DE102005058598A1

DE102005058598A1 - Dreidimensionales Bildgebungssystem für die Brustanatomie

Info

Publication number: DE102005058598A1
Application number: DE102005058598A
Authority: DE
Inventors: Fred S. Azar; Ali Khamene; Frank Sauer; Bruce Irvine Tromberg
Original assignee: Siemens Corporate Research Inc
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US8244332B2; US20070219450A1

Abstract

Ein System für die diffuse optische Spektroskopie weist einen Brust-Laserscanner auf, eine in der Hand gehaltene Sonde, die mit dem Brust-Laserscanner verbunden ist zum Scannen einer Brust, und eine Positionsverfolgungsvorrichtung, die mit der in der Hand gehaltenen Sonde verbunden ist, wobei die Positionsverfolgungsvorrichtung räumliche Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde relativ zur Brust bestimmt. Die Positionsverfolgungsvorrichtung umfasst eine magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung, eine optische Positionsverfolgungsvorrichtung oder eine Laserpositionsverfolgungsvorrichtung.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 60/638,231 vom 22. Dezember 2004, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist.
Hintergrund der Erfindung
Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Bildgebungssystem für die Brustanatomie und spezieller ein Bildgebungssystem für die Brustanatomie unter Verwendung einer in der Hand gehaltenen optischen Bildgebungsvorrichtung in Kombination mit einem Positionsverfolgungssystem.

Die präoperative Chemotherapie ist eine Behandlung, die verbreitet bei örtlich ausgedehntem Brustkrebs verwendet wird. Die Reaktion des Patienten auf die präoperative Chemotherapie wird überwacht, um die Überlebensrate zu erhöhen und die Erkrankungsziffer zu reduzieren. Es wurde eine nicht-invasive Infrarot-Technologie auf der Basis von diffuser optischer Spektroskopie (DOS) entwickelt, um die Tumorreaktion auf die präoperative Chemotherapie quantitativ zu überwachen. Die quantitative diffuse optische Nahinfrarot-Spektroskopie ist in der Lage, zwischen dem Tumor und dem umgebenden Brustgewebe zu unterscheiden. Somit wird die diffuse optische Spektroskopie verwendet, um die Tumorreaktion in einem Patienten mit örtlich ausgedehntem Krebs über den Verlauf der Therapie zu überwachen.

Die diffuse optische Spektroskopie verwendet Nahinfrarot (NIR)-Licht bei einer speziellen Laserdioden-Wellenlänge und eine Breitband-Dauerzustandsmessung, um die optischen Eigenschaften im Gewebe quantitativ zu messen. Optische Eigenschaften wie Absorptions- und Streuparameter, die durch die diffuse optische Spektroskopiemessung erhalten werden, wurden bestimmt, um beispielsweise das Hämoglobin des Gewebes, die Sauerstoffsättigung, den Wasserstoffgehalt, den Fettgehalt und die Zellstruktur zu bestimmen.

Tragbare und nicht-invasive optische Sonden werden in Zusammenhang mit der diffusen optischen Spektroskopie verwendet. Eine Beschränkung der konventionellen Technologien bei Verwendung der optischen Sonden liegt jedoch darin, dass es nicht möglich ist, die Position der optischen Sonde genau zu verfolgen, während Messungen aufgezeichnet werden. Insbesondere ist es wichtig, von Behandlung zu Behandlung konsequent zur selben Stelle auf dem Tumor zurückzukehren, weil Veränderungen bei den Kontaktstellen Veränderungen in den gemessenen optischen Eigenschaften hervorrufen können. Ein mit einem Stift markiertes vordefiniertes Muster kann verwendet werden, um die Kontaktstellen besser zu lokalisieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann derselbe interessierende Bereich in einem Organ wie einer Brust bei jedem Besuch gemessen werden, wodurch die Messempfindlichkeit erhöht wird, indem Unwägbarkeiten minimiert werden, die mit der örtlichen Anordnung der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde einhergehen. Außerdem wird durch das Verfolgen der Drehkoordinaten der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde auf der Oberfläche der Brust die Ausrichtung und die Ankopplung der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde bei jeder Messung und über den Bereich von längslaufenden Messungen konsistent sein.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine optische, in der Hand gehaltene Sonde wenigstens eine zweidi mensionale Positionsverfolgungsvorrichtung auf, die eine Messung über jeder Stelle auf der Brust mit einer Systemgenauigkeit von etwa 1 mm ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein System für die diffuse optische Spektroskopie einen Brust-Laserscanner auf, eine in der Hand gehaltene Sonde, die mit dem Brust-Laserscanner verbunden ist, um eine Brust zu scannen, und eine Positionsverfolgungsvorrichtung, die mit der in der Hand gehaltenen Sonde verbunden ist, wobei die Positionsverfolgungsvorrichtung die räumlichen Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde gegenüber der Brust bestimmt.

