten-Kalorimeter Das M e ß p r i n z i p bei den G r a d i e n t e n - K a l o r i m e t e r n i s t f o l g e n d e s : Die W a n dung d e s K a l o r i m e t e r s i s t so g e s t a l t e t , daß W ä r m e m i t d e r U m g e b u n g n u r d u r c h W ä r m e l e i t u n g a u s g e t a u s c h t w e r d e n k a n n . Die W ä r m e l e i t f ä h i g k e i t i s t d a b e i v e r h ä l t n i s m ä ß i g hoch und an a l l e n S t e l l e n d e r Wandung g l e i c h . Die d u r c h ein k l e i n e s T e i l s t ü c k d e r Wand a u s g e t a u s c h t e W ä r m e m e n g e

ist

unter diesen Voraussetzungen proportional der dort herrschenden Temper a t u r d i f f e r e n z . D a s I n t e g r a l a l l e r T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n ü b e r die G e s a m t w a n d u n g i s t d a n n d e m W ä r m e f l u ß p r o p o r t i o n a l . Die W ä r m e s t r o m m e s s u n g w i r d a l s o m i t H i l f e d e s G r a d i e n t e n - P r i n z i p s auf e i n e V i e l z a h l von Temperaturmessungen zurückgeführt. Die A n z a h l d e r T e m p e r a t u r m e ß s t e l l e n h ä n g t von d e r g e w ü n s c h t e n G e n a u i g k e i t a b . In d e r P r a x i s h a t e s s i c h e r w i e s e n , daß b e i e i n e m K a l o r i m e t e r f ü r M e n s c h e n 1 T e m p e r a t u r m e ß s t e l l e auf e i n e r F l ä c h e von 10 x 10 c m a u s reicht. U n s e r e heutige Technologie erlaubt es uns,

Temperaturdifferenz-

m e s s u n g e n in e i n e r G r ö ß e n o r d n u n g von 1 / 1 0 0 C noch m i t a u s r e i c h e n d e r G e n a u i g k e i t d u r c h z u f ü h r e n . E n t s p r e c h e n d dünn kann die K a l o r i m e t e r w a n dung g e s t a l t e t w e r d e n , s o d a ß die U m g e b u n g s t e m p e r a t u r d e s P r o b a n d e n p r a k t i s c h gleich d e r A u ß e n t e m p e r a t u r i s t .

q

Abbildung 5: G a s w e c h s e l m e s s u n g i m R e s p i r a t i o n s k a l o r i m e t e r .

304

Die Temperaturmessung kann nun auf zweierlei Weise durchgeführt w e r den, einmal mittels Thermoelementen und zum zweiten mittels W i d e r standsthermometern. Gradienten-Kalorimeter mit Thermoelementen (Abb. 6) Bei einem f ü r einen Menschen geeigneten Großkalorimeter sind bei der geforderten Meßstellendichte etwa 2000 Thermoelemente nötig, die, um die Integration zu erreichen, hintereinandergeschaltet werden müssen (Thermosäule). Zur Erzielung einer ausreichenden Homogenität und einer guten Betriebssicherheit ist eine spezielle Herstellungstechnologie

Abbildung 6: Wandung eines Gradienten-Kalorimeters mit Thermoelementen . Gradienten-Kalorimeter mit Widerstandsthermometern (Abb. 7) Anstelle von Thermoelementen können Widerstandsthermometer f ü r die Temperaturdifferenzmessung verwendet werden. Wie aus Abbildung 7 h e r vorgeht, kann zuerst die Integration und dann die Differenzbildung v o r g e nommen werden. Dadurch vereinfacht sich das Meßproblem auf die Be-

305 Stimmung der Differenz z w e i e r Widerstände. Die Herstellungstechnologie wird besonders einfach. Ein solches K a l o r i m e t e r , für einen sitzenden Menschen geeignet, wird in der Schweiz bereits k o m m e r z i e l l hergestellt.

Q~(R„-R,) Abbildung 7: P r i n z i p des Gradienten-Kalorimeters mit Widerstandsthermometern. Zum Abschluß d i e s e r Aufzählung sei noch darauf hingewiesen, daß etwas abstrahierend auch die Kleidung eines Menschen, solange sie homogen ist und ihn ganz bedeckt, als Kalorimeterwandung aufgefaßt werden kann. Es gelänge dann erstmals, den Wärmeaustausch und somit eine energetische Größe ohne jegliche Behinderung des Patienten zu erfassen. Mit der Ganzkörperkalorimetrie sind bisher eine ganze Reihe von Erkenntnissen über das thermische Verhalten des Organismus gewonnen worden. Ihr eigentlicher W e r t erweist sich jedoch erst bei der Aufstellung der Energiebilanz am lebenden Organismus. Aus Abbildung 8 sind die dafür erforderlichen Meßgrößen ersichtlich. Diese Meßgrößen können in sogenannten Respirationskalorimetern,

die

gleichzeitig den Gaswechsel des Organismus bestimmen, simultan erfaßt werden. Eine Lösungsmöglichkeit für die Gaswechselmessung ist in Abbildung 5 dargestellt. Zwei Anwendungsbeispiele der Respirationskalorimetrie seien kurz beschrieben:

306 mech. Energie

Sauerstoff *

Wärme

Substrate

Substrate

aufgenommene

Energie

abgegebene

Energie

Abbildung 8: Zur Energiebilanz am lebenden Organismus . Der"Wirkungsgrad" der Milchproduktion einer Kuh wird, wenn man von e i ner konstanten Energieaufnahme ausgeht, durch das Verhältnis der g e l i e ferten Milchmenge zur gesamten abgegebenen Energie bestimmt. Dieser "Wirkungsgrad" ist mit Hilfe der Respirationskalorimetrie meßbar. Man ist nun bestrebt, diesen "Wirkungsgrad" zu erhöhen, und kann den E r f o l g der angewendeten Maßnahmen mit Hilfe der Respirationskalorimetrie nachprüfen. Ein zweites, interessantes Forschungsgebiet, das hier stellvertretend für viele andere genannt sei, ist die Untersuchung der Homöostase des K ö r pergewichts des Menschen. V i e l e Menschen leiden an Übergewicht, ohne daß dieses Phänomen bis heute wissenschaftlich restlos geklärt werden konnte. Eine Theorie besagt nun, daß ein bisher unbekannter Steuermechanismus im Organismus die zuviel aufgenommene Energie wahlweise in F o r m von zusätzlicher W ä r m e abgeben kann oder als Fett speichern kann. Diese Effekte müßten mit Hilfe der Respirationskalorimetrie meßtechnisch nachweisbar sein, wobei wegen der prozentual geringen Energiespeicherung allerdings eine Anlage mit einem Meßfehler von weniger als 0, 5% e r f o r derlich ist. Das ist meßtechnisch noch nicht ganz erreicht. Neue,

im Bau

befindliche Anlagen versprechen aber, diesem Z i e l einen Schritt näher zu kommen. Vielleicht kann die G a n z k ö r p e r - K a l o r i m e t r i e eines Tages dazu beitragen, das P r o b l e m des Körper-Übergewichtes beim Menschen zu l ö sen.

307 Literatur 1.

K l e i b e r , M. (1967), " D e r E n e r g i e h a u s h a l t von Mensch und H a u s t i e r " , Parey-Verlag, Hamburg

2.

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3.

P u l l a r , J . D . et a l . (1967), "A C o m p a r i s o n of D i r e c t and Indirect C a l o r i m e t r y " , 4 t h Symposium on Energy Metabolism

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Tiemann, J . (1969), " E i n R e s p i r a t i o n s k a l o r i m e t e r z u r B e s t i m m u n g des T r a n s f o r m a t i o n s g r a d e s d e r V e r b r e n n u n g im m e n s c h l i c h e n O r g a n i s m u s " , E l e k t r o m e d i z i n 14, 135.

5.

Spinnler, G. et a l . (1974), "Human C a l o r i m e t e r with a New Type of G r a d i e n t L a y e r " , J . Appi. P h y s i o l . 35, 158

6.3 Mikrokalorimetrische Untersuchungen an menschlichen Blutzellen B. Schaarschmidt N a c h d e m d i e T e c h n i k d e r M i k r o k a l o r i m e t r i e in den l e t z t e n zwei J a h r z e h n ten so v e r f e i n e r t w o r d e n i s t , daß a u c h b i o l o g i s c h e O b j e k t e m i t g e r i n g e r W ä r m e e n t w i c k l u n g z u f r i e d e n s t e l l e n d u n t e r s u c h t w e r d e n können, f i n d e t d i e s e Methode a u c h s e i t e t w a 5 J a h r e n E i n g a n g in die m e d i z i n i s c h e F o r s c h u n g . Das I n t e r e s s e r i c h t e t s i c h d a b e i b e s o n d e r s auf den N a c h w e i s und die I d e n t i f i k a t i o n von B a k t e r i e n s o w i e auf den S t o f f w e c h s e l d e s B l u t e s . W ä h r e n d ü b e r den e r s t e r e n P r o b l e m k r e i s an a n d e r e r Stelle b e r i c h t e t w o r d e n i s t (1), s o l l h i e r ein k u r z e r Ü b e r b l i c k ü b e r die b i s l a n g d u r c h g e f ü h r t e n U n t e r s u c h u n g e n an m e n s c h l i c h e n B l u t z e l l e n g e g e b e n w e r d e n . Absolute Werte der Blutbestandteile E n t s p r e c h e n d i h r e m u n t e r s c h i e d l i c h e n Aufbau und i h r e r s p e z i e l l e n F u n k tion z e i g e n die B e s t a n d t e i l e d e s B l u t e s a u c h ein u n t e r s c h i e d l i c h e s S t o f f w e c h s e l v e r h a l t e n und d a m i t v e r b u n d e n e i n e u n t e r s c h i e d l i c h e W ä r m e a b g a b e . B e r e i t e t m a n die B e s t a n d t e i l e g e t r e n n t auf und r e s u s p e n d i e r t s i e in i h r e m e i g e n e n P l a s m a , so e r g i b t s i c h a l s K a l o r i m e t e r a n z e i g e ein s t a t i o n ä r e r W e r t (Abb. 1), d e r von d e r A n z a h l und d e r A r t d e r Z e l l e n a b h ä n g t . Mftci M» '

H*. iW/ml umpta flitn 1

Wuhtd «rythracyfcs in ptoma

e

m

m•

h) A b b i l d u n g 1: T h e r m o g r a m m e e i n e r E r y t h r o z y t e n l ö s u n g . a)in e i n e m B a t c h K a l o r i m e t e r (2) und b) in e i n e m F l o w - K a l o r i m e t e r ( 3 ) . Die P f e i l e g e b e n die Z u g a b e d e r P r o b e an, d a s W ä r m e s i g n a l t r i t t etwa 5 min s p ä t e r auf.

310 Die so e r h a l t e n e n W e r t e s i n d in Abbildung 2 z u s a m m e n g e f a ß t . Man e r k e n n t , daß die E r y t h r o z y t e n w e g e n i h r e r g r o ß e n A n z a h l i m Blut etwa die H ä l f t e der Wärme produzieren. Erythrozyten

Thrombozyten

Leukoz y t e n Lymphozyten

Plo»M

Geeoatblut

Granulozyten • Monozyten

Nur • e a b a o b e pro Eir z e l z e l l e 7.5 - » [ 1 0 " ' 5 U]

2.5 - 5

«0 - 68 [ l O - " H]

[ 1 0 - 1 2 W]

1.5 - 3 . 5 [ i o - 1 2 W]

war M o n t « i l p r o 1 1 l u t 34 [aWj

12 [mW]

5 [mW]

12 [-W]

0 . 5 L-W]

62 [aW]

A b b i l d u n g 2: W ä r m e a b g a b e n d e r e i n z e l n e n B l u t b e s t a n d t e i l e , n a c h (2, 3, 4, 5).

berechnet

E s i s t s e h r e i n f a c h , den E i n f l u ß v e r s c h i e d e n e r P a r a m e t e r (wie p H - W e r t , K + - K o n z e n t r a t i o n , O ^ - K o n z e n t r a t i o n , G l u k o s e g e h a l t , Z u g a b e von A n t i k o a g u l a n t i e n u s w . ) zu s t u d i e r e n , da d a d u r c h die W ä r m e p r o d u k t i o n z u m T e i l e r h e b l i c h v e r ä n d e r t w i r d (3). B e s o n d e r s e l e g a n t i s t d i e s e V e r ä n d e r u n g in e i n e m F l o w - K a l o r i m e t e r zu v e r f o l g e n . B e i d i e s e r M e t h o d e s i n d a l l e r d i n g s m i n d e s t e n s 4 m l S u s p e n s i o n e r f o r d e r l i c h . In e i n e m B a t c h - K a l o r i m e t e r w e r d e n n u r 0. 5 b i s 1 m l b e n ö t i g t , f ü r j e d e V a r i a t i o n m u ß a b e r ein n e u e s E x p e r i m e n t a n g e s e t z t w e r d e n . B i n d u n g von D - G l u k o s e an die E r y t h r o z y t e n m e m b r a n B e i d e r U n t e r s u c h u n g d e s S t o f f w e c h s e l s d e s E r y t h r o z y t e n s t e h t die F r a g e d e s T r a n s p o r t s von Z u c k e r d u r c h die Z e l l m e m b r a n i m V o r d e r g r u n d d e s I n t e r e s s e s . E s w i r d a n g e n o m m e n , daß d e r T r a n s p o r t v o r w i e g e n d ü b e r ein c a r r i e r - S y s t e m v e r m i t t e l t w i r d , an d a s die G l u k o s e s p e z i f i s c h g e b u n den w i r d . W i r d eine S u s p e n s i o n h ä m o g l o b i n f r e i e r E r y t h r o z y t e n ( g h o s t s ) m i t e i n e m M o n o s a c c h a r i d g e m i s c h t , so e n t s t e h t e i n e R e a k t i o n s w ä r m e , die auf v i e r Anteile zurückzuführen ist: Verdünnungswärme der ghost-Zellen,

