DE102019125407A1

DE102019125407A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren von Gehirngewebearealen, die mit einer Gehirnfunktion verbunden sind

Info

Publication number: DE102019125407A1
Application number: DE102019125407.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hauger; Gerald Panitz; Roland Guckler
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-03-25
Also published as: US20210085182A1; US11744466B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen (15) in einem Gehirnoperationsfeld (17) zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Stimulationsvorrichtung (1) und eine Lokalisierungseinheit (3, 7) mit einer Kamera (3), wobei- die Stimulationsvorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, eine Anzahl an Stimulationszyklen durchzuführen, wobei die Stimulationszyklen jeweils eine Stimulationsphase, während der die Gehirnfunktion stimuliert wird, und eine Ruhephase, während der keine Stimulation der Gehirnfunktion erfolgt, umfassen, und- die Lokalisierungseinheit (3, 7) dazu ausgestaltet ist mit Hilfe der Kamera (3), je Stimulationszyklus jeweils wenigstens ein Stimulationsbild mit der stimulierten Gehirnfunktion und wenigstens ein Referenzbild ohne die stimulierte Gehirnfunktion aufzunehmen und anhand der aufgenommenen Stimulations- und Referenzbilder diejenigen Gehirngewebeareale (15) zu lokalisieren, die mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden sind. Die Stimulationsvorrichtung (1) ist dazu ausgestaltet, ein Feedbacksignal, aus dem zumindest ersichtlich ist, wann ein Stimulationszyklus beginnt, an die Lokalisierungseinheit (3, 7) auszugeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren von Gehirngewebearealen, die mit einer Gehirnfunktion verbunden sind. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Bei der Resektion von Gehirntumoren steht der Chirurg vor der Herausforderung, den Tumor möglichst vollständig zu entfernen und dabei möglichst wenig gesundes Gewebe zu beschädigen. Insbesondere sollen Gehirnareale von besonderer Bedeutung geschont werden, beispielsweise der für das Sehen zuständige visuelle Cortex oder der für den Tastsinn zuständigen sensorische Cortex.
Durch Methoden wie beispielsweise der funktionellen Magnet-Resonanz-Tomographie können die Lage des Tumors und von funktionalen Gehirngewebearealen präoperativ ermittelt werden. Dies ermöglicht es, präoperativ die zu schonenden Gehirngewebeareale zu ermitteln und eine möglichst schonende Resektion des Gehirntumors vorzubereiten. Beim Öffnen des Schädels (Trepanation) kann es jedoch zu Verschiebungen des Gehirngewebes, dem sogenannten Brainshift kommen, weswegen es notwendig ist, die Lage der funktionalen Gehirngewebeareale innerhalb des freigelegten Gehirngewebes zu verifizieren. Eine derartige Verifikation kann mittels einer intraoperativen Kartierung der funktionalen Gehirngewebeareale (sogenanntes Brainmapping) erfolgen. Die Kartierung kann dabei beispielsweise auf der Messung elektrischer Signale auf der Oberfläche des Gehirngewebes, die zum Beispiel durch periphere Stimulation an den Extremitäten ausgelöst werden, erfolgen.
Als kontaktlose Alternative zum Kartierung mittels elektrischer Signale existiert das sogenannte Intra-Operativ-Optical Imaging (IOI), also das intraoperative optische Abbilden, bei dem die Änderung der Perfusion, d. h. der Durchblutung, oder die Änderung des Sauerstoffgehaltes im Blut in beim Wechsel zwischen Stimulation und Nichtstimulation bestimmter Gehirnfunktionen ermittelt wird. Die Perfusion und/oder der Sauerstoffgehalt des Blutes kann bzw. können dabei über eine Änderung der spektralen Eigenschaften des Reflektionsbildes des Gehirngewebes im Bereich der Trepanation gemessen werden. Verfahren zum interoperativen optischen Abbilden sind beispielsweise in M. Oelschlägel et al. „Intraoperative identification of somato-sensory brain areas using optical imaging and standard RGB camera equipment - a feasibility study‟, Current Directions in Biomedical Engineering 2015; 1: 265-269, in K. Sato „intraoperative intrinsic optical imaging of human somatosensory cortex during neurosurgical operations" in Neurophotonix 4 (3), 031205 (Juli bis September 2017) sowie in S.B. Sobottka „Intraoperative optical imaging of intrinsic signals: a reliable method for visualizing stimulated functional brain areas during surgery" in J. Neurosurg. 119 (2013), Seiten 853 bis 863 beschrieben.
Vorrichtungen zum intraoperativen optischen Abbilden werden auch in Operationsmikroskope integriert. Derartige Operationsmikroskope sind beispielsweise in DE 2008 040 807 A1 , US 5,215,095 A1 , US 9,095,255 B2 , US 9,801,549 B2 und US 2009/0234236 A1 beschrieben. Dabei macht man sich zu Nutze, dass Operationsmikroskope in der Regel ohnehin über eine Kamera zur Dokumentation des Operationsverlaufes verfügen, die auch zur Aufnahme des Signals für die intraoperative optische Abbilden genutzt werden kann. Auf der Basis der mit dem intraoperativen optischen Abbilden gewonnenen Daten wird dann eine sogenannte „activity map“ erstellt, d.h. eine Karte von dem freigelegten Gehirngewebe, in der mit einer stimulierten Gehirnfunktion verbundene Gehirngewebeareale angezeigt sind.
Für das Erstellen der Karte werden dabei während eines Aufnahmezeitraums Bilder des Gehirnoperationsfeldes aufgenommen, wobei sich während des Aufnahmezeitraums Phasen, in denen eine bestimmte Gehirnfunktion stimuliert wird, mit Phasen ohne Stimulation abwechseln. In dem in M. Oelschlägel et al. „Intraoperative identification of somato-sensory brain areas using optical imaging and standard RGB camera equipment - a feasibility study‟, Current Directions in Biomedical Engineering 2015; 1: 265-269 beschribenen Verfahren erfolgt das intraoperative optische Abbilden beispielsweise über einen Zeitraum von 9 Minuten wobei sich 30-sekündige Stimulationsphasen mit 30-sekündigen Ruhephasen, d.h. Phasen ohne Stimulation, abwechseln. Das Messsignal, aus dem schließlich die Karte erstellt wird, ergibt sich dabei aus der unterschiedlichen Durchblutung des Gehirngewebeareals während der Stimulation und während der Ruhephasen und/oder aus dem unterschiedlichen Sauerstoffgehalt des Blutes während der Stimulationsphasen und der Ruhephasen.
Gegenüber der Kartierung mittels elektrischer Signale, bei der Elektroden auf die Oberfläche des Gehirngewebes aufgebracht werden, bietet das intraoperative optische Abbilden den Vorteil, dass das Gehirngewebe bei der Messung nicht berührt werden muss. Andererseits ist es jedoch nicht einfach, eine Änderung der Perfusion oder eine Änderung des Sauerstoffgehaltes des Blutes mittels optischer Messung (und ohne Fluoreszenz) nachzuweisen, da die aufzunehmenden Signale schwach sind. Aus diesem Grund erfolgt die Messung mit Hilfe der intraoperativen Abbildung über einen relativ langen Zeitraum, beispielsweise über die schon erwähnten 9 Minuten mit sich abwechselnden 30-sekündigen Stimulationsphasen und 30-sekündigen Ruhephasen.