Das System für die diffuse optische Spektroskopie kann außerdem einen Prozessor zum Verarbeiten optischer Daten, die von der in der Hand gehaltenen Sonde erhalten werden, sowie von Positionsdaten, die von der Positionsverfolgungsvorrichtung empfangen werden, aufweisen, sowie eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der verarbeiteten optischen Daten und der Positionsdaten in einer wenigstens zweidimensionalen Umgebung. Die optischen Daten weisen wenigstens Volumenanteile von Wasser, Lipid, sauerstoffangereichertem Hämoglobin oder Hämoglobin, dem Sauerstoff entzogen ist, auf.

Die Positionsverfolgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung, eine optische Positionsverfolgungsvorrichtung oder eine Laserpositionsverfolgungsvorrichtung sein. Die magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung kann eine Sensorspitze und eine magnetische Positionsverfolgungsbasis zum Erzeugen eines Magnetfelds sein, und eine Bewegung der Sensorspitze im Magnetfeld wird durch den Prozessor wahrgenommen, um die räumlichen Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde gegenüber der Brust zu bestimmen. Die optische Positionsverfolgungsvorrichtung kann einen optischen Markierungsrahmen, ein Markierungscluster und eine Kamera aufweisen, und eine Bewegung der in der Hand gehaltenen Sonde einschließlich des Markierungsclusters bezüglich der Position des optischen Markierungsrahmens kann detektiert werden, wenn die in der Hand gehaltene Sonde in einer Sichtlinie der Kamera angeordnet wird.