Verdün-

n u n g s w ä r m e d e s Z u c k e r s , R e a k t i o n s w ä r m e a u f g r u n d von n i c h t s p e z i f i s c h e r B i n d u n g und R e a k t i o n s w ä r m e a u f g r u n d von s p e z i f i s c h e r Bindung d e s Z u c k e r s

311 an die Membran. F ü r das obige P r o b l e m ist nur der letzte Anteil i n t e r e s sant. K a l o r i m e t r i s c h kann der Prozeß leicht verfolgt werden, wenn das Differentialprinzip bei der Messung angewendet wird (6). In der R e f e r e n z k a m m e r des K a l o r i m e t e r s wird ein gleiches Gemisch angesetzt, das a b e r nicht D-Glukose sondern L-Glukose enthält, von der bekannt ist, daß sie keine spezifische Bindung mit der Membran eingeht. Werden also R e f e renzkammer und V e r s u c h s k a m m e r des K a l o r i m e t e r s gegeneinander geschaltet, so bleibt als Effekt nur die Wärme übrig, die durch die spezifische Bindung der D-Glukose entsteht. Mit steigender Glukosekonzentration erhält man eine Sättigungscharakteristik des Wärmeumsatzes, die e i nen K ^ - W e r t von 7 mMol l i e f e r t , der den aus anderen Meßmethoden e r mittelten entspricht. B e i Zugabe des i r r e v e r s i b l e n c a r r i e r - I n h i b i t o r s F D N P ( l - f l u o r o - 2 , 4 - d i nitrobenzol) ergibt sich kein Wärmeumsatz, d . h . es findet keine spezifische Bindung statt. B e i Zugabe des Inhibitors Phloretin hingegen tritt der gleiche Effekt wie oben auf, d.h. ein Wärmeumsatz. Das bedeutet, daß der Inhibitor Phloretin nicht an der spezifischen Bindungsstelle des c a r r i e r s angreift, also nicht kompetetiv hemmt, sondern e r s t während des T r a n s p o r t e s des Zuckers durch die Membran inhibiert. Mit Hilfe eines D i f f e r e n t i a l - M i k r o k a l o r i m e t e r s können also s e h r spezifische Reaktionen untersucht werden. Aggregation von Thrombozyten Die Thrombozyten (Blutplättchen) haben unter anderem die Aufgabe, im Blutserum die Blutgerinnung einzuleiten. Es e r s c h e i n t sinnvoll, die bei diesem P r o z e ß entstehenden Wärmeumsätze zu untersuchen (7). Um auch bei diesem Versuch alle anderen Reaktionen auszuschließen, wurde das Differentialprinzip benutzt. In der Meßkammer werden Thrombozyten, Gerinnungssubstanz und physiologische Salzlösung gemischt, in der R e f e r e n z k a m m e r nur Thrombozyten mit Salzlösung. Wird als Gerinnungssubstanz 2+ 2+ ADP + Ca oder Kollagen + Ca zugegeben, Substanzen, die sofortige Aggregation bewirken, so erhält man als Wärmeumsatz etwa 20 juW. B e i

312 Zugabe von Thrombin jedoch ergibt sich mehr als der zehnfache Wert ( s . A b b . 3), ohne daß eine zusätzliche Aggregation aufgetreten w ä r e .

TIHE, HINUTES

Abbildung 3: Wärmeeffekt bei der Aggregation von Thrombozyten a) Thrombin, b) ADP oder Kollagen a l s aggregierende Substanz (verändert nach 7 ) . E s muß also ein w e i t e r e r Prozeß initiiert worden sein, vermutlich eine Anregung des Stoffwechsels der Thrombozyten. Um diese Vermutung zu überprüfen, wurde zusätzlich ein Stoffwechselinhibitor + Thrombin in die Mischung der R e f e r e n z k a m m e r gegeben. Als Signal erhält man damit aus der Meßkammer nur den durch den Inhibitor gestörten Stoffwechseleffekt des Thrombins. B e i Zugabe von Antimycin wird der durch Thrombin s t i mulierte Stoffwechsel s e h r früh gestört, d.h. in den ersten 10 Minuten, während bei Zugabe von 2-deoxy-D-Glukose der Stoffwechsel e r s t nach 15 Minuten beeinträchtigt wird (Abb. 4).

öo o

s

10

TIRE,

15

20

MINUTES

a

30

35

Abbildung 4: Der Einfluß von Stoffwechselinhibitoren auf die Aggregation an Thrombozyten mit Thrombin (7). a) Zugabe von Antimycin und b) Zugabe von 2 - d e o x y - D - G l u kose in der R e f e r e n z k a m m e r , so daß als Meßsignal die durch den Inhibitor bedingte Störung auf den von Thrombin v e r u r sachten Wärmeeffekt auftritt.

313 Da bekannt ist, daß A n t i m y c i n die oxidative P h o s p h o r y l i e r u n g h e m m t , während 2 - d e o x y - D - G l u k o s e in der Glykolyse a l s Antimetabolit wirkt, kann g e s c h l o s s e n werden, daß der bei A g g r e g a t i o n m i t Thrombin entstehende große W ä r m e e f f e k t vorwiegend aus der oxidativen Phosphorylierung s t a m m t . D i e s e s B e i s p i e l zeigt den V o r t e i l der integralen Messung der K a l o r i m e t r i e , d e r darin liegt, daß auch unerwartete Reaktionen und E f fekte erfaßt werden. P h a g o z y t o s e der Leukozyten Eine der Hauptaufgaben der Leukozyten besteht darin, in das Blut e i n g e drungene F r e m d p a r t i k e l , vor a l l e m Bakterien, zu b e s e i t i g e n . F ü r ein s o l c h e s E x p e r i m e n t eignet s i c h ein F l o w - M i k r o k a l o r i m e t e r in g e radezu i d e a l e r W e i s e , w e i l durch s u k z e s s i v e Zugabe der Vorgang kontinuierlich beobachtet w e r d e n kann (3). Wie aus derAbbildung 5 e r s i c h t l i c h , e r f o l g t unmittelbar nach Zugabe der F r e m d k ö r p e r ( L a t e x - P a r t i k e l oder Bakterien), ein A n s t i e g des K a l o r i m e t e r - S i g n a l s , w e l c h e s proportional der Anzahl der F r e m d k ö r p e r i s t und m a x i m a l den fünffachen Wert des Grundniveaus e r r e i c h t . Da P h a g o z y t o s e Mtcrocalorimclry

i M i m

o

SO u Ufc*

S

10

of

Phuxvcylosis

S»'j-

IS

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IS

30

15

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Abbildung 5: T h e r m o g r a m m bei der P h a g o z y t o s e von Latexpartikeln. Der W ä r m e e f f e k t tritt ca. 10 m i n nach Zugabe (Pfeil) der P r o b e ein (3). v o r n e h m l i c h von den polymorphkernigen Granulozyten v e r r i c h t e t wird, d i e s e aber w i e aus anderen Untersuchungen bekannt ist, während d e r P h a g o z y t o s e eine um das z w e i - bis fünffach erhöhte O^-Aufnahme a u f w e i sen, wird aus den k a l o r i m e t r i s c h e n Werten ein a n g e r e g t e r S t o f f w e c h s e l

314 d e r G r a n u l o z y t e n g e s c h l o s s e n . Da f ü r v i r u l e n t e B a k t e r i e n a n d e r e W e r t e a l s f ü r n i c h t v i r u l e n t e g e f u n d e n w e r d e n , k ö n n t e d i e s e Methode e v e n t u e l l a l s I n d i k a t o r f ü r die V i r u l e n z e i n e s B a k t e r i u m s d i e n e n . Wärmeproduktion bei Schilddrüsenfunktionsstörung E s i s t g e f u n d e n w o r d e n , daß b e i H y p e r t h y r e o s e eine e r h ö h t e W ä r m e p r o duktion d e r L e u k o z y t e n zu v e r z e i c h n e n i s t , b e i H y p o t h y r e o s e a b e r e i n e e r n i e d r i g t e (8). Ä h n l i c h e E r g e b n i s s e e r h ä l t m a n f ü r die von E r y t h r o z y t e n a b g e g e b e n e W ä r m e (9). F ü r z e h n v e r s c h i e d e n e , k l i n i s c h h y p e r t h y r e o t e K r a n k e w u r d e die W ä r m e a b g a b e i h r e r E r y t h r o z y t e n ü b e r m e h r e r e W o c h e n verfolgt. Während d i e s e r Zeit erfolgte eine Behandlung m i t Medikament e n . Abbildung 6 gibt den V e r l a u f w i e d e r . In a l l e n F ä l l e n e r g i b t s i c h m i t laufender Behandlungszeit eine abn e h m e n d e W ä r m e p r o d u k t i o n , die je n a c h K r a n k h e i t s f a l l und T h e r a p i e a l lerdings unterschiedlich ist. Besond e r s zu e r w ä h n e n i s t , daß die b e i d e n Patienten mit dem schon niedrigsten A u s g a n g s w e r t , P a t i e n t 8 und 10, s i c h vorher einer Thyreodektomie hatten unterziehen müssen. Die g e f u n d e n e n W ä r m e p r o d u k t i o n e n k o r r e l i e r e n s e h r gut m i t d e r a u g e n blicklichen G l u k o s e v e r b r a u c h s r a t e i m B l u t (Abb. 7), a b e r a u c h m i t den Abbildung 6: W ä r m e a b g a b e d e r E r y t h r o z y t e n von 10 h y p e r t h y r e o t e n P a t i e n t e n v o r und w ä h rend einer Behandlung bis zum e u t h y r e o t e n Z u s t a n d (9) .

klinischen Symptomen nach der C r o o k s - S k a l a . Dieses Beispiel zeigt, daß die M i k r o k a l o r i m e t r i e m i t g e r i n g e m Aufwand e i n e b r a u c h b a r e K o n trollfunktion erfüllen kann.

315 &K IOM contumaten

200 r Pfc.mW/l

....

HMI •lltcl Imw/I 01 WCI Abbildung 7: Korrelation z w i s c h e n Wärmeabgabe der Erythrozyten und Glukoseverbrauch bzw. k l i n i s c h e m Zustand (nach Crooks-Skala) der unter Abbildung 6 angegebenen P a tienten (9) .

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[o6ofr75/CH MODlTICWIOli) OT W5HM KHKilitKi TEltTVPC OUTPUT TO A TAVT ELECTRONIC IMTEWTACE .

|

g ä b e d e s NS 601 s o l l d a s P r i n z i p d e r U m r ü s t u n g s k i z z i e r t w e r d e n : Die Ausgangsbuchse wird potentialfrei über R e e d r e l a i s angesteuert. Sechs s i g n i f i k a n t e B i t s L I , , , L6 d e r A S C I I - C o d i e r u n g s o w i e ein T R I P - S i g n a l z u m A u s l ö s e n d e s D r u c k / S t a n z - Z y k l u s w e r d e n g e n e r i e r t . F ü r die A u s g a b e g e s c h w i n d i g k e i t i s t a l s z e n t r a l e r Z e i t g e b e r ein M u l t i v i b r a t o r z u s t ä n d i g ,

der

i m D i s p l a y - M o d e m i t 5 kHz s c h w i n g t und d e m i m T y p e - M o d e ( m i t t e l s Mode-Schalter) zeitverlängernde Kondensatoren parallel geschaltet werden. An den E m i t t e r f o l g e r n können die A n s t e u e r - P o t e n t i a l e a b g e n o m m e n und auf C o m p u t e r - L e v e l ( z . B . T T L ) u m g e s e t z t w e r d e n . Aus d e m T R I P - S i g n a l w i r d d e r S y n c h r o n i s i e r - P u l s e r z e u g t , w o m i t die D a t e n ü b e r n a h m e d e s an der DI-Adresse des Computers anliegenden Daten-Bytes getaktet wird. Z u r s c h n e l l e n D a t e n a u s g a b e m u ß d e r Z e i t g e b e r w i e d e r auf 5 kHz e i n g e s t e l l t werden, was mittels nachträglich eingebautem Kippschalter durch Abtrennung d e r Z u s a t z k a p a z i t ä t e n m ö g l i c h i s t . G l e i c h z e i t i g m u ß a b e r a u c h d e r Monoflop b e s c h l e u n i g t w e r d e n , d a m i t k e i n e S y n c - I m p u l s e v e r l o r e n g e h e n . E s w i r d dazu e i n e F e s t k a p a z i t ä t e i n g e s e t z t , b i s s i c h q u a l i t a t i v d a s u r sprüngliche Oszillogramm ergibt. Der Sync-Puls muß generiert werden, n a c h d e m d i e D a t e n - B i t s e i n g e s c h w u n g e n s i n d . Ü b e r den U m s c h a l t e r k a n n

362 somit T E L E T Y P E - oder Computer-Geschwindigkeit eingestellt werden. B U S - S y s t e m (Abbildung 7) Im GKZ-System sind drei VKA verfügbar. Alle sind auf schnelle elektronische Spektrenausgabe umgerüstet worden (für I B M - D I - H i g h - L e v e l ) .