Während einer Gehirnoperation steht der behandelnde Chirurg unter hohem Zeitdruck, da der für den Patienten kritische Eingriff möglichst rasch durchgeführt werden soll. Gleichzeitig hat der Chirurg hoch komplexe Abläufe zu bewerkstelligen.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lokalisieren von Gehirngewebearealen, die mit einer Gehirnfunktion verbunden sind, zur Verfügung zu stellen, die den Chirurgen bei der Durchführung des Verfahrens entlasten und gleichzeitig eine hohe Qualität der Lokalisierung von Gehirngewebearealen, die mit einer Gehirnfunktion verbunden sind, ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen in einem Gehirnoperationsfeld wird mittels einer Stimulationsvorrichtung eine Anzahl an Stimulationszyklen durchgeführt, wobei die Stimulationszyklen jeweils eine Stimulationsphase, während der die Gehirnfunktion stimuliert wird, und eine Ruhephase, während der keine Stimulation der Gehirnfunktion erfolgt, umfassen. Die Anzahl an Stimulationszyklen beinhaltet dabei mindestens einen Stimulationszyklus, typischerweise aber eine Mehrzahl an Stimulationszyklen. Mittels einer eine Kamera umfassenden Lokalisierungseinheit werden während der Stimulationszyklen mit Hilfe der Kamera je Stimulationszyklus jeweils wenigstens ein Stimulationsbild mit der stimulierten Gehirnfunktion und wenigstens ein Referenzbild ohne die stimulierte Gehirnfunktion aufgenommen. Anhand der aufgenommenen Stimulations- und Referenzbilder werden dann diejenigen Gehirngewebeareale lokalisiert, die mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden sind. Im erfindungsgemäßen Verfahren gibt die Stimulationsvorrichtung ein Feedbacksignal an die Lokalisierungseinheit aus, aus dem der Beginn der Stimulationszyklen ableitbar ist.
Das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Stimulationsvorrichtung an die Lokalisierungseinheit ausgegebene Feedbacksignal ermöglicht es, die Aufnahme Stimulationsbilder und der Referenzbilder mit den Stimulationszyklen zu synchronisieren. Dadurch kann die Qualität der Lokalisierung des Gehirngewebearealen, die mit einer Gehirnfunktion verbunden sind, erhöht werden, was dazu führt, dass im Vergleich zu den Verfahren aus dem Stand der Technik bereits nach einer kürzeren Dauer des intraoperativen optischen Abbildungsvorgangs ein hinreichendes Lokalisierungsergebnis erzielt werden kann, so dass die zum intraoperativen optischen Abbilden benötigte Zeit reduziert wird, was wiederum die Operationsdauer bei einer Gehirnoperation verkürzen hilft. Daneben entlastet das Ausgeben des Feedbacksignals auch das Personal im Operationssaal, das sich nicht mehr um die Synchronisierung der Stimulation mit der Aufnahme der Stimulationsbilder und der Referenzbilder zu kümmern braucht.
In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhalten die Lokalisierungseinheit und die Stimulationsvorrichtung jeweils eine Uhr. Das Feedbacksignal umfasst dann ein Synchronisationssignal, mit dem die Uhr der Lokalisierungseinheit mit der Uhr der Stimulationsvorrichtung synchronisiert wird, sowie ein die Dauer der Stimulationszyklen und den Startzeitpunkt des ersten Stimulationszyklus anzeigendes Signal. Anhand des Feedbacksignals kann die Lokalisierungseinheit dann die exakten Anfangs- und Endzeitpunkte eines jeden Stimulationszyklus aus dem Anfangszeitpunkt und der Dauer der Stimulationszyklen ermitteln. Auf diese Weise lassen sich die aufgenommenen Bilder exakt einer Stimulationsphase oder einer Ruhephase zuordnen. Beispielsweise können die Bilder mit Zeitstempeln versehen werden, mit deren Hilfe ihre Zuordnung zu einer bestimmten Stimulationsphase oder einer bestimmten Ruhephase, deren zeitliche Anordnung der Lokalisierungseinheit aufgrund des Feedbacksignals bekannt ist, von der Lokalisierungseinheit vorgenommen werden kann. Da eine falsche Zuordnung die Qualität der Lokalisierung von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen herabsetzen würde, kann durch das Feedbacksignal eine hohe Qualität der Lokalisierung sichergestellt werden. Die Synchronisation der Uhren kann ggf. in bestimmten Zeitabständen durch erneutes Senden eines Synchronisationssignals von der Stimulationsvorrichtung an die Lokalisierungseinheit wiederholt werden, um einen etwaigen Drift auszugleichen.
Das Feedbacksignal kann in dieser Ausgestaltung des Verfahrens auch die Anzahl an Stimulationszyklen angeben, so dass auch der Zeitpunkt des Endes des Messprozesses ermittelt werden kann. Alternativ kann die Stimulationsvorrichtung auch ein das Ende der Stimulationszyklen signalisierendes Signal an die Lokalisierungseinheit ausgeben. Falls die Dauer der Stimulationsphasen und der Ruhephasen innerhalb der Stimulationszyklen variiert, kann das Feedbacksignal zudem ein Signal enthalten, aus dem sich die Zeitpunkte der Übergänge zwischen Stimulationsphasen und Ruhephasen ergeben.
In einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem Feedbacksignal Startsignale und Stoppsignale enthalten, wobei jedes Startsignal den Start einer Stimulationsphase und jedes Stoppsignal das Ende einer Stimulationsphase anzeigt. Da zwischen den Stimulationsphasen Ruhephasen vorliegen, ergibt sich aus den Start- und Stoppsignalen auch, wann die Ruhephasen starten und enden. Alternativ kann jedes Startsignal auch den Start einer Ruhephase und jedes Stoppsignal das Ende einer Ruhephase anzeigen. Da zwischen den Ruhephasen Stimulationsphasen vorliegen, ergibt sich in diesem Fall aus den Start- und Stoppsignalen auch, wann die Stimulationsphasen starten und enden. Auch in der zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die aufgenommenen Bilder exakt einer Stimulationsphase oder einer Ruhephase zugeordnet werden. Das Synchronisieren von Uhren ist dabei nicht nötig, so dass auch Stimulationsvorrichtungen und/oder Lokalisierungseinheiten ohne Uhren Verwendung finden können. Außerdem ist die Zeichenfolge des Feedbacksignals einfacher als in der ersten Ausgestaltung. Da die Stimulationszyklen außer den Stimulationsphasen und den Ruhephasen keine weiteren Phasen beinhalten, ergibt sich aus den Start- und Stoppsignalen auch wann ein neuer Stimulationszyklus beginnt
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Lokalisierungseinheit nach dem Ende eines Stimulationszyklus das wenigstens eine Stimulationsbild und das wenigstens ein Referenzbild auf Störungen untersuchen. Um zu vermeiden, dass schlechte Daten die Lokalisierung negativ beeinflussen, werden das wenigstens eine untersuchte Stimulationsbild sowie das wenigstens eine untersuchte Referenzbild nicht zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden Gehirngewebeareale herangezogen, wenn die Untersuchung ergibt, dass die Störungen ein vorgegebenes Maß überschreiten. Während der Untersuchung des wenigstens einen Stimulationsbildes und des wenigstens ein Referenzbildes auf Störungen können die Stimulationszyklen und das Aufnehmen von Stimulationsbildern und Referenzbildern fortgeführt werden, um Unterbrechungen des Lokalisierungsvorgangs zu vermeiden. Wenn eine Verminderung der der Anzahl der für die Lokalisierung brauchbaren Stimulationszyklen vermieden werden soll, kann für jeden Stimulationszyklus, für den die Untersuchung ergibt, dass die Störungen das vorgegebene Maß überschreiten, ein zusätzlicher Stimulationszyklus durchgeführt wird. Dieser kann nach dem Ende des letzten regulären Stimulationszyklus durchgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen in einem Gehirnoperationsfeld zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Stimulationsvorrichtung und eine Lokalisierungseinheit mit einer Kamera. Die Stimulationsvorrichtung ist dazu ausgestaltet, eine Anzahl an Stimulationszyklen durchzuführen, wobei die Stimulationszyklen jeweils eine Stimulationsphase, während der die Gehirnfunktion stimuliert wird, und eine Ruhephase, während der keine Stimulation der Gehirnfunktion erfolgt, umfassen. Die Anzahl an Stimulationszyklen beinhaltet dabei mindestens einen Stimulationszyklus, typischerweise aber eine Mehrzahl an Stimulationszyklen. Die Lokalisierungseinheit ist dazu ausgestaltet, mit Hilfe der Kamera je Stimulationszyklus jeweils wenigstens ein Stimulationsbild mit der stimulierten Gehirnfunktion und wenigstens ein Referenzbild ohne die stimulierte Gehirnfunktion aufzunehmen und anhand der aufgenommenen Stimulations- und Referenzbilder diejenigen Gehirngewebeareale zu lokalisieren, die mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden sind. Die Stimulationsvorrichtung ist außerdem dazu ausgestaltet, ein Feedbacksignal, aus dem der Beginn der Stimulationszyklen ableitbar ist, an die Lokalisierungseinheit auszugeben.
Das von der Stimulationsvorrichtung an die Lokalisierungseinheit ausgegebene Feedbacksignal ermöglicht eine Synchronisation der Aufnahme der Stimulationsbilder und der Referenzbilder mit den Stimulationszyklen, was das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung auch das Realisieren der mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben Eigenschaften sowie das Erreichen der mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile. Diesbezüglich wird daher auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seinen Weiterbildungen verwiesen.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhalten die Lokalisierungseinheit und die Stimulationsvorrichtung jeweils eine Uhr. Das Feedbacksignal umfasst dann ein Synchronisationssignal, mit dem die Uhr der Lokalisierungseinheit mit der Uhr der Stimulationsvorrichtung synchronisiert wird, sowie ein die Dauer der Stimulationszyklen und der Startzeitpunkt des ersten Stimulationszyklen anzeigendes Signal. In dem in dem Feedbacksignal kann zudem die Anzahl an Stimulationszyklen angegeben sein. Alternativ kann die Stimulationsvorrichtung auch dazu ausgebildet sein, ein das Ende der Stimulationszyklen signalisierendes Signal an die Lokalisierungseinheit auszugeben. Falls die Dauer der Stimulationsphasen und der Ruhephasen innerhalb der Stimulationszyklen variiert, kann das Feedbacksignal zudem ein Signal enthalten, aus dem sich die Zeitpunkte der Übergänge zwischen Stimulationsphasen und Ruhephasen ergeben.
In einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in dem in dem Feedbacksignal Startsignale und Stoppsignale enthalten, wobei jedes Startsignal den Start einer Stimulationsphase und jedes Stoppsignal das Ende einer Stimulationsphase anzeigt oder jedes Startsignal den Start einer Ruhephase und jedes Stoppsignal das Ende einer Ruhephase anzeigt.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Lokalisierungseinheit dazu ausgestaltet sein, nach dem Ende eines Stimulationszyklus das wenigstens eine Stimulationsbild und das wenigstens ein Referenzbild auf Störungen zu untersuchen und das wenigstens eine Stimulationsbild sowie das wenigstens ein Referenzbild des Stimulationszyklus nicht zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden Gehirngewebeareale heranzuziehen, wenn die Untersuchung ergibt, dass die Störungen ein vorgegebenes Maß überschreiten. Zudem können die Lokalisierungseinheit und die Stimulationsvorrichtung dazu ausgestaltet sein, während der Untersuchung des wenigstens einen Stimulationsbildes und des wenigstens einen Referenzbildes auf Störungen die Stimulationszyklen und das Aufnehmen von Stimulationsbildern und Referenzbildern fortzuführen. Für jeden Stimulationszyklus, für den die Untersuchung ergibt, dass die Störungen das vorgegebene Maß überschreiten, kann die Lokalisierungseinheit das Durchführen eines zusätzlichen Stimulationszyklus durch die Stimulationsvorrichtung zu veranlassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Lokalisierungseinheit in ein Operationsmikroskop integriert sein.
Mit den beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Durchführung der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Die mit Bezug auf die Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich daher mit den beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren.
Weitere mögliche Merkmale sowie Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

1 zeigt eine Vorrichtung zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen.
2 zeigt den Aufbau eines Operationsmikroskops in einer schematisierten Darstellung.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Operationsmikroskops.

Exemplarische Ausführungsbeispiele für die beanspruchte Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 beschrieben. Dabei zeigt 1 ein exemplarisches Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen. Die 2 und 3 zeigen Beispiele für den Aufbau von Operationsmikroskopen, wie sie im Rahmen der in 1 gezeigten Vorrichtung Verwendung finden können.
In dem in 1 gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen umfasst diese eine Stimulationsvorrichtung in Form eines Nervenstimulators 1, eine Kamera 3, eine Anzeigevorrichtung in Form eines Monitors 5 und eine Auswertevorrichtung 7, die mit dem Nervenstimulator 1, der Kamera 3 und dem Monitor 5 zur Signalübertragung verbunden ist. Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel bildet die Auswertevorrichtung 7 zusammen mit der Kamera 3 eine Lokalisierungseinheit 13, die auf der Basis von mit dem Nervenstimulator 1 ausgeführten Stimulationszyklen die mit der jeweils stimulierten Gehirnfunktion oder den jeweils stimulierten Gehirnfunktionen verbundenen Gehirngewebeareale im Gehirnoperationsfeld 17 lokalisiert. Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird eine Mehrzahl solcher Stimulationszyklen durchgeführt.