Der Brust-Laserscanner erzeugt Laserstrahlen für die Bildgebung der Brust. Die räumlichen Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde können kontinuierlich gemessen werden. Die Anzeigevorrichtung kann eine farbkodierte Oberfläche mit volumetrischen Elementen mit einem Volumen, das einem durchschnittlichen Probevolumen bei jeder Messung entspricht, anzeigen. Die Oberfläche kann visuell ausgefaltet werden, um eine flache Anzeige von Informationen zu erhalten, die einen gesamten gemessenen Bereich umspannen. Eine Position, Größe und funktionelle oder physiologische Eigenschaften des Tumors unterhalb einer Oberfläche der Brust können unter Verwendung der optischen Daten und der Positionsdaten bestimmt werden. Die funktionellen oder physiologischen Eigenschaften können wenigstens Anteile von Wasser, Lipid, sauerstoffangereichertem Hämoglobin oder Hämoglobin, dem Sauerstoff entzogen ist, umfassen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein System für die diffuse optische Spektroskopie eine in der Hand gehaltene Sonde und eine Positionsverfolgungsvorrichtung in einem ersten Gehäuse auf, wobei das erste Gehäuse von der Größe her so ausgestaltet ist, dass es entweder in der Hand gehalten oder an einem Anwender getragen werden kann, sowie einen Prozessor, der dazu dient, eine wenigstens zweidimensionale Darstellung unter Verwendung der von der in der Hand gehaltenen Sonde und der Positionsverfolgungsvorrichtung erhaltenen Daten zu erzeugen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Scannen von Gewebe unter Verwendung einer in der Hand gehaltenen Sonde eines Systems für die diffuse optische Spektroskopie die Schritte auf, eine in der Hand gehaltene Sonde auf dem Gewebe anzuordnen, optische Daten und Positionsdaten, die von der in der Hand gehaltenen Sonde erhalten werden, entgegenzunehmen und zu verarbeiten, unter Verwendung der optischen Daten und der Positionsdaten eine wenigstens zweidimensionale Darstellung zu erzeugen und die wenigstens zweidimensionale Darstellung anzuzeigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können im Detail aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems für die diffuse optische Spektroskopie (DOS) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Darstellung eines Brust-Laserscanner, der mit einer optischen, in der Hand gehaltenen Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist;
3 ist eine Querschnittsansicht der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine optische, in der Hand gehaltene Sonde bei Verwendung eines magnetischen Positionsverfolgungssystems zum Verfolgen der Positionen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5(a) ist ein optischer Markierungsrahmen für das optische Positionsverfolgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5(b) ist ein Markierungscluster für das optische Positionsverfolgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Scannen von Gewebe unter Verwendung einer optischen, in der Hand gehaltenen Sonde eines Systems für die diffuse optische Spektroskopie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt; und
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Testen der Verlässlichkeit eines Positionsverfolgungssystems beschreibt, indem wiederholte Messungen auf einem Silikon-Brustphantom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch auch in verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt sein.
Eine optische Bildgebungsvorrichtung verwendet Licht zur Bildgebung von Teilen des menschlichen Körpers. Die diffuse optische Spektroskopie (DOS) wird beispielsweise für die Brustkrebserkennung und -überwachung verwendet, indem optische Eigenschaften wie die Absorption und die Streuung des Gewebes gemessen werden. Die diffuse optische Spektroskopie verwendet typischerweise den roten Spektralbereich und den Spektralbereich des nahen Rots, da im Gewebe die dominanten molekularen Absorber im roten Spektralbereich oder nahen Rot Hämoglobin, Wasser und Lipid umfassen. Anders als bei der Mammographie oder dem Ultraschall-Verfahren ist die DOS in der Lage, die optischen Eigenschaften beispielsweise von Hämoglobin, Wasser und Lipid zu quantifizieren.