Bei

zwei VKA wurden die vorhandenen Lochstreifeneingänge ebenfalls mit rein elektronischen Schnittstellen e r w e i t e r t ( T r a n s i s t o r e n p a r a l l e l zu den Reader-Kontakten), so daß nicht nur gemessene Spektren dem PR zur Auswertung übergeben werden, sondern auch (z. B . K a l i b r i e r - ) S p e k t r e n vom PR in den VKA zurückgeschrieben werden können (in IBM-DO-High -

Level). Um für den Datentransfer der Spektren keine zusätzlichen Kabel und DI- und DO-Adressen des PR zu verbrauchen,

wurde ein einfaches

BUS-System (6) mit O D E R - G a t t e r - S t r u k t u r entworfen. E s ermöglicht nacheinander 4 DI-Benutzern den Anschluß an eine DI-Adresse des P R und 4 DO-Benutzern den Anschluß an eine DO-Adresse des P R . Dabei bleiben die IBM-Schnittstellenbedingungen für die B e n u t z e r - A n s c h l ü s s e erhalten. T r o t z der Einfachheit hat sich das System ausgezeichnet bewährt. Multiplexer-System (Abbildung 8) Die zahlreichen Steueraufgaben des PR für das adaptive Scan-System l a s sen sich nicht durch Erweiterung des einfachen BUS-Systems lösen, da gleichzeitig m e h r e r e statische Eingangs- und Ausgangsfunktionen benötigt

363 PR0H.ESS-RECHNER 16 BlT-D0-V#RT II! Bir 0123^517^S3W«a«*)r Ii u 21

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368 System p e r FORTRAN a n s p r e c h b a r ist. T e s t p r o g r a m m e zur externen Ans t e u e r u n g d e r YKA ü b e r d a s MS l a u f e n b e r e i t s . An d e r w e i t e r e n S o f t w a r e Entwicklung für das Scan-System wird gearbeitet, wobei d e r M e n s c h - M a schine-Dialog künftig über Display geführt wird. F a l l s s i c h i m L a u f e d e r E n t w i c k l u n g h e r a u s s t e l l e n s o l l t e , daß d u r c h die w e i t e r e n R e a l - T i m e B e l a s t u n g e n d e s P R die W a r t e z e i t e n zu l a n g w e r d e n , ist der Aufbau e i n e r R e c h n e r - H i e r a r c h i e durch Zwischenschaltung eines M i n i c o m p u t e r s v o r g e s e h e n , u m T r i v i a l - A u f g a b e n d e r S c a n - S t e u e r u n g zu übernehmen. Literatur 1.

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19, " S c h r i t t m o t o r e n " ,

Techni-

D e r V e r f a s s e r m ö c h t e die Z w i s c h e n b i l a n z nutzen, um denen zu danken, die das F o r s c h u n g s p r o j e k t i d e e l l o d e r m a t e r i e l l aufbauen h a l f e n : P r o f . F R O S T ( V i r c h o w - K h s . , B l n . ) f ü r die A n r e g u n g , a l s D i s s e r t a t i o n s - A r b e i t einen " v o l l a u t o m a t i s c h e n G K Z " zu bauen, P r o f . K A U L für die U n t e r s t ü t zung b e i d e r Bewilligung d e r M i t t e l , H e r r n SCHWARZ, F r a u K O S S E und H e r r n KNOP aus d e r F o r s c h u n g s w e r k s t a t t für die s o r g f ä l t i g e K o n s t r u k tion d e r S c a n - M e c h a n i k , d e r F a . CAWI für die f a c h l i c h e n R a t s c h l ä g e zum E i n s a t z von S c h r i t t - M o t o r e n , H e r r n L A U E für die Mithilfe b e i m Aufbau d e r E l e k t r o n i k und H e r r n G U T E N M O R G E N für die A s s e m b l e r - P r o g r a m m i e r u n t e r s t ü t z u n g . Von P r o f . K O E P P E s t a m m t die Idee des "Adaptiven Scan-Systems".

7.4 Ein Ganzkörperzähler für die Anwendung in der Klinik und beim Strahlenschutz E. Werner, S.M. Morsy

Die A n w e n d u n g d e s G a n z k ö r p e r z ä h l e r s in d e r m e d i z i n i s c h e n D i a g n o s t i k h a t in den l e t z t e n J a h r e n w e s e n t l i c h z u g e n o m m e n . B e i s e i n e m E i n s a t z in d e r Klinik k o m m t e s d a r a u f an, die G e s a m t a k t i v i t ä t e i n e r o d e r m e h r e r e r r a d i o a k t i v e r S u b s t a n z e n i m K ö r p e r d e s M e n s c h e n m ö g l i c h s t genau zu m e s s e n , und e r s t in z w e i t e r L i n i e auf die B e s t i m m u n g von O r g a n a k t i v i t ä t e n b z w . von g r o b e n A k t i v i t ä t s v e r t e i l u n g s m u s t e r n . F l ü s s i g k e i t s z ä h l e r m i t 4 7r - M e ß g e o m e t r i e h a b e n n u r ein g e r i n g e s E n e r g i e a u f l ö s u n g s v e r m ö g e n , s o daß v o r h a n d e n e R e s t a k t i v i t ä t e n a n d e r e r I s o t o p e den M e ß w e r t b e e i n f l u s sen. Deshalb sind große Anstrengungen u n t e r n o m m e n worden, mit K r i s t a l l d e t e k t o r e n S y s t e m e m i t q u a s i 4 ir - M e ß g e o m e t r i e zu e n t w i c k e l n ,

z.B.

d u r c h e i n e A n o r d n u n g a u s 54 E i n z e l k r i s t a l l e n (1) o d e r e i n e s c h r a u b e n f ö r m i g e B e w e g u n g von zwei K r i s t a l l e n u m die K ö r p e r l ä n g s a c h s e (2). B e i e i n e r g r o ß e n Zahl von G a n z k ö r p e r z ä h l e r n w i r d die A n o r d n u n g von 2 b i s 6 D e t e k t o r e n auf e i n e m K r e i s u m e i n e P a t i e n t e n l i e g e h e r u m m i t e i n e r R e l a t i v b e w e g u n g z w i s c h e n L i e g e und D e t e k t o r e n b e n u t z t . D u r c h g e e i g n e t e V a r i a t i o n d e r G e s c h w i n d i g k e i t d e r B e w e g u n g k a n n die U n a b h ä n g i g k e i t d e s M e ß w e r t e s f ü r P u n k t q u e l l e n auf d e r K ö r p e r l ä n g s a c h s e e r r e i c h t w e r d e n (3). F ü r P u n k t q u e l l e n a n d e r K ö r p e r o b e r f l ä c h e können b e i d i e s e n A n o r d nungen e r h e b l i c h e A b w e i c h u n g e n g e g e n ü b e r d e m M e ß w e r t auf d e r K ö r p e r a c h s e a u f t r e t e n . A b b i l d u n g 1 z e i g t f ü r ein P h a n t o m m i t e l l i p t i s c h e m Q u e r s c h n i t t ( g r o ß e A c h s e 33 c m , k l e i n e A c h s e 25 c m ) d e r Dichte 1 g / c m

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r e c h n e t e W e r t e r e l a t i v z u m W e r t auf d e r K ö r p e r l ä n g s a c h s e f ü r e i n e A n ordnung mit 4 NaJ(Tl)-Kristallen. Z u r H e r a b s e t z u n g d i e s e r M e ß f e h l e r sind zwei Wege a n g e g e b e n w o r d e n . E i n m a l w u r d e v o r g e s c h l a g e n , in e i n e r e r s t e n M e s s u n g die L a g e d e r R a d i o a k t i v i t ä t i m K ö r p e r zu b e s t i m m e n und d a n a c h m i t e i n e r z w e i t e n M e s s u n g

372

A b b i l d u n g 1: B e r e c h n e t e W e r t e f ü r d a s A n s p r e c h v e r m ö g e n e i n e r M e ß a n o r d n u n g m i t v i e r 5" x 5" N a J ( T 1 ) - D e t e k t o r e n b e z o g e n auf den W e r t a m P h a n t o m m i t t e l p u n k t . Die A c h s e n von je zwei K r i s t a l l e n ü b e r und u n t e r d e m K ö r p e r s c h l i e ß e n e i n e n W i n k e l von 5 0 ° e i n . D a r g e s t e l l t i s t ein V i e r t e l d e s P h a n t o m s m i t e l l i p t i s c h e m Q u e r s c h n i t t ( g r o ß e A c h s e 33 c m , k l e i n e A c h s e 25 c m ) d e r Dichte 1 g / c m ^ . Die b e r e c h n e t e n W e r t e g e l t e n f ü r das A n s p r e c h v e r m ö g e n im Photopeak, f ü r eine G a m m a s t r a h l e n e n e r g i e von 0, 7 MeV und e i n e n A b s t a n d d e r z u m Phantom gewandten K r i s t a l l o b e r f l ä c h e vom P h a n t o m m i t t e l punkt von 45 c m . Die o b e r s t e Z a h l gibt den W e r t in d e r E b e ne d e r K r i s t a l l a c h s e n an dem jeweiligen O r t im Phantom, die b e i d e n u n t e r e n Z a h l e n die W e r t e f ü r zwei E b e n e n in 6 c m b z w . 12 c m A b s t a n d a n . d e r e n A k t i v i t ä t . D i e s e s V e r f a h r e n i s t n i c h t nur z e i t a u f w e n d i g ,

sondern

s e i n e A n w e n d b a r k e i t w i r d a u c h b e g r e n z t d u r c h die G e n a u i g k e i t d e r B e s t i m m u n g d e r G e w e b e d i c k e . P A L M E R et a l . (4) h a b e n e i n e n " s h a d o w s h i e l d " G a n z k ö r p e r z ä h l e r m i t e i n e r s p e z i e l l e n A n o r d n u n g von 4 K r i s t a l l e n a u f g e baut, d u r c h die d e r P a t i e n t in e i n e r m u l d e n f ö r m i g e n L i e g e h i n d u r c h b e w e g t w i r d . D u r c h A u f f ü l l u n g d e r Mulde m i t e i n e m P l a s t i k m a t e r i a l und M e s s u n gen im C o m p t o n b e r e i c h e r r e i c h e n s i e ein g l e i c h m ä ß i g e s A n s p r e c h v e r m ö gen ü b e r den g e s a m t e n K ö r p e r q u e r s c h n i t t . A l l e r d i n g s d a r f b e i d i e s e m V e r f a h r e n n u r ein Nuklid i n k o r p o r i e r t s e i n . Wie a u s A b b i l d u n g 1 e r s i c h t l i c h i s t , e r g i b t s i c h bei M e s s u n g e n m i t K r i s t a l l a n o r d n u n g e n i m P h o t o p e a k ein zu n i e d r i g e s A n s p r e c h v e r m ö g e n i n k o r -

373 p o r i e r t e r r a d i o a k t i v e r S u b s t a n z e n auf d e r K ö r p e r a c h s e g e g e n ü b e r den ä u ß e r e n B e r e i c h e n . B e i k l i n i s c h e n Anwendungen d e s G a n z k ö r p e r z ä h l e r s k o m m t e s in d e r R e g e l n i c h t auf h ö c h s t e N a c h w e i s e m p f i n d l i c h k e i t a n . B e i d e m von u n s k o n z i p i e r t e n G e r ä t w i r d die N i v e l l i e r u n g d e s l a t e r a l e n A n s p r e c h v e r m ö g e n s ü b e r den g e s a m t e n K ö r p e r q u e r s c h n i t t d u r c h e i n e p a r t i e l l e A b s c h i r m u n g d e r ä u ß e r e n K ö r p e r t e i l e g e g e n ü b e r e i n e m S y s t e m von 4 Detektoren e r r e i c h t . Diese Abschirmung wird erzielt a) d u r c h die E i n f ü h r u n g e i n e s K o l l i m a t o r s y s t e m s m i t r e c h t e c k i g e n Ö f f n u n gen und b) d u r c h e i n e s p e z i e l l e A n o r d n u n g d e r 4 K r i s t a l l e , i n s b e s o n d e r e e i n e s e i t liche Verschiebung der Kristallachsen. F ü r die O p t i m i e r u n g d e r M e ß a n l a g e b e z ü g l i c h d e r g e o m e t r i s c h e n P a r a m e t e r w u r d e n t h e o r e t i s c h e B e r e c h n u n g e n d e r N a c h w e i s e m p f i n d l i c h k e i t von P u n k t q u e l l e n in e i n e m P h a n t o m m i t e i n e m R e c h e n p r o g r a m m d u r c h g e f ü h r t (5). B e i den B e r e c h n u n g e n w u r d e d a s D e t e k t o r v o l u m e n , i h r e O r i e n t i e r u n g r e l a t i v z u m K ö r p e r und die A b s o r p t i o n s k o e f f i z i e n t e n sowohl f ü r d a s P h a n t o m - w i e f ü r d a s K o l l i m a t o r - und D e t e k t o r m a t e r i a l b e r ü c k s i c h t i g t .