Der Nervenstimulator 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum elektrischen Stimulieren von Nerven ausgebildet. Hierzu umfasst er eine Anzahl Elektroden 9, mit deren Hilfe Nerven des peripheren Nervensystems wie beispielsweise der Nervus medianus (Mittelarmnerv), der für die motorische Steuerung der Unterarmmuskeln und einiger Fingermuskeln sowie für die sensible Innervation der Handfläche und des Daumens bis zur Innenseite des Ringfingers zuständig ist, oder der Nervus trigeminus, der für die sensible Wahrnehmung im Gesicht sowie für die Motorik vom Gesicht, Mundhöhle und Kaumuskeln zuständig ist, elektrisch stimuliert werden können.
Die Kamera 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Teil eines Operationsmikroskops 11. Operationsmikroskope beinhalten in der Regel zu Dokumentationszwecken eine Kamera, die zum Aufnehmen von Stimulationsbildern und Referenzbildern während eines intraoperativen optischen Abbildungsvorgangs herangezogen werden kann. Die Kamera 3 weist einen elektronischen Bildsensor auf und wird von der Auswertevorrichtung 7 gesteuert. Zudem werden mit einem elektronischen Kamerachip der Kamera 3 aufgenommene digitale Bilder an die Auswertevorrichtung 7 ausgegeben.
Die Auswertevorrichtung 7 ist in 1 als in das Operationsmikroskop 11 integriert dargestellt. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass die Auswertevorrichtung 7 nicht notwendigerweise in das Operationsmikroskop 11 integriert zu sein braucht. Insbesondere kann die Auswertevorrichtung 7 auch als von dem Operationsmikroskop 11 unabhängige Einheit ausgestaltet sein. Gleiches gilt für die Kamera 3 der Lokalisierungseinheit. Falls die Auswertevorrichtung 7 eine selbständige Einheit ist, kann sie beispielsweise von einem handelsüblichen PC gebildet sein, auf dem ein geeignetes Computerprogramm läuft.
Die Auswertevorrichtung 7 ist außer zum Steuern der Kamera 3 auch dazu zuständig, anhand mit Hilfe der Kamera 3 aufgenommenen Stimulationsbilder und Referenzbilder die mit der jeweils stimulierten Gehirnfunktion oder den jeweils stimulierten Gehirnfunktionen verbundenen Gehirngewebeareale im Gehirnoperationsfeld 17 zu lokalisieren. Die lokalisierten Gehirngewebeareale können dann in Form einer Karte des Gehirnoperationsfeldes 17, in der die mit der jeweils stimulierten Gehirnfunktion oder den jeweils stimulierten Gehirnfunktionen verbundenen Gehirngewebeareale 15 markiert sind, von der Auswertevorrichtung 7 auf dem Monitor 5 dargestellt werden. 1 zeigt stark schematisiert eine auf dem Monitor 5 dargestellte Karte 13, in der ein mit einer stimulierten Gehirnfunktion verbundenes Gehirngewebeareal 15 markiert ist. Die Markierung, die in 1 durch eine Schraffur dargestellt ist, kann beispielsweise durch Einfärbung des mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareals, durch Umrandung des mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareals, durch Reduzieren der Farbsättigung von außerhalb des mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareals gelegenen Gehirngewebearealen, etc. erfolgen. Falls in der Karte 13 verschiedene Gehirngewebeareale, die mit unterschiedlichen stimulierten Gehirnfunktionen in Verbindung stehen, markiert werden soll, kann dies beispielsweise durch unterschiedliche Einfärbung geschehen. Grundsätzlich ist es möglich, statt einer farblichen Unterscheidung von Gehirngewebearealen, die unterschiedlichen Gehirnfunktionen zugeordnet sind, die unterschiedlichen Gehirngewebeareale in anderer Weise unterscheidbar zu kennzeichnen, beispielsweise indem ein Gehirngewebeareal, welches mit einer ersten Gehirnfunktion in Verbindung steht, eingefärbt wird und ein zweites Gehirngewebeareal, das mit einer zweiten Gehirnfunktion in Verbindung steht, umrandet wird. Falls es auf die Unterscheidung zwischen den Gehirnfunktionen nicht ankommt, sondern lediglich darauf, ob ein bestimmtes Gehirngewebeareal mit einer der stimulierten Gehirnfunktionen in Verbindung steht, kann die Markierung jedoch auch mit derselben Farbe erfolgen. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Darstellung möglich, die geeignet ist, die mit den stimulierten Gehirnfunktionen verbundenen Gehirngewebeareale 15 von solchen zu unterscheiden, die nicht mit dem stimulierten Gehirnfunktionen in Verbindung stehen. Neben der aktuellen Karte 13 können auf dem Monitor 5 weitere Elemente dargestellt sein, beispielsweise den Karten zugeordnete Qualitätsparameter oder dergleichen.
Während eines im Rahmen eines intraoperativen optischen Abbildungsvorgangs durchgeführten Stimulationszyklus erfolgt nacheinander eine Phase der Stimulation einer bestimmten Gehirnfunktion mit Hilfe des Nervenstimulators 1, Stimulationsphase genannt, und eine Phase ohne Stimulation der Gehirnfunktion, Ruhephase genannt. Die Auswertevorrichtung 7 steuert die Kamera 3 dabei derart, dass während eines Stimulationszyklus mindestens ein Stimulationsbild vom Gehirnoperationsfeld 17, d.h. ein Bild, in dem ein durch die Stimulation hervorgerufenes optisches Signal enthalten ist, und mindestens ein Referenzbild, d.h. ein Bild, in dem kein durch die Stimulation hervorgerufenes optisches Signal enthalten ist, aufgenommen werden. Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird mit der Kamera 3 während eines intraoperativen optischen Abbildungsvorgangs wenigstens eine Videosequenz des Gehirnoperationsfeldes 17 aufgenommen. Die Stimulationsbilder und die Referenzbilder sind dann Frames der Videosequenz.
Im Rahmen des intraoperativen optischen Abbildungsvorgangs wird eine Anzahl an Stimulationszyklen aneinander gereiht, so dass sich über einen bestimmten Zeitraum Ruhephasen und Stimulationsphasen abwechseln. Beispielsweise können Stimulationszyklen verwendet werden, wie sie in M. Oelschlägel et al. „Intraoperative identification of somato-sensory brain areas using optical imaging and standard RGB camera equipment - a feasibility study‟, Current Directions in Biomedical Engineering 2015; 1: 265-269 beschrieben sind, d.h. sich über 9 min abwechselnde 30-sekündige Stimulationsphasen und 30-sekündige Ruhephasen. Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel Beispiel umfasst der intraoperative optische Abbildungsvorgang insgesamt 9 Stimulationsphasen und 9 Ruhephasen, die schließlich zum Erstellen der Karte 13 herangezogen werden können. Der intraoperative optische Abbildungsvorgang kann aber auch mehr oder weniger als 9 Stimulationszyklen umfassen. Außerdem kann die Dauer der Stimulationsphasen und der Ruhephasen länger oder kürzer als 30 Sekunden sein. Auch braucht die Dauer einer Stimulationsphase nicht der Dauer einer Ruhephase zu entsprechen.