Das

Ansprechvermögen des Systems wird durch Normierung der berechneten N a c h w e i s e m p f i n d l i c h k e i t e n auf den W e r t i m P h a n t o m m i t t e l p u n k t e r m i t t e l t . U m f a n g r e i c h e B e r e c h n u n g e n h a b e n zu d e m in A b b i l d u n g 2 d a r g e s t e l l t e n Aufbau g e f ü h r t , d e r f ü r die von u n s a n g e s t r e b t e Anwendung sowohl d e r M e s s u n g d e r G e s a m t k ö r p e r a k t i v i t ä t a l s a u c h f ü r V e r l a u f s m e s s u n g e n in einzelnen Organen geeignet ist. Der Aufbau besteht aus einer T e i l a b s c h i r m u n g , d u r c h die d e r P a t i e n t auf e i n e r L i e g e h i n d u r c h g e f a h r e n w i r d . A l s D e t e k t o r e n w e r d e n 5" x 5 " - N a J ( T l ) - K r i s t a l l e v e r w e n d e t , die i n n e r h a l b von B l e i k o l l i m a t o r e n so b e w e g t w e r d e n können, daß d e r A b s t a n d z u m P a t i e n t e n v a r i a b e l i s t . Die K o l l i m a t o r ö f f n u n g i s t r e c h t e c k i g , die l ä n g e r e Seite p a r a l l e l z u r K ö r p e r a c h s e . D u r c h die e x z e n t r i s c h e A n o r d n u n g d e r K r i s t a l l e in den K o l l i m a t o r e n w i r d e r r e i c h t , daß d e r K ö r p e r m i t t e l p u n k t von a l l e n K r i s t a l l e n d i r e k t g e s e h e n w i r d , w ä h r e n d die von ä u ß e r e n K ö r p e r b e r e i c h e n a u s g e h e n d e S t r a h l u n g n i c h t d i r e k t in a l l e K r i s t a l l e g e l a n g e n k a n n . F ü r ein

Abbildung 2: Q u e r s c h n i t t der äußeren In d e r Mitte schraffiert rechts A B, C, D E F G ö

d u r c h die M e ß a n o r d n u n g z u r T e i l a b s c h i r m u n g K ö r p e r b e r e i c h e gegenüber dem Mittelpunkt: : K ö r p e r q u e r s c h n i t t auf d e r L i e g e : K r i s t a l l e in den K o l l i m a t o r e n : Zentrierung des K r i s t a l l s gegenüber der Kollimatoröffnung : 19 cm : 4 cm : 6, 35 cm : 7, 85 cm : 20 cm : 25°

F u n k t i o n i e r e n d e s S y s t e m s i s t die g e n a u e J u s t i e r u n g d e r K o l l i m a t o r ö f f n u n g und d e r K r i s t a l l a n o r d n u n g in den K o l l i m a t o r e n n o t w e n d i g . Um den A u f b a u und die p r a k t i s c h e Handhabung d e r A n o r d n u n g m ö g l i c h s t e i n f a c h zu g e s t a l ten, w i r d die g e o m e t r i s c h e E i n s t e l l u n g d e r D e t e k t o r e n b e z ü g l i c h u n t e r s c h i e d l i c h e r G a m m a s t r a h l e n e n e r g i e und P a t i e n t e n d i c k e d u r c h Ä n d e r u n g d e s A b s t a n d e s z w i s c h e n P a t i e n t und K r i s t a l l e r r e i c h t . Die B e w e g u n g e r folgt in R i c h t u n g d e r Z y l i n d e r a c h s e d e r K r i s t a l l e . Die V e r l ä n g e r u n g d i e s e r

375 A c h s e n g e h e n n i c h t d u r c h den K ö r p e r m i t t e l p u n k t , s o n d e r n s i n d u m 4 c m seitlich v e r s e t z t . In A b b i l d u n g 3a s i n d die f ü r d i e s e A n o r d n u n g b e r e c h n e t e n W e r t e f ü r d a s A n s p r e c h v e r m ö g e n f ü r ein V i e r t e l d e s P h a n t o m q u e r s c h n i t t e s a n g e g e b e n . Die W e r t e in den a n d e r e n V i e r t e l n s i n d a u s S y m m e t r i e ü b e r l e g u n g e n l e i c h t 137 a b l e i t b a r . Sie s i n d f ü r e i n e G a m m a s t r a h l e n e n e r g i e von 0, 662 MeV ( Cs) b e r e c h n e t . Die a u f g e f ü h r t e n Z a h l e n s t e l l e n die W e r t e in d e r E b e n e d e r K r i s t a l l a c h s e n ( o b e r s t e Zahl) und in zwei dazu p a r a l l e l e n E b e n e n i m A b s t a n d von 6 c m bzw. 12 c m d a r . Die K o l l i m a t o r ö f f n u n g w u r d e so g e w ä h l t , daß g e r a d e d a s L u n g e n v o l u m e n m i t f e s t s t e h e n d e r G e o m e t r i e e r f a ß t w e r d e n k a n n . J e n s e i t s d e r E b e n e in 12 c m A b s t a n d g e h t das A n s p r e c h v e r m ö g e n s c h n e l l auf s e h r g e r i n g e W e r t e z u r ü c k .

A b b i l d u n g 3: W e r t e f ü r d a s A n s p r e c h v e r m ö g e n der»in Abbildung 1 d a r g e s t e l l t e n A n o r d n u n g n a c h E i n f ü g e n d e r K o l l i m a t o r e n ( s . A b b . 2) a) - l i n k e Seite berechnete W e r t e f ü r eine Cs-Punktquelle (Gammastrahl e n e n e r g i e 0, 662 MeV) b) - r e c h t e S e i t e experimentell gemessene Werte D i e ' o b e r s t e Zahl gibt den W e r t in d e r E b e n e d e r K r i s t a l l a c h s e n a n d e m j e w e i l i g e n O r t i m P h a n t o m , die b e i d e n u n t e r e n Z a h l e n die W e r t e f ü r zwei E b e n e n in 6 c m bzw. 12 c m A b stand an. Z u r Ü b e r p r ü f u n g d e r b e r e c h n e t e n Daten w u r d e ein p r o v i s o r i s c h e r A u f b a u 137 d e r M e ß a n l a g e v o r g e n o m m e n und d a s A n s p r e c h v e r m ö g e n f ü r e i n e CsP u n k t q u e l l e i m P h o t o p e a k an den a n g e g e b e n e n P o s i t i o n e n b e s t i m m t .

Die

376 g e m e s s e n e n W e r t e s i n d in d e r A b b i l d u n g 3b a u f g e t r a g e n . In A n b e t r a c h t d e r n i c h t o p t i m a l e n J u s t i e r u n g d i e s e s v o r l ä u f i g e n A u f b a u s s t i m m e n die g e m e s s e n e n und die b e r e c h n e t e n W e r t e gut ü b e r e i n . G e g e n ü b e r d e r A n o r d nung ohne K o l l i m a t o r e n (Abb. 1), b e i d e r A b w e i c h u n g e n b i s z u m F a k t o r 1, 8 g e g e n ü b e r d e m W e r t a m P h a n t o m m i t t e l p u n k t v o r k o m m e n , s i n d d i e s e d u r c h die T e i l a b s c h i r m u n g d e r ä u ß e r e n B e r e i c h e b i s auf e i n e n F a k t o r 1, 2 reduziert worden. Die h i e r a n g e g e b e n e M e ß a n o r d n u n g e r m ö g l i c h t a l s o die B e s t i m m u n g d e r G e s a m t a k t i v i t ä t i n k o r p o r i e r t e r R a d i o n u k l i d e , bei d e r e n Z e r f a l l G a m m a s t r a h l u n g e m i t t i e r t w i r d , u n a b h ä n g i g von d e r e n V e r t e i l u n g i m K ö r p e r . D a f ü r w i r d e i n e g e r i n g e r e N a c h w e i s e m p f i n d l i c h k e i t in Kauf g e n o m m e n . B e i d e r k l i n i s c h e n Anwendung d e s G a n z k ö r p e r z ä h l e r s t r e t e n e h e r P r o b l e m e w e g e n zu h o h e r i n k o r p o r i e r t e r R a d i o a k t i v i t ä t e n a l s w e g e n zu g e r i n g e r Nachweisempfindlichkeit auf. Durch V e r ä n d e r u n g des Abstandes z w i s c h e n P a t i e n t und K r i s t a l l k a n n bei a u s r e i c h e n d e r i n k o r p o r i e r t e r A k t i v i t ä t m i t g l e i c h m ä ß i g e m A n s p r e c h v e r m ö g e n f ü r den G e s a m t k ö r p e r ,

bei

s e h r n i e d r i g e r Aktivität m i t einem entsprechend ungünstigeren Muster im Ansprechvermögen, dafür aber höherer Nachweisempfindlichkeit gemessen werden. - Die A u t o r e n d a n k e n F r ä u l e i n A . H E R B E R T f ü r s o r g f ä l t i g e t e c h n i s c h e Mitarbeit Literatur 1.

Cohn, S . H . , D o m b r o w s k i , C. S. , P a t e , H. R. & R o b e r t s o n , J . S. (1 969), A W h o l e - B o d y C o u n t e r with an I n v a r i a n t R e s p o n s e to R a d i o n u c l i d e D i s t r i b u t i o n and Body Size P h y s . Med. B i o l . 14, 645

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Kunkel, R . , M u t h , H . & O b e r h a u s e n , E . (1965), Ein G a n z k ö r p e r z ä h l e r f ü r F o r s c h u n g , k l i n i s c h e Anwendungen und S t r a h l e n s c h u t z m e s s u n g e n , S t r a h l e n t h e r a p i e 128, 98

377 4.

P a l m e r , H. E . , Cook, J . D . , P a i l t h o r p , K. G. & F i n c h , C . A. (1970), A W h o l e - B o d y C o u n t e r f o r P r e c i s i o n in Vivo M e a s u r e m e n t of R a d i o Iron, P h y s . Med. B i o l . 15, 457

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M o r s y , S. M . , A b u - B a k r , M. Y. , A l o u s h , A . A . & Y o u s s e f , S. K. , A d v a n c e s in P h y s i c a l and B i o l o g i c a l R a d i a t i o n D e t e c t o r s IAEA Wien 1971.

7.5 Anwendung des Ganzkörperzählers für die quantitative Bestimmung von Blutverlusten E. Werner, P. Einck-Rosskamp, J.P. Kaltwasser M e h r a l s die H ä l f t e a l l e r m e n s t r u i e r e n d e n F r a u e n in D e u t s c h l a n d l e i d e n an E i s e n m a n g e l (1). A l s U r s a c h e f ü r d i e s e s zu den h ä u f i g s t e n M a n g e l e r s c h e i n u n g e n in d e r W e l t z ä h l e n d e S y n d r o m k o m m e n n e b e n d e m

Nahrungs-

eisenmangel erhöhte Blutverluste infrage. Ihr Nachweis ist häufig nicht in e i n f a c h e r W e i s e m ö g l i c h , da ein B l u t v e r l u s t i m Stuhl von b i s zu 150 m l / W o c h e , d e r s i c h e r z u m E i s e n m a n g e l f ü h r t , von v i e l e n P a t i e n t e n n i c h t e r kannt w i r d , auch wenn s i e z u r g e n a u e n B e o b a c h t u n g a u f g e f o r d e r t w u r d e n ( 2 ) . F ü r die B e s t i m m u n g von B l u t v e r l u s t e n m i t c h e m i s c h e n M i t t e l n sind n u r q u a l i t a t i v e M e t h o d e n p r a k t i k a b e l , die j e d o c h e n t w e d e r zu e m p f i n d l i c h o d e r n i c h t z u v e r l ä s s i g g e n u g s i n d und d a r ü b e r h i n a u s e i n e Diät e r f o r d e r n (3). A l s g e e i g n e t , b e s o n d e r s f ü r die F e s t s t e l l u n g von g a s t r o i n t e s t i n a l e n B l u t v e r l u s t e n und d e r e n q u a n t i t a t i v e m A u s m a ß i n n e r h a l b von e i n i g e n T a g e n , 51 h a t s i c h die M a r k i e r u n g d e r E r y t h r o z y t e n m i t C r e r w i e s e n (4). D i e s e M e t h o d e e r f o r d e r t die v o l l s t ä n d i g e S a m m l u n g und A u f a r b e i t u n g d e s S t u h l e s in d e r U n t e r s u c h u n g s p e r i o d e . Sie k o m m t d e s h a l b in d e r R e g e l n u r f ü r k u r ze Beobachtungszeiten bei e i n e r s t a t i o n ä r e n Behandlung i n f r a g e . F ü r B l u t v e r l u s t m e s s u n g e n , die ü b e r einige W o c h e n o d e r Monate d u r c h g e f ü h r t w e r d e n s o l l e n , a l s o gewöhnlich a m b u l a n t v o r g e n o m m e n w e r d e n m ü s s e n , i s t die V e r l a u f s m e s s u n g m i t e i n e m G a n z k ö r p e r z ä h l e r n a c h R a d i o e i s e n a p p l i k a t i o n , die 1967 von H O L T et a l . ( 5 ) b e s c h r i e b e n w u r d e , b e s s e r 59 g e e i g n e t . D a f ü r w e r d e n e i n m a l i g e t w a 1 fxCi Fe als Fe(III)-citrat ( < 0, 5 ßg F e ) z u r in v i v o - M a r k i e r u n g d e r E r y t h r o z y t e n i n j i z i e r t . Nach Abschluß des Einbaus werden d e r Verlauf der G e s a m t k ö r p e r a k t i v i t ä t (Ag(t)) m i t d e m G a n z k ö r p e r z ä h l e r und d e r s p e z i f i s c h e n A k t i v i t ä t i m B l u t (A, (t)) g e m e s s e n .