Das Starten des intraoperativen Abbildungsvorgangs erfolgt durch den Nutzer anhand einer Eingabe an die Auswertevorrichtung 7, die dann das Ausführen der Stimulationszyklen durch den Nervenstimulator 1 initiiert. Auf das Initiieren der Stimulationszyklen hin generiert der Nervenstimulator 1 ein Feedbacksignal, das er an die Auswertevorrichtung 7 ausgibt. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhalten die Auswertevorrichtung 7 sowie der Nervenstimulator 1 jeweils eine Uhr, und das Feedbacksignal umfasst ein Synchronisationssignal, mit dem die Uhr der Auswertevorrichtung 7 mit der Uhr der Stimulationsvorrichtung 1 synchronisiert wird. Darüber hinaus umfasst das Feedbacksignal im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel ein Signal, das die Dauer der Stimulationszyklen, den Startzeitpunkt des ersten Stimulationszyklus und die Anzahl an Stimulationszyklen angibt. Anhand der im Feedbacksignal enthaltenen Informationen ermittelt die Auswertevorrichtung 7 die Anfangszeitpunkte der jeweiligen Stimulationszyklen und synchronisiert die Bildaufnahme und die Auswertung mit den von dem Nervenstimulator 1 ausgeführten Stimulationszyklus. Dabei kann bspw. jeder Frame des vom Gehirnoperationsfeld 17 aufgenommenen Videos einen Zeitstempel erhalten, anhand dessen der Frame einem Zeitpunkt innerhalb des Stimulationszyklus eindeutig zugeordnet werden kann. Da die Dauer der Stimulationsphasen und der Ruhephasen im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel bekannt und konstant ist, kann auf diese Weise für jeden Frame exakt ermittelt werden, welcher Stimulationsphase oder Ruhephase er zuzuordnen ist und in welchem zeitlichen Verhältnis er zu dieser Stimulationsphase bzw. Ruhephase steht, d.h. ob er am Anfang, am Ende oder in der Mitte der entsprechenden Phase aufgenommen worden ist. Außerdem kann auf Grund der Synchronisation exakt angegeben werden, bei welchen Frames ein Wechsel von einer Stimulationsphase zu einer Ruhephase oder umgekehrt stattgefunden hat. Die durch die Synchronisation mögliche exakte Zuordnung der Frames zu den Zeitpunkten innerhalb des Stimulationszyklus kann die Qualität der Auswertung der Stimulationsbilder und der Referenzbilder erhöht werden, bspw. weil Fehlzuordnungen einzelner Frames zu einer Stimulationsphase statt zu einer Ruhephase oder umgekehrt vermieden werden können.
In einem alternativen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das Feedbacksignal statt dem Synchronisationssignal und dem Signal, welches die Dauer der Stimulationszyklen, den Startzeitpunkt des ersten Stimulationszyklus und die Anzahl der Stimulationszyklen angibt, Start- und Stoffsignale, die jeweils ausgesendet werden, wenn eine Stimulationsphase beginnt bzw. endet. Wenn die Auswertevorrichtung 7 von dem Nervenstimulator 1 ein Startsignal oder ein Stoppsignal empfängt, wird der zum entsprechenden Zeitpunkt mit der Kamera 3 aufgenommenen Frame entsprechend markiert. Dabei kann die Auswertevorrichtung 7 auch einen Zähler enthalten, der mit jedem Empfang eines Startsignals um eins erhöht wird, so dass den jeweils markierten Frames auch eine Information darüber beigefügt werden kann, die wievielte Stimulationsphase gestartet oder beendet worden ist. Das Vorhandensein einer Uhr im Nervenstimulator 1 und in der Auswertevorrichtung 7 oder das Synchronisieren etwaiger vorhandener Uhren, ist in diesem exemplarischen Ausführungsbeispielen nicht nötig. Obwohl die Star- und Stoppsignale im beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel jeweils den Anfang und das Ende einer Stimulationsphase markieren, können sie auch den Anfang und das Ende einer Ruhephase markieren.
Unabhängig von der Art des Feedbacksignals untersucht die Auswertevorrichtung 7 die aufgenommenen Frames auf Störungen. Werden Störungen festgestellt, die ein vorgegebenes Maß überschreiten, zieht die Auswertevorrichtung 7 die Frames dieses Stimulationszyklus nicht zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareale 15 heran. Störungen, welche die Frames zum Lokalisieren der mit der Stimulation verbundenen Gehirngewebeareale 15 unbrauchbar machen, können Beleuchtungsreflexe, Blutungen, oder dergleichen sein. Während der Auswertung werden die Stimulationszyklen nicht angehalten, so dass die Sequenz an Stimulationsphasen und Ruhephasen ohne Unterbrechung fortgesetzt wird.
Für jeden Stimulationszyklus, dessen Frames nicht zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareale 15 herangezogen werden, wird im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel ein zusätzlicher Stimulationszyklus angehängt, so dass die vorgegebene Anzahl an Stimulationszyklen zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareale 15 herangezogen werden kann. Dabei besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Stimulationszyklen, die angehängt werden können, zu begrenzen, um eine maximale Zeitdauer des intraoperativen Abbildens nicht zu überschreiten. Gegebenenfalls kann dann entweder das Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareale 15 auf einer reduzierten Anzahl an Stimulationszyklen beruhen, oder falls in zu vielen Stimulationszyklen Störungen auftreten, das Verfahren vorzeitig abgebrochen werden. Nach einem Abbruch des Verfahrens können ggf. Parameter wie die Beleuchtung oder die Orientierung des Operationsmikroskops 11 in Bezug auf das Gehirnoperationsfeld 17 verändert werden und das Verfahren nach dem Verändern dieser Parameter neu gestartet werden. Ein derartiger Neustart kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung automatisiert erfolgen, in dem die Auswertevorrichtung 7 einen Neustart-Befehl an den Nervenstimulator 1 ausgibt, der daraufhin das Verfahren neu startet und ein Feedbacksignal an die Auswertevorrichtung 7 ausgibt.
Sofern genügend störungsfreie Stimulationszyklen vorhanden sind, erfolgt die Auswertung der Frames im Hinblick auf das Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebeareale 15 und ein Anzeigen der entsprechenden Gehirngewebeareale 15 in Form einer Karte 13 auf dem Monitor 5. Die Auswertung kann dabei grundsätzlich mit jeder dazu geeigneten Methode erfolgen, beispielsweise mit der in S.B. Sobottka et al. „Intraoperative optical imaging of intrinsic signals: a reliable method for visualizing stimulated functional brain areas during surgery", J. Neurosurg 119 (2013), Seiten 853-863 beschriebenen Methode oder der in US 9, 095, 255 B2 beschriebenen Methode.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen möglichen Aufbau des Operationsmikroskops 11, wie es in der Vorrichtung aus 1 Verwendung finden kann. 3 zeigt einen möglichen alternativen Aufbau.