380 Im Eisenmangel wird das i n j i z i e r t e Radioeisen praktisch vollständig in die neugebildeten Erythrozyten eingebaut. Der gesunde Mann scheidet täglich nur etwa 0, 3 %o seines Bestandes an Eisen aus. Entsprechend ergibt sich innerhalb von 50 Tagen eine durchschnittliche Abnahme von -Ag(t) um w e niger als 1% nach Korrektur des radioaktiven Z e r f a l l s (6). Die Reproduzierbarkeit der Einzelmessung mit dem Ganzkörperzähler ist in der R e gel besser als 3%. Es lassen sich also durch mehrmalige Messungen und bei guter Eisenutilisation Blutverluste nachweisen, die innerhalb von 50 Tagen 3% des Blutvolumens übersteigen. Damit sind mit dieser Methode selbst solche Blutverluste meßbar, die noch keinen oder höchstens latenten Eisenmangel zur F o l g e haben. Aus Messungen von Patienten während einer Aderlaßtherapie ergibt sich, daß die quantitative Bestimmung bei wiederholten Messungen mit einem F e h l e r , der kleiner als 10% des Blutverlustes ist, möglich ist (6). Der Gesamtblutverlust V

a

kann aus der Abnahme der

peraktivität -Ag(t) im Zeitintervall von

59 Fe-Gesamtkör-

bis t g und dem Verlauf der spe-

zifischen Aktivität im Blut A,b (t) berechnet werden aus dA^ (t) /dt Ab

V a

A (t) § A (t) b

(t)

•

dt

: Blutverlust in der Untersuchungsperiode (t 6 59 : Gesamtkörperaktivität ( F e ) 59 : spezifische Aktivität ( F e ) im Blut

- t ) a

Für die Berechnungen des Integrals müssen die Funktionen A g ( t ) und A, (t) bestimmt werden. A l s einfache Annahme kann z . B . aus den Meßwerb ten von A und A b je eine Exponentialfunktion durch Ausgleichsrechnung g ermittelt werden, jedoch ergäbe sich dann eine methodisch von der Zeit abhängige Blutverlustrate, wenn die Neigungen der beiden Funktionen nicht gleich sind. Tatsächlich weisen die Verläufe von Gesamtaktivität und spezifischer Aktivität im Blut bei fast allen untersuchten Patienten

381 Unterschiede auf. Das Integral wird deshalb unter Zugrundelegung zweier unabhängiger Modellvorstellungen mit verschiedenen Annahmen über den Charakter von A (t) und A, (t) berechnet, g b B e i m Modell 1 wird nach der Methode der kleinsten Quadrate eine Exponentialfunktion als Ausgleichskurve für die Meßwerte der spezifischen Aktivität im Blut b e s t i m m t : A A^

q

b

(t)

= A

b, o

e

Mt

: b e r e c h n e t e r Wert für die spezifische Aktivität im Blut am Beginn der Meßperiode

H

: b e r e c h n e t e r Neigungsfaktor der Ausgleichskurve

Die Gesamtaktivität wird durch die Summe aus einer Konstanten und einer Exponentialfunktion dargestellt: A A

g

(t)

=

: b e r e c h n e t e r Wert für die

(A

gi o

59

-

A

p

) eM

t

+ A

p

F e - G e s a m t a k t i v i t ä t am Beginn der

Meßperiode A

P

: Plateauaktivität

Dabei wurde von der Überlegung ausgegangen, daß der Teil A zierten

59

Fe-Aktivität A

der i n j i ^

in ein Depot t r a n s f e r i e r t worden ist, das nur

schwer m o b i l i s i e r b a r ist, d.h. seine Aktivität (unter K o r r e k t u r des radioaktiven Z e r f a l l s ) ändert sich während der Meßperiode praktisch nicht. Zur Bestimmung dieses Anteils A^ wurde angenommen, daß die r e s t l i c h e Aktivität im Körper nach einer Exponentialfunktion mit der gleichen Anfangsneigung wie die Aktivitätskonzentration im Blut abnimmt. B e i m zweiten Modell wird die Abnahme der Gesamtaktivität im K ö r p e r durch eine Exponentialfunktion dargestellt. Benachbarte Meßwerte der Aktivitätskonzentration im Blut werden im einfach-logarithmischen Maßstab jeweils durch eine Gerade verbunden und für jedes Zeitintervall der Blutverlust getrennt berechnet sowie die Summe der berechneten B l u t v e r luste in den Teilabschnitten gebildet.

382 Die Berechnung der P a r a m e t e r erfolgt mit einem Kleincomputer (Wang 720 B/701). Eingabedaten sind: Zeitpunkt der Ganzkörpermessung bzw. 59 Messung der Aktivitätskonzentration im Blut nach der

Fe-Applikation,

Zählrate der Ganzkörpermessung, Kalibrierungsfaktor für die Umrechnung der Zählrate in Aktivität und Aktivitätskonzentration im Blut. Der K a librierungsfaktor wird in der Regel 59 für jede Person aus der Zählrate e i nige Minuten nach Injektion des

F e und der bekannten injizierten A k t i v i -

tät bestimmt und mit dem Retentionswert 10 bzw. 14 Tage p . i n j . k o r r i giert. Bei dem hier verwendeten Ganzkörperzähler ist er u.a. vom K ö r pergewicht abhängig. Ausgabedaten des Rechenprogramms sind die Blutverlustraten gemittelt über die gesamte Untersuchungsperiode und ihre Standardabweichungen nach beiden Modellen sowie einige Angaben über die berechneten Funktionen A g (t) und A,b (t). Bei bisher mehr als 250 nach dieser Methode untersuchten Personen betragen die Differenzen zwischen den nach beiden voneinander unabhängigen Modellen berechneten Blutverlustraten im Mittel 2%. Abweichungen größer als 5% kommen praktisch nicht v o r . Mit dieser Methode werden die gesamten exogenen Blutverluste erfaßt, z . B . auch die durch Blutentnahmen verursachten. Dabei werden keine großen Anforderungen an die Patientenmitwirkung gestellt, da der Patient die Bestimmung praktisch nicht beeinflussen kann. Er muß nur bereit sein, zur Untersuchung zu kommen. Ein stationärer Aufenthalt ist nicht erforderlich, ebenso nicht die Sammlung bzw. Messung von Ausscheidungen. Die Untersuchung kann über eine längere Zeitspanne, z . B . 6 Monate ausgedehnt werden, um auch geringe oder intermittierende Blutungen zu erfassen. Bei Vorliegen von Blutverlusten kann gleichzeitig mit deren Messung bereits eine Eisentherapie durchgeführt werden. Allerdings benötigt man bei dieser Methode vor Beginn der Messung eine V o r p e r i o d e von 10 bis 14 Tagen für die Inkorporation des Radioeisens in die Erythrozyten, und dann nochmals ein bis zwei Wochen bis zum V o r l i e g e n des e r sten Ergebnisses. Außerdem ist keine Lokalisation der Blutungsquelle möglich.

383 In der Abbildung 1 sind ausgewählte F ä l l e dargestellt, an denen die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens beschrieben werden sollen. Im linken T e i l (Abb. l a ) sind Patienten mit kontinuierlichen Blutungen - im logarithmischen Maßstab ergibt sich dann für den Aktivitätsverlauf im K ö r p e r e i ne Gerade - dargestellt. Dabei bildet die Kurve 1) eine Ausnahme. Sie z . ' - 0 ^ ^ n i i m u i m i i n i i i i i i i i i l i i i i l —

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UnfrUKhungspiriod*

Abbildung 1: Kontinuierliche und intermittierende Blutverluste: Verlauf der mit dem Ganzkörperzähler gemessenen Zählrate Z/Z a) bei Patienten mit kontinuierlichen Blutungen unterschiedlichen Ausmaßes, b) bei einem Patienten mit Oesophagusvarizenblutung (Kurve 1), bei einer Blutung aus einem Magenulcus (Kurve 2) bzw. bei einer Patientin mit unbekanntem Blutungsort (Kurve 3), c) bei Patientinnen mit Hypermenorrhoe (M.'Zeitraum der Menstruation) Die Eintragungen an einzelnen Kurven bedeuten relative Blutverlustraten in %/d bzw. relative Blutverluste in % bei intermittierenden Blutungen. gibt einen F a l l wieder, bei dem verschiedene Untersuchungsergebnisse, wie z . B . therapieresistente mikrozytäre, hypochrome Anämie und erhöhte intestinale Eisenabsorption eine Blutungsanämie möglich scheinen ließen, die jedoch durch die Verlaufsmessung ausgeschlossen werden konnte. Die anderen Kurven stellen Verlaufsmessungen bei Blutungen mit unterschiedlicher Ursache und von verschiedenem Ausmaß dar, z . B . 4 ml/d bei einem Patienten mit Schleimhauterosionen im Rectum (Kurve 2), 30 ml/d bei einer Patientin mit Sickerblutungen aus Oesophagusvarizen (Kurve 8)

384 und 120 m l bei e i n e r Patientin m i t trotz w i e d e r h o l t e r r ö n t g e n o l o g i s c h e r , g a s t r o s k o p i s c h e r und r e k t o s k o p i s c h e r Untersuchungen nicht zu l o k a l i s i e render Blutungsquelle. Mit anderen Methoden a l s m i t der V e r l a u f s m e s s u n g im G a n z k ö r p e r z ä h l e r w e s e n t l i c h s c h l e c h t e r erfaßbar sind Blutungen, bei denen e s i n t e r m i t tierend P e r i o d e n g r ö ß e r e r , g e r i n g e r e r bzw. k e i n e r B l u t v e r l u s t e gibt. In der Abbildung l b sind drei B e i s p i e l e d a r g e s t e l l t : eine okkulte Blutung aus Ö s o p h a g u s v a r i z e n a l s F o l g e e i n e r alkoholischen L e b e r z i r r h o s e (Kurve 1), bei der der Patient innerhalb von 5 Wochen 3, 6 1 Blut (entsprechend ca. 60% s e i n e s Blutvolumens) v e r l o r , während 1 Jahr v o r h e r und auch danach nur g e r i n g e B l u t v e r l u s t e von durchschnittlich 8 m l / d g e m e s s e n worden waren. Kurve 2) gibt eine Blutung aus e i n e m Magenulcus w i e d e r , bei der innerhalb von 12 Tagen etwa 2, V 1 Blut, entsprechend 40% des Blutv o l u m e n s , und in den nächsten 6 Wochen n o c h m a l s 1 , 3 1 Blut v e r l o r e n gingen. Anschließend war kein B l u t v e r l u s t m e h r n a c h w e i s b a r . Ein b e s o n d e r e s B e i s p i e l e i n e r i n t e r m i t t i e r e n d e n Blutung zeigt die Kurve 3). B e i der Patientin kam e s i m Abstand von m e h r e r e n Monaten z w e i m a l zu s e h r hohen B l u t v e r l u s t e n von 55% bzw. 40% des G e s a m t b l u t e s m i t T e e r s t ü h l e n und a n s c h l i e ß e n d e r s c h w e r e r E i s e n m a n g e l a n ä m i e , während die Z w i s c h e n p e r i o d e n praktisch blutungsfrei w a r e n . Durch orale Eisensubstitution konnte j e w e i l s eine N o r m a l i s i e r u n g des Blutbildes e r r e i c h t werden.

Trotz

m e h r f a c h e r Röntgenuntersuchungen des M a g e n - D a r m t r a k t e s konnte die Blutungsquelle nicht gefunden werden. Gegenüber den i n t e r m i t t i e r e n d e n Gastrointestinalblutungen l a s s e n s i c h H y p e r m e n o r r h o e n (Abb. l c ) durch g e e i g n e t e Wahl der Meßzeitpunkte abg r e n z e n . B e i den m i t Kurve 1) und 2) d a r g e s t e l l t e n F ä l l e n gingen pro Menstruationsblutung durchschnittlich 300 m l bzw. 950 m l Blut v e r l o r e n .