Das in 2 gezeigte Operationsmikroskop 11 umfasst als wesentliche Bestandteile ein einem Objektfeld 17, das im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel das Gehirnoperationsfeld 17 ist, zuzuwendendes Objektiv 105, das insbesondere als achromatisches oder apochromatisches Objektiv ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das Objektiv 105 aus zwei miteinander verkitteten Teillinsen, die ein achromatisches Objektiv bilden. Das Objektfeld 17 wird in der Brennebene des Objektivs 105 angeordnet, so dass es vom Objektiv 105 nach Unendlich abgebildet wird. Mit anderen Worten, ein vom Objektfeld 3 ausgehendes divergentes Strahlenbündel 107A, 107B wird bei seinem Durchgang durch das Objektiv 105 in ein paralleles Strahlenbündel 109A, 109B umgewandelt.
Beobachterseitig des Objektivs 105 ist ein Vergrößerungswechsler 111 angeordnet, der entweder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel als Zoom-System zur stufenlosen Änderung des Vergrößerungsfaktors oder als so genannter Galilei-Wechsler zur stufenweisen Änderung des Vergrößerungsfaktors ausgebildet sein kann. In einem Zoom-System, das bspw. aus einer Linsenkombination mit drei Linsen aufgebaut ist, können die beiden objektseitigen Linsen verschoben werden, um den Vergrößerungsfaktor zu variieren. Tatsächlich kann das Zoom-System aber auch mehr als drei Linsen, bspw. vier oder mehr Linsen aufweisen, wobei die äußeren Linsen dann auch fest angeordnet sein können. In einem Galilei-Wechsler existieren dagegen mehrere feste Linsenkombinationen, die unterschiedliche Vergrößerungsfaktoren repräsentieren und im Wechsel in den Strahlengang eingebracht werden können. Sowohl ein Zoom-System, als auch ein Galilei-Wechsler wandeln ein objektseitiges paralleles Strahlenbündel in ein beobachterseitiges paralleles Strahlenbündel mit einem anderen Bündeldurchmesser um. Der Vergrößerungswechsler 111 ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel bereits Teil des binokularen Strahlengangs des Operationsmikroskops 11, d.h. er weist eine eigene Linsenkombination für jeden stereoskopischen Teilstrahlengang 109A, 109B des Operationsmikroskops 11 auf. Das Einstellen eines Vergrößerungsfaktors mittels des Vergrößerungswechslers 111 erfolgt im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel über ein motorisch angetriebenes Stellglied, das zusammen mit dem Vergrößerungswechsler 111 Teil einer Vergrößerungswechseleinheit zum Einstellen des Vergrößerungsfaktors ist.
An den Vergrößerungswechsler 111 schließt sich beobachterseitig eine Schnittstellenanordnung 113A, 113B an, über die externe Geräte an das Operationsmikroskop 11 angeschlossen werden können und die im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel Strahlteilerprismen 115A, 115B umfasst. Grundsätzlich können aber auch andere Arten von Strahlteilern Verwendung finden, bspw. teildurchlässige Spiegel. Die Schnittstellen 113A, 113B dienen im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel zum Auskoppeln eines Strahlenbündels aus dem Strahlengang des Operationsmikroskops 11 (Strahlteilerprisma 115B) bzw. zum Einkoppeln eines Strahlenbündels in den Strahlengang des Operationsmikroskops 11 (Strahlteilerprisma 115A).
Das Strahlteilerprisma 115A in dem Teilstrahlengang 109A dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu, mit Hilfe eines Displays 37, bspw. einer Digital Mirror Device (DMD) oder eines LCD-Displays, und einer zugehörigen Optik 139 über das Strahlteilerprisma 115A Informationen oder Daten für einen Betrachter in den Teilstrahlegang 109A des Operationsmikroskops 1 einzuspiegeln. Bei einer Gehirnoperation kann bspw. die Karte 13 von dem Gehirnoperationsfeld 17, in der mit wenigstens einer stimulierten Gehirnfunktion verbundene Gehirngewebeareale 15 markiert sind, eingespiegelt werden. Im anderen Teilstrahlengang 109B ist an der Schnittstelle 113B ein Kameraadapter 119 mit einer daran befestigten Kamera 3 angeordnet, die mit einem elektronischen Bildsensor 123, bspw. mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, ausgestattet ist. Mittels der Kamera 3 kann ein elektronisches und insbesondere ein digitales Bild des Objektfelds 17 aufgenommen werden. Als Bildsensor kann insbesondere auch ein Hyperspektralsensor Verwendung finden, in dem nicht nur drei Spektralkanäle (bspw. rot, grün und blau) vorhanden sind, sondern eine Vielzahl von Spektralkanälen. In dem in 1 gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden mit der Kamera 3 die die Stimulationsbilder und Referenzbilder enthaltenden Videosequenzen aufgenommen.
An die Schnittstelle 113 schließt sich beobachterseitig ein Binokulartubus 127 an. Dieser weist zwei Tubusobjektive 129A, 129B auf, welche das jeweilige parallele Strahlenbündel 109A, 109B auf eine Zwischenbildebene 131 fokussieren, also das Objektfeld 17 auf die jeweilige Zwischenbildebene 131A, 131B abbilden. Die in den Zwischenbildebenen 131A, 131 B befindlichen Zwischenbilder werden schließlich von Okularlinsen 135A, 135B wiederum nach Unendlich abgebildet, so dass ein Betrachter das Zwischenbild mit entspanntem Auge betrachten kann. Außerdem erfolgt im Binokulartubus mittels eines Spiegelsystems oder mittels Prismen 133A, 133B eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln 109A, 109B, um diesen an den Augenabstand des Betrachters anzupassen. Mit dem Spiegelsystem oder den Prismen 133A, 133B erfolgt zudem eine Bildaufrichtung.
Das Operationsmikroskop 11 ist außerdem mit einer Beleuchtungsvorrichtung ausgestattet, mit der der das Objektfeld 17 mit breitbandigem Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Hierzu weist die Beleuchtungsvorrichtung im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Weißlichtquelle 141, etwa eine Halogenglühlampe oder eine Gasentladungslampe, auf. Das von der Weißlichtquelle 141 ausgehende Licht wird über einen Umlenkspiegel 143 oder ein Umlenkprisma in Richtung auf das Objektfeld 17 gelenkt, um dieses auszuleuchten. In der Beleuchtungsvorrichtung ist weiterhin eine Beleuchtungsoptik 145 vorhanden, die für eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten beobachteten Objektfeldes 17 sorgt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der in 2 dargestellte Beleuchtungsstrahlengang stark schematisiert ist und nicht notwendigerweise den tatsächlichen Verlauf des Beleuchtungsstrahlengangs wiedergibt. Grundsätzlich kann der Beleuchtungsstrahlengang als sogenannte Schrägbeleuchtung ausgeführt sein, die der schematischen Darstellung in 2 am nächsten kommt. In einer solchen Schrägbeleuchtung verläuft der Strahlengang in einem relativ großen Winkel (6° oder mehr) zur optischen Achse des Objektivs 5 und kann, wie in 2 dargestellt, vollständig außerhalb des Objektivs verlaufen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang der Schrägbeleuchtung durch einen Randbereich des Objektivs 105 hindurch verlaufen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Beleuchtungsstrahlengangs ist die sogenannte 0°-Beleuchtung, bei der der Beleuchtungsstrahlengang durch das Objektiv 105 hindurch verläuft und zwischen den beiden Teilstrahlengängen 109A, 109B, entlang der optischen Achse des Objektivs 105 in Richtung auf das Objektfeld 17 in das Objektiv 105 eingekoppelt wird. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang als sogenannte koaxiale Beleuchtung auszuführen, in der ein erster und ein zweiter Beleuchtungsteilstrahlengang vorhanden sind. Die Teilstrahlengänge werden über einen oder mehrere Strahlteiler parallel zu den optischen Achsen der Beobachtungsteilstrahlengänge 109A, 109B in das Operationsmikroskop 11 eingekoppelt, so dass die Beleuchtung koaxial zu den beiden Beobachtungsteilstrahlengängen verläuft.
In dem in 2 dargestellten Operationsmikroskop 11 kann auf die Beleuchtung Einfluss genommen werden. Bspw. kann ein Filter in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden, der von dem breiten Spektrum der Weißlichtquelle 141 nur einen schmalen Spektralbereich passieren lässt, bspw. einen Spektralbereich, mit dem Fluoreszenz eines im Objektfeld 17 befindlichen Fluoreszenzfarbstoffes angeregt werden kann. Zur Beobachtung der Fluoreszenz können in die Beobachtungs-Teilstrahlengänge Filter 137A, 137B eingebracht werden, die den zur Fluoreszenzanregung verwendeten Spektralbereich herausfiltern um die Fluoreszenz beobachten zu können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann bei der Aufnahme der Stimulationsbilder und der Referenzbilder ein Filter in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden, der nur diejenigen Wellenlängenbereiche des Beleuchtungslichtes passieren lässt, in denen eine Änderung der Durchblutung oder einer Änderung des Sauerstoffgehaltes im Blut ein besonders deutliches Signal i Beobachtungsstrahlengang erzeugt.
In der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Operationsmikroskops 11 besteht das Objektiv 105 lediglich aus einer Achromatlinse. Es kann jedoch auch ein Objektivlinsensystem aus mehreren Linsen Verwendung finden, insbesondere ein so genanntes Vario-Objektiv, mit dem sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 11, d.h. der Abstand der objektseitigen Brennebene vom Scheitel der ersten objektseitigen Linsenfläche des Objektivs 105, auch Objektschnittweite genannt, variieren lässt. Auch von einem Vario-Objektiv wird das in der Brennebene angeordnete Objektfeld 17 nach Unendlich abgebildet, so dass beobachterseitig ein paralleles Strahlenbündel vorliegt.
3 zeigt ein Beispiel für ein digitales Operationsmikroskop 148 in einer schematischen Darstellung. Bei diesem Operationsmikroskop unterscheiden sich das Hauptobjektiv 105, der Vergrößerungswechsler 111 sowie das Beleuchtungssystem 141, 143, 145 nicht von dem in 2 dargestellten Operationsmikroskop 2 mit optischem Einblick. Der Unterschied liegt darin, dass das in 3 gezeigte Operationsmikroskop 148 keinen optischen Binokulartubus umfasst. Statt der Tubusobjektive 129A, 129B aus 2 umfasst das Operationsmikroskop 148 aus 3 Fokussierlinsen 149A, 149B mit denen die binokularen Beobachtungsstrahlengänge 109A, 109B auf digitale Bildsensoren 161A, 161B abgebildet werden. Die digitalen Bildsensoren 161A, 161B können dabei beispielsweise CCD-Sensoren oder als CMOS-Sensoren sein. Die von den Bildsensoren 161A, 161B aufgenommenen Bilder werden digital an digitale Displays 163A, 163B gesendet, die als LED-Displays, als LCD-Displays oder als auf organischen Leuchtioden (OLEDs) beruhende Displays ausgebildet seien können. Den Displays 163A, 163B können wie im vorliegenden Beispiel Okularlinsen 165A, 165B zugeordnet sein, mit denen die auf den Displays 163A, 163B dargestellten Bildern nach unendlich abgebildet werden, so dass ein Betrachter sie mit entspannten Augen betrachten kann. Die Displays 163A, 163B und die Okularlinsen 165A, 165B können Teil eines digitalen Binokulartubus sein, sie können aber auch Teil eines am Kopf zu tragenden Displays (head mounted display, HMD) wie etwa einer Datenbrille sein.
In dem in 1 gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die die Stimulationsbilder und Referenzbilder enthaltenden Videosequenzen mit wenigstens einem der digitalen Bildsensoren 161A, 161B aufgenommen werden. In diesem Fall stellen der digitale Bildsensor bzw. die digitalen Bildsensoren die Abbildungsvorrichtung aus 1 dar.
Obwohl in 3 wie in 2 lediglich eine Achromatlinse 105 mit einer festen Brennweite dargestellt ist, kann das in 3 gezeigte Operationsmikroskop 148 wie das in 2 dargestellte Operationsmikroskop 11 ein Varioskopobjektiv statt der Objektivlinse 105 umfassen. Weiterhin ist in 3 eine Übertragung der von den Bildsensoren 161A, 161B aufgenommenen Bilder an die Displays 163A, 163B mittels Kabeln 167A, 167B gezeigt. Statt kabelgebunden können die Bilder jedoch auch drahtlos an die Displays 163A, 163B übertragen werden, insbesondere dann, wenn die Displays 163A, 163B Teil eines Head Mounted Displays sind.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von exemplarischen Ausführungsbeispielen zu Erläuterungszwecken im Detail beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass von den konkreten exemplarischen Ausführungsbeispielen im Rahmen der Erfindung auch abgewichen werden kann, wie dies im Rahmen der Beschreibung der exemplarischen Ausführungsbeispiele bereits erwähnt worden ist. Der Schutzumfang der Erfindung soll daher nicht durch die Ausführungsbeispiele sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.