Die

Kurve 3) zeigt den Verlauf d e r Zählrate bei e i n e r Patientin mit e i n e r Marcumarbehandlung w e g e n Mitralklappenersatz. G l e i c h z e i t i g bestand eine L a g e a n o m a l i e der Gebärmutter. B e i der e r s t e n Menstruation, die stark v e r l ä n g e r t war, gingen i n s g e s a m t 45% des G e s a m t b l u t e s v e r l o r e n ,

wäh-

385 r e n d bei d e r z w e i t e n M e n s t r u a t i o n bei v o r h e r i g e m A b s e t z e n d e s M a r c u m a r i m m e r noch 11% d e s G e s a m t b l u t e s v e r l o r e n g i n g e n . Da e i n e a n d e r e B l u t u n g s q u e l l e d u r c h die V e r l a u f s m e s s u n g p r a k t i s c h a u s g e s c h l o s s e n w u r d e , gab die B l u t v e r l u s t b e s t i m m u n g b e i d e m v o r l i e g e n d e n k l i n i s c h e n Bild die Indikation f ü r eine H y s t e r e k t o m i e . Neben d e r q u a n t i t a t i v e n B e s t i m m u n g von B l u t v e r l u s t e n k a n n die h i e r b e s c h r i e b e n e Methode a u c h z u r K o n t r o l l e d e s T h e r a p i e e r f o l g e s b e i n a c h g e wiesenen Blutungen eingesetzt werden, z . B . nach d e r konservativen Beh a n d l u n g von g a s t r o d u o d e n a l e n U l c e r a o d e r n a c h R e s e k t i o n von D a r m a b schnitten. Z u s a m m e n f a s s e n d k a n n die h i e r b e s c h r i e b e n e M e t h o d e d e r q u a n t i t a t i v e n B e s t i m m u n g von B l u t v e r l u s t e n m i t d e m G a n z k ö r p e r z ä h l e r in L a n g z e i t b e obachtungen als geeignet angesehen werden f ü r die S i c h e r u n g d e s V e r d a c h t e s b z w . den A u s s c h l u ß o k k u l t e r B l u t u n g e n die q u a n t i t a t i v e B e s t i m m u n g s e l b s t bei g e r i n g f ü g i g e n B l u t v e r l u s t e n die D i f f e r e n z i e r u n g z w i s c h e n k o n t i n u i e r l i c h e n und i n t e r m i t t i e r e n d e n Blutungen die K o n t r o l l e d e s T h e r a p i e e r f o l g e s b e i b l u t e n d e n U l c e r a d e s G a s t r o intestinaltraktes die q u a n t i t a t i v e B e s t i m m u n g d e s B l u t v e r l u s t e s b e i H y p e r m e n o r r h o e ü b e r die D a u e r m e h r e r e r Z y k l e n . Aus den B l u t v e r l u s t m e s s u n g e n und den j e w e i l i g e n H ä m o g l o b i n w e r t e n

im

Blut k a n n d e r E i s e n b e d a r f b e r e c h n e t und a l s G r u n d l a g e d e r S u b s t i t u t i o n s t h e r a p i e b e n u t z t w e r d e n , i n s b e s o n d e r e dann, wenn e i n e p a r e n t e r a l e E i s e n t h e r a p i e i n d i z i e r t i s t . T h e r a p i e und in den m e i s t e n F ä l l e n a m b u l a n t e Unt e r s u c h u n g können g l e i c h z e i t i g und ohne g r o ß e n A u f w a n d f ü r P a t i e n t und Arzt durchgeführt werden. - Die A u t o r e n d a n k e n F r a u U. T A C K E und F r a u H . H A H N f ü r s t e t s z u v e r lässige technische Mitarbeit.

-

386 Literatur 1.

Heinrich, H. C . , Int. Eisensymposium, Malta 1972

2.

Stack, B . H . R . , Smith, T . , H y w e l Jones, J. & F l e t c h e r , J. (1969), Measurement of blood and iron loss in colitis with a whole body counter, Gut 10^ 769

3.

Humphery, T . J. & Goulston, K . (1969), Chemical testing of occult blood in faeces :"haematest", "occultest", and Guaiac testing c o r r e l a ted with ^ c h r o m i u m estimation of faecal blood loss, Med. J. Aust. J_, 1291

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5.

Holt, J. M . , Mayet, F . G . H . , Warner, G. T . & Callender, S. T . (1967), Measurement of blood loss by means of a whole-body counter, B r i t . med. J. 4, 86

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W e r n e r , E . , Kaltwasser, J. P . & Becker, Hj. (1972), Quantitative B e stimmung von Blutverlusten mit dem Ganzkörperzähler, Klin. Wschr. 50, 543

7.6 Untersuchungen mit dem Ganzkörperzähler zur Resorption von Calcium R. Kunkel, E. Leicht

Die E r g e b n i s s e k l a s s i s c h e r B i l a n z u n t e r s u c h u n g e n z e i g e n , daß bei v e r schiedenen Störungen des Calciumstoffwechsels beim Menschen der Resorption des Calciums eine gewisse diagnostische Bedeutung zugeordnet w e r d e n k a n n . D i e s e k l a s s i s c h e n B i l a n z u n t e r s u c h u n g e n und auch s p ä t e r e U n t e r s u c h u n g e n m i t r a d i o a k t i v e n C a l c i u m i s o t o p e n (1, 2, 3) e r f o r d e r n die q u a n t i t a t i v e S a m m l u n g von Stuhl und U r i n . B e k a n n t l i c h i s t d i e s jedoch oft m i t r e l a t i v g r o ß e n t e c h n i s c h e n und o r g a n i s a t o r i s c h e n S c h w i e r i g k e i t e n v e r b u n d e n . Hinzu k o m m t , daß bei V e r w e n d u n g k l e i n e r A k t i v i t ä t e n d e r F e h l e r d e r R e s o r p t i o n s b e s t i m m u n g g r o ß w e r d e n kann, da s i c h die R e s o r p t i o n a l s Summe aus m e h r e r e n Einzelwerten mit relativ großen Meßfehlern ergibt. E s b i e t e t s i c h d a h e r an, die C a l c i u m r e s o r p t i o n d u r c h eine G a n z k ö r p e r m e s s u n g zu b e s t i m m e n , bei d e r d i e s e N a c h t e i l e dann n i c h t m e h r a u f t r e t e n (4,5). Wir verwenden bei u n s e r e n Untersuchungen 47

47

C a in F o r m von C a C l .

C a i s t ein B e t a - und G a m m a s t r a h l e r m i t 1 , 2 9 MeV Q u a n t e n e n e r g i e .

Es

h a t e i n e H.albwertzeit von 4, 7 T a g e n . 47 D e r n ü c h t e r n e P a t i e n t e r h ä l t p e r o s etwa 10 juCi

C a m i t 50 m g i n a k t i v e m

C a a l s T r ä g e r . Nach d e r A p p l i k a t i o n w e r d e n i m A b s t a n d von 30 m i n B l u t p r o b e n e n t n o m m e n , d e r e n P l a s m a a k t i v i t ä t in e i n e m B o h r l o c h g e m e s s e n wird. Z w e i Stunden n a c h A p p l i k a t i o n w i r d d e r P a t i e n t i m G a n z k ö r p e r z ä h l e r g e m e s s e n . Das M e ß e r g e b n i s w i r d a l s 100% a n g e n o m m e n . In den f o l g e n d e n 14 T a g e n e r f o l g t e i n m a l a m T a g e i n e w e i t e r e G a n z k ö r p e r m e s s u n g .

Das

E r g e b n i s d i e s e r M e s s u n g e n - k o r r i g i e r t auf p h y s i k a l i s c h e n Z e r f a l l w i r d in P r o z e n t d e r e r s t e n M e s s u n g a n g e g e b e n .

388 A l s G a n z k ö r p e r z ä h l e r (Abb. 1) v e r w e n d e n w i r zwei 8 x 4 " - N a J K r i s t a l l e , die s i c h in e i n e r 20 cm d i c k e n S t a h l k a m m e r m i t den I n n e n m a ß e n 2 x 2 x 1,8 m b e f i n d e n . D e r P a t i e n t l i e g t w ä h r e n d d e r M e s s u n g auf e i n e m B e t t i m Abs t a n d von 60 c m von den K r i s t a l l e n . Die K r i s t a l l e w e r d e n während d e r Messung nicht bewegt. Als Meßgerät verwenden w i r e i n e n 400 K a n a l A n a l y s a t o r . A u s g e w e r t e t w i r d ein E n e r g i e b e r e i c h von 1 , 1 - 1 , 6 MeV. D a m i t i s t a u s g e s c h l o s s e n , daß 47 „ das Tochternuklid ^ ' S c mit ein e r Q u a n t e n e n e r g i e von 160 KeV Hl^^^HllMMt A b b i l d u n g 1: G a n z k ö r p e r z ä h l e r .

(3, 4 d H a l b w e r t z e i t ) b e i d e r M e s s u n g m i t e r f a ß t w i r d . In diesem Energiebereich beträgt

d e r N u l l e f f e k t d e s G a n z k ö r p e r z ä h l e r s 300 I m p / m i n . Hinzu k o m m e n 40 47 Ca m e s s e n etwa 50 I m p / m i n v o m K - G e h a l t d e s P a t i e n t e n . P r o j/Ci w i r 4100 I m p / m i n . D i e s e n t s p r i c h t e i n e r A u s b e u t e von 3%. 47 A b b i l d u n g 2 z e i g t den V e r l a u f e i n e r R e t e n t i o n s k u r v e von

Ca. Als Abszis-

s e i s t die Z e i t n a c h A p p l i k a t i o n , a l s O r d i n a t e die G a n z k ö r p e r a k t i v i t ä t in % d e r a p p l i z i e r t e n A k t i v i t ä t a u f g e t r a g e n . Man e r k e n n t , daß i n n e r h a l b d e r e r s t e n d r e i T a g e die G a n z k ö r p e r a k t i v i t ä t s t u f e n w e i s e s t a r k a b f ä l l47 t. Dieser A b f a l l i s t b e d i n g t d u r c h die A u s s c h e i d u n g d e s n i c h t r e s o r b i e r t e n Ca m i t d e m Stuhl. Danach n i m m t die A k t i v i t ä t n u r noch l a n g s a m a b . D i e s e A b 47 n ä h m e w i r d d u r c h die A u s s c h e i d u n g e i n e s T e i l s d e s r e s o r b i e r t e n Ca d u r c h die N i e r e (und e v e n t u e l l ü b e r den Stuhl) v e r u r s a c h t . Die l e t z t e n M e ß p u n k t e l a s s e n s i c h z i e m l i c h gut d u r c h e i n e e i n f a c h e E x p o n e n t i a l f u n k t i o n a n n ä h e r n , d e r e n A n f a n g s w e r t a l s Maß f ü r die C a - R e s o r p t i o n und d e r e n E x p o n e n t i a l k o e f f i z i e n t a l s Maß f ü r die t ä g l i c h e C a - A u s s c h e i d u n g a n g e nommen wird.

389 QanzUrpcrektlvItSI In U a . i h i I . H n « «

ZMI nach « P t f I-l O

1 80

1 100

Abbildung 2: Retentionskurve von

1 ISO

47

M . 290

200

•

Ca .

Aus Tabelle 1 geht die Reproduzierbarkeit der Ganzkörpermessung h e r v o r . Bei den ersten fünf Patienten lagen die beiden Messungen bis zu einem halben Jahr auseinander. Im allgemeinen stimmen d i e W e r t e innerhalb 10%überein. Dies ist mehr, als durch den reinen physikalischen Meßfehler (etwa 5%) zu erwarten ist. Die beiden letzten Patienten zeigen eine weniger gute Übereinstimmung. Bei diesen Patienten lag allerdings eine Obstipation vor, so daß unter Umständen bei der Berechnung der Resorption von Tabelle 1 Resorption

Namo

Mossdotum

St.H.

31.10.

73

46,5

11.12.

73

41,1

S.

E.

W.E.

S.

B.

R.

M.

K.

G.

L . H.J.

16.12.

73

51,5

22.

1.

74

58,3

26.

f°A>]

Abw. v.MW

6,2

7,0

6.

74

53,7

27.11.

74

58,5

15.

5.

74

41,6

26.

6.

74

52,3

14 .

5.74

43.1

2,1

20.

8 . 7 4

43.2

2,1

26.11

.74

40,4

1». 2.

74

66,0

IS. 3.

74

42,5

30.11.

74

1 1 . 1 2 . 74

100 74,5

4

,3

11,4

21,7

14,6

[%]

390 G a n z k ö r p e r w e r t e n a u s g e g a n g e n w u r d e , die noch e i n e n T e i l n i c h t r e s o r b i e r ten C a l c i u m s u m f a ß t e n . G e r a d e an d i e s e n b e i d e n B e i s p i e l e n s i e h t m a n , w e l c h e n Einfluß d e r n i c h t r e s o r b i e r t e T e i l auf die B e r e c h n u n g d e r R e s o r p tion h a t . W i r b e r ü c k s i c h t i g e n d a h e r b e i d e r B e r e c h n u n g e r s t G a n z k ö r p e r m e s s u n g e n ab d e m 5. T a g n a c h A p p l i k a t i o n . Die e r s t e n 5 T a g e geben d a b e i e i n e n A n h a l t s p u n k t ab, ob d a s n i c h t r e s o r b i e r t e C a l c i u m v o l l s t ä n d i g a u s g e schieden wurde. W i r h a b e n bei 42 P a t i e n t e n d i e s e U n t e r s u c h u n g d u r c h g e f ü h r t . Von d i e s e n P a t i e n t e n w a r e n 10 N o r m a l p e r s o n e n h i n s i c h t l i c h d e s C a l c i u m s t o f f w e c h s e l s . 11 P a t i e n t e n h a t t e n p r i m ä r e n o d e r t e r t i ä r e n H y p e r p a r a t h y r e o d i s m u s und 21 P a t i e n t e n w a r e n w e g e n m e h r o d e r m i n d e r s c h w e r e r N i e r e n i n s u f f i z i e n z in s t a t i o n ä r e r B e h a n d l u n g . Die Abbildung 3 z e i g t e i n e n V e r g l e i c h d e r G a n z k ö r p e r r e s o r p t i o n s w e r t e m i t den 2 Stunden P l a s m a a k t i v i t ä t e n , die v i e l f a c h a l s r e p r ä s e n t a t i v f ü r Mammai