Bezugszeichenliste

1: Nervenstimulator
3: Kamera
5: Monitor
7: Auswertevorrichtung
9: Elektrode
11: Operationsmikroskop
13: Karte
15: mit stimulierter Gehirnfunktion verbundenes Gehirngewebeareal
17: Gehirnoperationsfeld
105: Objektiv
107 A, B: divergentes Strahlenbündel
109 A, B: paralleles Strahlenbündel
111: Vergrößerungswechsler
113 A, B: Schnittstellenanordnung
115 A, B: Strahlteilerprisma
119: Kameraadapter
123: Bildsensor
127: Binokulartubus
129 A, B: Tubusobjektiv
131 A,B: Zwischenbildebene
133 A, B: Prisma
135 A, B: Okularlinse
137: Display
139: Optik
141: Weißlichtquelle
143: Umlenkspiegel
145: Beleuchtungsoptik
148: Operationsmikrooskop
149 A, B: Fokussierlinse
161 A,B: Bildsensor
163 A, B: Display
165 A, B: Okularlinse
167 A, B: Kabel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2008040807 A1 [0005]
US 5215095 A1 [0005]
US 9095255 B2 [0005, 0037]
US 9801549 B2 [0005]
US 2009/0234236 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Oelschlägel et al. „Intraoperative identification of somato-sensory brain areas using optical imaging and standard RGB camera equipment - a feasibility study‟, Current Directions in Biomedical Engineering 2015; 1: 265-269 [0004, 0006, 0032]
K. Sato „intraoperative intrinsic optical imaging of human somatosensory cortex during neurosurgical operations“ in Neurophotonix 4 (3), 031205 (Juli bis September 2017) [0004]
S.B. Sobottka „Intraoperative optical imaging of intrinsic signals: a reliable method for visualizing stimulated functional brain areas during surgery“ in J. Neurosurg. 119 (2013), Seiten 853 bis 863 [0004]
S.B. Sobottka et al. „Intraoperative optical imaging of intrinsic signals: a reliable method for visualizing stimulated functional brain areas during surgery“, J. Neurosurg 119 (2013), Seiten 853-863 [0037]

Claims

Verfahren zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen (15) in einem Gehirnoperationsfeld (17), wobei mittels einer Stimulationsvorrichtung (1) eine Anzahl an Stimulationszyklen durchgeführt wird, wobei die Stimulationszyklen jeweils eine Stimulationsphase, während der die Gehirnfunktion stimuliert wird, und eine Ruhephase, während der keine Stimulation der Gehirnfunktion erfolgt, umfassen, und in dem mittels einer eine Kamera (3) umfassenden Lokalisierungseinheit (3, 7) während der Stimulationszyklen mit Hilfe der Kamera (3) je Stimulationszyklus jeweils wenigstens ein Stimulationsbild mit der stimulierten Gehirnfunktion und wenigstens ein Referenzbild ohne die stimulierte Gehirnfunktion aufgenommen werden und anhand der aufgenommenen Stimulations- und Referenzbilder diejenigen Gehirngewebeareale (15) lokalisiert werden, die mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationsvorrichtung (1) ein Feedbacksignal an die Lokalisierungseinheit (3, 7) ausgibt, aus dem der Beginn der Stimulationszyklen ableitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) und die Stimulationsvorrichtung (1) jeweils eine Uhr beinhalten und das Feedbacksignal ein Synchronisationssignal, mit dem die Uhr der Lokalisierungseinheit (3, 7) mit der Uhr der Stimulationsvorrichtung (1) synchronisiert wird, sowie ein die Dauer der Stimulationszyklen und den Startzeitpunkt des ersten Stimulationszyklus anzeigendes Signal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Feedbacksignal die Anzahl an Stimulationszyklen angegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Feedbacksignal Startsignale und Stoppsignale enthalten sind, wobei jedes Startsignal den Start einer Stimulationsphase und jedes Stoppsignal das Ende einer Stimulationsphase anzeigt oder jedes Startsignal den Start einer Ruhephase und jedes Stoppsignal das Ende einer Ruhephase anzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) nach dem Ende eines Stimulationszyklus das wenigstens eine Stimulationsbild und das wenigstens ein Referenzbild auf Störungen untersucht und das wenigstens eine untersuchte Stimulationsbild sowie das wenigstens eine untersuchte Referenzbild nicht zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden Gehirngewebeareale (15) heranzieht, wenn die Untersuchung ergibt, dass die Störungen ein vorgegebenes Maß überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Untersuchung des wenigstens einen Stimulationsbildes und des wenigstens ein Referenzbildes auf Störungen die Stimulationszyklen und das Aufnehmen von Stimulationsbildern und Referenzbildern fortgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Stimulationszyklus, für den die Untersuchung ergibt, dass die Störungen das vorgegebene Maß überschreiten, ein zusätzlicher Stimulationszyklus durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Lokalisieren von mit einer Gehirnfunktion verbundenen Gehirngewebearealen (15) in einem Gehirnoperationsfeld (17), mit einer Stimulationsvorrichtung (1) und einer eine Kamera (3) umfassenden Lokalisierungseinheit (3, 7), wobei - die Stimulationsvorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, eine Anzahl an Stimulationszyklen durchzuführen, wobei die Stimulationszyklen jeweils eine Stimulationsphase, während der die Gehirnfunktion stimuliert wird, und eine Ruhephase, während der keine Stimulation der Gehirnfunktion erfolgt, umfassen, und - die Lokalisierungseinheit (3, 7) dazu ausgestaltet ist mit Hilfe der Kamera (3), je Stimulationszyklus jeweils wenigstens ein Stimulationsbild mit der stimulierten Gehirnfunktion und wenigstens ein Referenzbild ohne die stimulierte Gehirnfunktion aufzunehmen und anhand der aufgenommenen Stimulations- und Referenzbilder diejenigen Gehirngewebeareale (15) zu lokalisieren, die mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationsvorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, ein Feedbacksignal, aus dem aus dem der Beginn der Stimulationszyklen ableitbar ist, an die Lokalisierungseinheit auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) und die Stimulationsvorrichtung (1) jeweils eine Uhr beinhalten und das Feedbacksignal ein Synchronisationssignal, mit dem die Uhr der Lokalisierungseinheit (3, 7) mit der Uhr der Stimulationsvorrichtung (1) synchronisiert wird, sowie ein die Dauer der Stimulationszyklen und der Startzeitpunkt des ersten Stimulationszyklen anzeigendes Signal umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Feedbacksignal die Anzahl an Stimulationszyklen angegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Feedbacksignal Startsignale und Stoppsignale enthalten sind, wobei jedes Startsignal den Start einer Stimulationsphase und jedes Stoppsignal das Ende einer Stimulationsphase anzeigt oder jedes Startsignal den Start einer Ruhephase und jedes Stoppsignal das Ende einer Ruhephase anzeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) dazu ausgestaltet ist, nach dem Ende eines Stimulationszyklus das wenigstens eine Stimulationsbild und das wenigstens ein Referenzbild auf Störungen zu untersuchen und das wenigstens eine Stimulationsbild sowie das wenigstens ein Referenzbild des Stimulationszyklus nicht zum Lokalisieren der mit der stimulierten Gehirnfunktion verbunden Gehirngewebeareale heranzuziehen, wenn die Untersuchung ergibt, dass die Störungen ein vorgegebenes Maß überschreiten.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) und die Stimulationsvorrichtung (1) dazu ausgestaltet sind, während der Untersuchung des wenigstens einen Stimulationsbildes und des wenigstens ein Referenzbildes auf Störungen die Stimulationszyklen und das Aufnehmen von Stimulationsbildern und Referenzbildern fortzuführen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) dazu ausgestaltet ist, für einen Stimulationszyklus, für den die Untersuchung ergibt, dass die Störungen das vorgegebene Maß überschreiten, das Durchführen eines zusätzlichen Stimulationszyklus durch die Stimulationsvorrichtung (1) zu veranlassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierungseinheit (3, 7) in ein Operationsmikroskop (11) integriert ist.