Abbildung 3: V e r g l e i c h d e r G a n z k ö r p e r r e s o r p t i o n s w e r t e m i t den 2-Stunden-Plasmaaktivitäten. die C a - R e s o r p t i o n a n g e s e h e n w e r d e n . Man e r k e n n t d e u t l i c h , daß k e i n e a l l z u gute K o r r e l a t i o n z w i s c h e n den b e i d e n G r ö ß e n b e s t e h t ( K o r r e l a t i o n s k o e f f i z i e n t 0, 80). Die K o r r e l a t i o n d e r G a n z k ö r p e r w e r t e zu den P l a s m a a k t i v i t ä t e n 30, 60, 90 und 180 Minuten n a c h A p p l i k a t i o n z e i g t noch s c h l e c h t e r e W e r t e . Da die P l a s m a a k t i v i t ä t e n n i c h t n u r von d e r r e s o r b i e r t e n Menge,

391 s o n d e r n auch v o m g e s a m t e n P l a s m a v o l u m e n und von d e r E i n b a u r a t e in den K n o c h e n b z w . in b e s t i m m t e E i w e i ß f r a k t i o n e n a b h ä n g t , i s t zu e r w a r t e n ,

daß

d i e s e r Wert viel weniger der wahren Resorption entspricht, als der Ganzkörperwert. Die Abbildung 4 z e i g t die G a n z k ö r p e r r e s o r p t i o n s w e r t e f ü r die e i n z e l n e n P a t i e n t e n g r u p p e n . F ü r die N o r m a l p e r s o n e n e r g i b t s i c h e i n e m i t t l e r e R e s o r p tion von 54, 5 + 14, 3%. D i e s e r W e r t s t i m m t m i t den von SACK (3) und S J Ö B E R G (5) a n g e g e b e n e n W e r t e n von 30 + 14, 5 bzw. 35, 7 + 7 , 6 % n i c h t ü b e r e i n . B e i d e A u t o r e n h a b e n bei i h r e n Untersuchungen jedoch w e s e n t lich höhere Mengen an inaktiv e m T r ä g e r c a l c i u m (250 m g b z w . 135 mg) a l s w i r (50 m g ) benutzt. Wahrscheinlich ist der U n t e r s c h i e d in den R e s o r p t i o n s werten darauf zurückzuführen. Abbildung 4: G a n z k ö r p e r r e s o r p t i o n s w e r t e f ü r die e i n z e l n e n Patientengruppen . Die P e r s o n e n m i t H y p e r p a r a t h y r e o i d i s m u s r e s o r b i e r e n i m M i t t e l 76, 1 + 1 9 , 6 %. In d i e s e r G r u p p e k o m m e n r e l a t i v v i e l e R e s o r p t i o n s w e r t e von 90% und m e h r v o r . E s z e i g t s i c h d e m n a c h , daß e i n e v e r m e h r t e A u s s c h e i dung von P a r a t h o r m o n d u r c h die N e b e n s c h i l d d r ü s e e i n e d e u t l i c h e r e s o r p tionsfördernde Wirkung hat. B e i d e r G r u p p e d e r n i e r e n i n s u f f i z i e n t e n P a t i e n t e n z e i g t s i c h eine v e r m i n d e r t e R e s o r p t i o n von 43, 3 + 10, 3%. Dies i s t auf den b e i d i e s e m P a t i e n t e n kreis gestörten Vitamin D-Stoffwechsel zurückzuführen. Die M i t t e l w e r t e z e i g e n z w a r f ü r die e i n z e l n e n P a t i e n t e n g r u p p e n d e u t l i c h s i g n i f i k a n t e A b w e i c h u n g e n . Im E i n z e l f a l l l ä ß t s i c h a b e r n i c h t m i t g e n ü g e n -

39 2 d e r Sicherheit eine R e s o r p t i o n s s t ö r u n g nachweisen. Wir glauben a b e r ,

daß

s i c h d u r c h V e r ä n d e r u n g e n d e r Methode, i n s b e s o n d e r e d u r c h V e r ä n d e r u n g d e r T r ä g e r m e n g e an i n a k t i v e m C a l c i u m , a u c h die A u s s a g e k r a f t i m E i n z e l f a l l e r h ö h e n l ä ß t . E s i s t n ä m l i c h zu e r w a r t e n , daß bei h ö h e r e r T r ä g e r m e n ge die p r o z e n t u a l e R e s o r p t i o n f ü r den N o r m a l f a l l z u r ü c k g e h e n w i r d , w ä h r e n d bei P a t i e n t e n m i t H y p e r p a r a t h y r e o i d i s m u s die h o h e n R e s o r p t i o n s w e r te e r h a l t e n b l e i b e n . U m g e k e h r t d ü r f t e n b e i g e s t ö r t e r C a - R e s o r p t i o n t r o t z g e r i n g e r T r ä g e r m e n g e n i e d r i g e R e s o r p t i o n s w e r t e zu f i n d e n s e i n .

Entspre-

chende Untersuchungen sind zur Zeit im Gange.

Literatur 47

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Ca ab-

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8 Anwendung der Elektronen-Spin-Resonanz

8.1 Anwendungsmöglichkeiten der ESRSpektroskopie im Medizinischen Bereich

+)

R.E. Grillmaier Einleitung Die E l e k t r o n e n - S p i n r e s o n a n z s p e k t r o s k o p i e w u r d e v o r e t w a s m e h r a l s 20 J a h r e n von COMMONER et a l . (1) in den B e r e i c h d e r M e d i z i n e i n g e f ü h r t . In den d a r a u f f o l g e n d e n zwei J a h r z e h n t e n w u r d e n in z u n e h m e n d e m M a ß e die v e r s c h i e d e n s t e n m e n s c h l i c h e n und t i e r i s c h e n G e w e b e u n t e r s u c h t ,

in

d e n e n auf G r u n d h y p o t h e t i s c h e r Ü b e r l e g u n g e n o d e r d e r E r g e b n i s s e a n d e r e r Untersuchungen Substanzen mit ungepaarten Elektronen vermutet wurden. An d i e s e r S t e l l e w i r d v e r s u c h t , e i n e n Ü b e r b l i c k ü b e r die E n t w i c k l u n g und E r g e b n i s s e d e r U n t e r s u c h u n g e n zu geben, b e i denen die E S R - S p e k t r o s k o p i e auf P r o b l e m e a n g e w e n d e t w u r d e , die f ü r die k l i n i s c h e D i a g n o s t i k von Interesse sind. Die F o r s c h u n g s a r b e i t e n auf d i e s e m G e b i e t w u r d e n v o r a l l e m in e n g l i s c h e n , a m e r i k a n i s c h e n , r u s s i s c h e n und s p ä t e r auch in j a p a n i s c h e n L a b o r a t o r i e n durchgeführt. In D e u t s c h l a n d h a t S C H O F F A (2, 3) die Anwendung d e r E S R - S p e k t r o s k o p i e in d e r M e d i z i n p r o p a g i e r t . Im a l l g e m e i n e n w u r d e j e d o c h in d e r B u n d e s r e publik die A u s s i c h t , d u r c h die Anwendung d i e s e r T e c h n i k auf P r o b e n von s o k o m p l e x e r Z u s a m m e n s e t z u n g wie G e w e b e o d e r Z e l l e n d i a g n o s t i s c h v e r w e r t b a r e E r g e b n i s s e zu e r h a l t e n , g e r i n g e i n g e s c h ä t z t . Nachweisbare Substanzen Mit d e r E S R - S p e k t r o s k o p i e w e r d e n , wie s c h o n e r w ä h n t , A t o m e o d e r M o l e k ü l e n a c h g e w i e s e n , die u n g e p a a r t e E l e k t r o n e n b e s i t z e n und d a h e r p a r a m a g netisches Verhalten aufweisen. Zu den A t o m e n d i e s e r A r t g e h ö r e n in g e w i s s e n Z u s t ä n d e n die Ü b e r g a n g s e l e m e n t e E i s e n , K u p f e r , Mangan, Molybdän, Kobald und V a n a d i u m , +) H e r r n P r o f . D r . A. SCHRAUB z u m 65. G e b u r t s t a g g e w i d m e t

bei

396 d e n e n s i c h die u n g e p a a r t e n E l e k t r o n e n m e i s t auf d e r n i c h t v o l l s t ä n d i g a u f g e f ü l l t e n d - S c h a l e b e f i n d e n . D i e s e E l e m e n t e k o m m e n z. T. in o r g a n i s c h e n Proben als paramagnetische Spurenelemente vor. Die z w e i t e G r u p p e von S u b s t a n z e n m i t p a r a m a g n e t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n , die in d e r B i o l o g i e eine g r o ß e R o l l e s p i e l e n , b i l d e n die R a d i k a l e , t e r Moleküle m i t ungepaarten Elektronen v e r s t a n d e n werden.

worun-

Radikale

besitzen im allgemeinen wegen i h r e r großen Reaktionsfähigkeit nur eine k l e i n e m i t t l e r e L e b e n s d a u e r . D a n e b e n gibt e s a b e r a u c h " s t a b i l e "

Radika-

le mit entsprechend l ä n g e r e r Lebensdauer. A u ß e r den R a d i k a l e n , d i e h a t ü r l i c h e r w e i s e i m O r g a n i s m u s v o r k o m m e n bzw. als Zwischenprodukte biochemischer P r o z e s s e vorübergehend auftreten, können n o c h d u r c h E i n w i r k u n g von a u ß e n , z . B . d u r c h B e s t r a h l u n g ,

aus

körpereigenen Molekülen Radikale erzeugt werden. Schließlich können stabile Radikale a l s sog. SpinmarkierungsSubstanzen dem O r g a n i s m u s z u g e f ü h r t o d e r den zu u n t e r s u c h e n d e n G e w e b s - o d e r F l ü s s i g k e i t s p r o b e n z u g e s e t z t w e r d e n . Mit d i e s e n R a d i k a l e n h a t m a n s i c h in j ü n g s t e r Z e i t in z u n e h m e n d e m Maße i m H i n b l i c k auf die k l i n i s c h e V e r w e n d b a r keit beschäftigt. Methodik B e i den k o m p l e x z u s a m m e n g e s e t z t e n P r o b e n wie G e w e b e , P l a s m a o d e r Z e l l e n s i n d die e n t s c h e i d e n d e n G r ö ß e n , die a l s I n f o r m a t i o n i m E S R - S p e k t r u m e n t h a l t e n s i n d , die A n z a h l d e r L i n i e n , die L i n i e n h ö h e , die g - F a k t o r e n und e v e n t u e l l noch die L i n i e n b r e i t e . Die L i n i e n h ö h e i s t i . a . ein Maß f ü r die K o n z e n t r a t i o n d e r p a r a m a g n e t i s c h e n S u b s t a n z e n . Anhand d e s g F a k t o r s kann i . a . z w i s c h e n f r e i e n R a d i k a l e n und p a r a m a g n e t i s c h e n S p u r e n elementen unterschieden werden. B e i f r e i e n u n g e b u n d e n e n E l e k t r o n e n i s t d e r g - F a k t o r g l e i c h 2, 0023. Da bei R a d i k a l e n d a s u n g e p a a r t e E l e k t r o n n u r s e h r l o s e a n d a s Molekül g e b u n d e n i s t , l i e g t d e r g - F a k t o r n a h e bei d e m d e s f r e i e n E l e k t r o n s , u n d z w a r i . a . i m B e r e i c h von 2, 00 b i s 2, 08. Ü b e r g a n g s e l e m e n t e o d e r d e r e n Ionen m i t

397 p a r a m a g n e t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n h a b e n g - F a k t o r e n i m B e r e i c h von 1, 9 b i s 4, 0, m a n c h m a l a u c h noch g r ö ß e r e W e r t e . A u ß e r den v e r s c h i e d e n e n g - F a k t o r e n z e i g e n R a d i k a l e und p a r a m a g n e t i s c h e S p u r e n e l e m e n t e i . a . u n t e r s c h i e d l i c h e s S ä t t i g u n g s v e r h a l t e n , d a s d u r c h die V e r s c h i e d e n h e i t d e r S p i n g i t t e r r e l a x a t i o n s z e i t e n b e d i n g t w i r d . Im B e r e i c h d e r M i k r o w e l l e n l e i s t u n g , die z u r E r z e u g u n g von h i n r e i c h e n d g r o ß e n E S R S i g n a l e n d e r R a d i k a l e a u s r e i c h e n , l i e f e r n die S p u r e n e l e m e n t e w e g e n i h r e r g e r i n g e n K o n z e n t r a t i o n n u r v e r s c h w i n d e n d k l e i n e S i g n a l e . Dagegen l a s s e n u . U . M i k r o w e l l e n l e i s t u n g e n , b e i d e n e n die S p u r e n e l e m e n t e noch n i c h t g e s ä t t i g t e L i n i e n e r z e u g e n , die A m p l i t u d e n d e r R a d i k a l l i n i e n s c h o n w i e d e r m e ß b a r k l e i n e r w e r d e n . Im Z w e i f e l s f a l l k ö n n e n d a h e r z u r K l ä r u n g d e r F r a g e , ob die r e g i s t r i e r t e L i n i e von R a d i k a l e n o d e r p a r a m a g n e t i s c h e n S p u r e n e l e m e n t e n e r z e u g t w i r d , die E r g e b n i s s e d e r M e s s u n g e n b e i v e r s c h i e d e n e n M i k r o w e l l e n l e i s t u n g e n h e r a n g e z o g e n w e r d e n ( s . A b b . 1, (4)).

A b b i l d u n g 1: E S R - S p e k t r e n von L e b e r g e w e b e n (4): a) hohe M i k r o w e l l e n l e i s t u n g b) n i e d r i g e M i k r o w e l l e n l e i s t u n g . Ü b e r s i c h t ü b e r die b i s h e r i g e n E S R - U n t e r s u c h u n g e n von k l i n i s c h e m I n t e r e s se In d e r V e r g a n g e n h e i t w u r d e n v o r a l l e m E S R - U n t e r s u c h u n g e n i m Z u s a m m e n h a n g m i t K a r z i n o m e n und d e r K a r z i n o g e n e s e d u r c h g e f ü h r t . Daneben e x i s t i e r e n e i n i g e V e r ö f f e n t l i c h u n g e n ü b e r E S R - M e s s u n g e n bei G e l b s u c h t ,

Koronar-

g e f ä ß e r k r a n k u n g e n und I n f e k t i o n s k r a n k h e i t e n . A u ß e r d e m w u r d e n m e h r e r e U n t e r s u c h u n g e n d e r d u r c h B e s t r a h l u n g im G e w e b e e r z e u g t e n R a d i k a l e , u n d U n t e r s u c h u n g e n d e s E n z y m - und D r o g e n s p i e g e l s m i t Hilfe von S p i n m a r k i e r u n g s s u b s t a n z e n d u r c h g e f ü h r t . Auf die w e n i g e n U n t e r s u c h u n g e n , die s i c h

398 mit der Lebensfähigkeit von Geweben, den Alterungsprozessen des Organismus und dem Auftreten von Radikalen in Nerven beschäftigen, wird in den folgenden Ausführungen nicht eingegangen. Interessenten werden auf die A r b e i t von S W A R T Z et al. (5) verwiesen. ESR-Untersuchungen an Karzinomen Ausgereifte Karzinome:

Bei den Untersuchungen, die sowohl an spontanen

menschlichen, als auch an experimentellen tierischen Tumoren durchgeführt wurden, beobachtete man mit unterschiedlichem E r f o l g und unterschiedlicher Häufigkeit, daß zwischen normalem und kanzerogenem Gewebe Unterschiede im Gehalt an Radikalen und paramagnetischen Spurenelementen, als auch Verschiebungen der W e r t e des g - F a k t o r s und Veränderungen der Linienbreite auftreten. Außerdem wird in einigen Publikationen über das Auftreten von besonderen charakteristischen Linien berichtet. Es muß allerdings, wie schon angedeutet, hinzugefügt werden, daß nicht alle Untersuchungsergebnisse einheitlich sind und einige Beobachtungen bei Wiederholungsmessungen durch andere Autoren nicht bestätigt werden konnten. Die überwiegende Mehrzahl der Untersuchungen hat überraschenderweise ergeben, daß der Gehalt an Radikalen in neoplastischen Geweben niedriger ist als in gesundem ( T R U B Y und G O L D Z E I H E R (6), K O L O M I I T SEVA et al. (7), COMMONER und T E R N B E R G (8), N E B E R T und MASON (9), M A L L A R D und K E N T (10, 11), V I T H A Y A T H I L L et al.(12), et al. (12-18), SENTJURC e t a l . ( 1 9 ) ,

DRISCOLL et al. (20), DUCHESNE

und V A N de VORST (21), S W A R T Z (22), S W A R T Z et al. (23), (24 ), K O T R I K A D Z E et al.

SAPRIN

EMANUEL

(25)). In einigen wenigen Fällen wurde a l l e r -

dings auch berichtet, daß der Radikalgehalt nicht v e r r i n g e r t ist ( S W A R T Z (22)), oder in gewissen Tumoren sogar angestiegen ist ( P A V L O V A und LIVENSON (26), M U L A Y und M U L A Y (27)). Es muß allerdings darauf hingewiesen werden, daß die Proben unterschiedlich präpariert wurden. In den meisten Fällen wurden die Gewebe vor der Messung gefriergetrocknet und nur zum T e i l im nativen Zustand bei Z i m mertemperatur oder bei 77° K gemessen.

399 In v i e l e n F ä l l e n w i r d b e r i c h t e t , daß n e o p l a s t i s c h e s G e w e b e s i c h v o m n o r m a l e n G e w e b e in d e r Z a h l und A r t d e r L i n i e n u n t e r Round C«ll Tumor C1300 Gain 200

scheidet, deren g-Faktor e n und S ä t t i g u n g s v e r h a l t e n auf

paramagnetische

Spurenelemente hinweisen. Z u d e m w u r d e n in v e r s c h i e denen T u m o r e n Linien m i t verschiedenen g-Faktoren g e f u n d e n ( N E B E R T und MASON (9), MULAY und MULAY (27),

EMANUEL

et a l . (28)). Normal Cordioc Muscle Whol« Tissue Gain 100 2.50 *

2.40 2.30 g volue

2.20

2.10

2.00

1.90

A b b i l d u n g 2: E S R - S p e k t r e n v e r s c h i e d e n e r T u m o r g e w e b e ( N E B E R T und MASON (9)). Von e i n i g e n A u t o r e n (BRENNAN et al. (29), DRISCOLL et a l . (20)) w u r d e a n g e g e b e n , daß s i e in l y o p h i l i s i e r t e n P r o b e n U n t e r s c h i e d e z w i s c h e n n o r m a l e n und n e o p l a s t i s c h e n G e w e b e n in F o r m von V e r s c h i e b u n g e n d e r L i n i e i m B e r e i c h d e r . f r e i e n R a d i k a l e (bei g = 2, 0023), b e o b a c h t e t h a b e n . W A L L A C E et a l . (30, 31) und DRISCOLL und F A R R E L L (32) g l a u b e n a u s d e r V e r s c h i e b u n g d e s g - F a k t o r s , die in den l y o p h i l i s i e r t e n P r o b e n von L u n g e n krebsgeweben g e m e s s e n wurde, einen Wahrscheinlichkeitswert dafür angeben zu können, ob d a s G e w e b e k a n z e r o g e n i s t o d e r n i c h t . W A L L A C E et al. (31) s o w i e DRISCOLL "und F A R R E L L (32) g e b e n an, daß die B r e i t e d e r L i n i e n , die im G e w e b e von O s t e o s a r k o m e n r e g i s t r i e r t w u r den, g e g e n ü b e r d e r i m n o r m a l e n G e w e b e v e r ä n d e r t i s t . Die B e s t i m m u n g d e r L i n i e n b r e i t e und d e r g - F a k t o r e n i s t j e d o c h w e g e n d e s g e r i n g e n A u f -

400

PROBABILITY OF CANCER AS A FUNCTION OF C VALUE

100

80

_

60

20

_

2.004

2.005

2.006

2.007

2.008

2.009

2.01

G Foctor

Abbildung 3: K r e b s w a h r s c h e i n l i c h k e i t für Lungengewebe als Funktion des g - W e r t e s ( W A L L A C E et al.

(31)).

l ö s u n g s v e r m ö g e n s infolge d e r großen B r e i t e d e r Linien nur m i t b e s c h r ä n k t e r Genauigkeit m ö g l i c h . E s e r s c h e i n t daher unwahrscheinlich,

daß V e r -

änderungen der genannten Größen in dem r e l a t i v geringen Umfang, der in diesen F ä l l e n beobachtet wurde, als e x p e r i m e n t e l l g e s i c h e r t angesehen werden können. Die m e i s t e n Autoren m a c h e n keine Angaben über V e r schiebungen d e r L i n i e n b r e i t e . Schließlich glauben BRENNAN et a l . (29) noch einen weiteren, s e h r c h a r a k t e r i s t i s c h e n U n t e r s c h i e d zwischen n o r m a l e n und kanzerogenen Geweben, nämlich das A u f t r e ten eines " T r i p l e t s " von Linien im neoplastischen Gewebe, gefunden zu h a ben. Über ein ähnliches " T r i p l e t " wurde auch von anderen Autoren Abbildung 4 : E S R - S p e k t r u m von N e u r o b l a s t o m Gewebe (BRENNAN et al. (29)).

( E M A N U E L et a l . ( 2 8 ) ,

40 V A N I N et al. (33); S A P R I N et al. (18); E M A N U E L (24)) berichtet.

\ tu t

1.91 2.007 2.07 1.93 2.03

f

2.25

l

2.42

Abbildung 5: ESR-Spektren von normalem Gewebe (ausgezogene L i n i e ) und kanzerogenem Gewebe (gestrichelte L i n i e ) ( E M A N U E L (24)). M A R U Y A M A et al. (34) konnten dieses Signal weitgehend analysieren. Sie fanden dabei heraus, daß es zwar in A s c i t e s - T u m o r z e l l e n häufig aber nicht i m m e r auftrat und sie stellten v o r allem fest, daß es auch in normalen, nicht kanzerogenen Geweben

hervorgerufen werden kann. F O R S T E R

und HUTCHISON (35) zeigten, daß solche " T r i p l e t s " auch durch Zusatz von Nitraten zum Trinkwasser im Gewebe der Kaninchenleber h e r v o r g e r u fen werden können. Karzinogenese: Von Gewebsuntersuchungen in der frühen Phase der T u m o r entstehung, in der noch keine histologischen oder anderen Veränderungen festgestellt werden können, erhoffte man Ergebnisse, die bei der F r ü h e r kennung des Krebses klinisch v e r w e r t b a r sein könnten. Die ersten Ergebnisse solcher Untersuchungen waren zunächst ermutigend.

VITHAYATHILL

et al. (12) beobachteten das vorübergehende Auftreten einer Linie (bei g 2, 0035) im Lebergewebe von Ratten während der präkanzerogenen Phase, die durch verschiedene kanzerogene Stoffe im Futter ausgelöst wurde (Abb. 6).

Diese Linie verschwand wieder bei zunehmendem Wachstum der

Tumore. Später zeigten dann W O O L U M und COMMONER (36) und COMMONER et al. (37), daß die Intensität dieser Signale in den Organproben

402 Days On Diet

Butter Yellow

Control

der T i e r e nicht nur v o m G e , u , - t u halt der ursprünglich v e r wendeten karzinogenen Substanz, sondern auch vom

14

Gehalt an Proteinen, N i t r i ten und Nitraten abhängig

21

ist. Das Radikal wurde als F e - N O - K o m p l e x identifi-

35

ziert. 49 In e i n e r der neuesten Un63

^/n—.—.

tersuchungen an chemisch

• *g=2.005 g=2?035

l „ a=2 -°° 5

50 G

induzierten K a r z i n o m e n w i r d von einem deutlichen A n s t i e g des Gehalts p a r a magnetischer Substanzen,

Abbildung 6: ESR-Spektren von p r ä k a n z e r ö s e nem Gewebe (linke Seite) und n o r m a l e m Gewebe (rechte Seite).

die alg

n e t i s c h e

Eisenionen i d e n t i f i z i e r t wur-

den, in der präkanzerogenen Phase berichtet ( F L O Y D et a l . ( 3 8 ) ) .

Andere

Autoren geben a n , daß in l y o p h i l i s i e r t e n P r o b e n von Tumorgeweben

die

Konzentration der f r e i e n Radikale in der frühen Phase der K a r z i n o g e n e s e noch v o r dem A u f t r e t e n von Gewebsveränderungen zunächst ansteigt und dann m i t zunehmender Reifung des T u m o r s w i e d e r bis unter die W e r t e von n o r m a l e m Gewebe abnimmt ( S A P R I N et al. (13-17) S.Abbildung 7; D R I S C O L L et a l . (20); E M A N U E L (24); K O T R I K A D Z E et al. (25);

WAL-

L A C E et al. (31); P E T Y A Y E V et al. (39)). Eine der Gruppe von W i s s e n s c h a f t l e r n ( P E T Y A Y E V et a l . (40)) glaubt schließlich, einen w e l l e n f ö r m i g e n V e r l a u f der Radikalkonzentration in l y o p h i l i s i e r t e n P r o b e n von T u m o r g e w e b e n gefunden zu haben. S W A R T Z et al.

(23) konnten diesen V e r l a u f , d.h. einen A n s t i e g zu einem

m a x i m a l e n W e r t verbunden mit einem anschließenden A b f a l l auf W e r t e unter die des N o r m a l g e w e b e s ,

nicht bestätigen. Bei Untersuchungen von

4-03

Abbildung 7: Zeitlicher Verlauf der Radikalkonzentration (Kurve 1) und des Milzgewichts (Kurve 2) nach Beginn der Tumorinduktion. G e s t r i c h e l t e Zone: Radikalkonzentration in normalem Gewebe.

0 1

2

3

t,

4

5

6

7

8

days

nicht lyophilisierten Organ- und Blutproben von Mäusen mit transplantierten A K R / J - L e u k ä m i e z e l l e n stellten s i e zunächst fest, daß nur im Blut und in den Organen, die in die Leukämieentstehung einbezogen sind ( L e b e r und Milz), Veränderungen des Gehalts an Substanzen mit ungepaarten E l e k t r o nen auftreten (Abb. 8). WHOLE

MOUSE

BLOOD

Abbildung 8: Zeitlicher Verlauf der Konzentration paramagnetischer Spurenelemente im Blut von Mäusen nach Injektion von AKR/J-Leukämiezellen (nach SWARTZ et al. (23)).

**

20 16 5

12 0

2

EXPER)MENTAL

4

6

8

10

DAY AFTER RECEIVINC LEUKEMIA CELLS

12

!Os

14

AKR/J

Im Blut konnte jedoch kein Anstieg des Gehalts an freien Radikalen f e s t gestellt werden. Die Menge an paramagnetischen Übergangselementen nahm jedoch zu,b