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems für die diffuse optische Spektroskopie (DOS) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend auf 1 weist das System 100 für die diffuse optische Spektroskopie eine optische, in der Hand gehaltenen Sonde 105 auf, einen Brust-Laserscanner 110, einen Computer 115 und eine Anzeige 120. Die optische, in der Hand gehaltenen Sonde 105 umfasst eine Positionsverfolgungsvorrichtung 103 zum Verfolgen und zur Positionsgebung der räumlichen Anordnungen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105, sowie eine Lawinen-Photodiode 107 zum Detektieren der optischen Eigenschaften des Gewebes in der Brust. Der Brust-Laserscanner 110, der mit der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 verbunden ist, wird verwendet, um den Laserstrahl zu erzeugen und zu analysieren, der den Körper des Patienten abbildet. Der Computer 115, der mit der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 verbunden ist, und/oder der Brust-Laserscanner 110 empfängt die Daten der optischen Eigenschaften und die Positionsverfolgungsdaten von der Lawinen-Photodiode 107 bzw. der Positionsverfolgungsvorrichtung 103 der in der Hand gehaltenen Sonde 105. Die Daten der optischen Eigenschaften und die Positionsverfolgungsdaten werden verwendet, um zwei- oder dreidimensionale Darstellungen auf der mit dem Computer 115 verbundenen Anzeige 120 zu erzeugen. Die Verbindungen zwischen den oben genannten Vorrichtungen können entweder Drahtverbindungen oder drahtlose Verbindungen sein.
2 zeigt eine Darstellung des Brust-Laserscanners 110 in Verbindung mit einer optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Brust-Laserscanner 110 wird verwendet, um Laserstrahlen zu erzeugen und zu analysieren, die die Brüste der Patienten abbilden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Brust-Laserscanner 110 beispielsweise ein auf einem Wagen angeordnetes System sein, das mit der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 kombiniert wird, um die Brust des Patienten zu scannen. Da der Brust-Laserscanner 110, der mit der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 verbunden ist, tragbar ist, kann der Brust-Laserscanner 110 in der Nähe des Bettlagers des Patienten verwendet werden. Diese leichte Beweglichkeit des Brust-Laserscanners 110 und der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 ermöglicht eine quantitative Überwachung der Tumorreaktion, insbesondere wo schnelle oder häufige Messungen notwendig sind.
Bezug nehmend auf 2 verwendet der Brust-Laserscanner 110 das Prinzip der Photonenstreuung, um quantitativ Absorptions- und Streueigenschaften von Gewebe im nahinfraroten Spektralbereich zu messen, der etwa von 650 nm bis 1000 nm reicht. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Brust-Laserscanner 110 ein Dauerzustand-Spektroskopiesystem und ein Frequenzbereichs(FD)-System auf. Das Dauerzustands-Spektroskopiesystem umfasst eine Lampe 320 als eine Weißlichtquelle hoher Intensität und ein Spektrometer 310. Das Frequenzbereichssystem umfasst etwa 7 bis etwa 10 Laserdioden 330, die unter Verwendung eines Netzwerkanalysators 350 intensitätsmoduliert sind. Die Kombination des Frequenzbereichssystems und des Dauerzustand-Spektroskopiesystems ermöglicht es, Breitband-Nahinfrarotabsorptionsspektren zu erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das Frequenzbereichssystem beispielsweise zehn Diodenlaser, die mit optischen 40 μm-Stufenindexfasern (nicht dargestellt) verbunden sind, die zu einem einzelnen Bündel zusammengefasst sind. Laserwellenlängen zum Messen der Absorption und Streuung des Gewebes können beispielsweise 660 nm, 685 nm, 786 nm, 809 nm, 822 nm, 852 nm, 898 nm, 911 nm, 946 nm oder 973 nm sein. Ein Gleichstrom (DC) 360 wird aufeinander folgend an jede Diode in den Laserdioden 330 angelegt, gefolgt von einem etwa 50 MHz- bis etwa 1000 MHz-Radiofrequenzimpuls durch einen Radiofrequenzschalter 370 vom Netzwerkanalysator 350. Dies erzeugt ein amplitudenmoduliertes Licht, das sich, wenn es in das Gewebe 390 geschickt wird, mit einer frequenzabhängigen Phasengeschwindigkeit als diffuse Photonendichtewellen vorwärts bewegt. Änderungen in der Phase und Amplitude der Photonendichtewelle werden durch die Lawinen-Photodiode 107 in der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 detektiert.
Der Brust-Laserscanner 110 kann das komplette Absorptions- und Streukoeffizientenspektrum von etwa 600 nm bis etwa 1000 nm aufzeichnen. Messungen werden in einer Reflexionsgeometrie 355 (d.h. in Rückstreuung) aufgezeichnet. Die Lampe 320 kann beispielsweise eine Wolfram-Halogenlampe hoher Intensität für die Bestrahlung des Gewebes 390 sein. Die diffuse Reflexion wird unter Verwendung einer Faser gemessen, die mit dem Spektrometer 310 verbunden ist. Eine vollständige spektrale Messung unter Verwendung der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 im Brust-Laserscanner 110 mit dem Dauerzustandssystem und dem Frequenzbereichssystem benötigt etwa 30 bis 45 Sekunden.
3 zeigt eine Querschnittsansicht der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die optische, in der Hand gehaltenen Sonde 105, die mit dem Brust-Laserscanner 110 verbunden ist, verwendet, um das Gewebe der Brust zu detektieren. Beispielsweise wird die optische, in der Hand gehaltene Sonde 105 auf einem interessierenden Bereich, d.h. der Oberfläche der Brust, angeordnet. Da die optische, in der Hand gehaltene Sonde 105 klein und leicht genug ist, um in einer Hand gehalten zu werden, kann die optische, in der Hand gehalten Sonde 105 räum lich über längere Zeiträume wie etwa 10 Minuten bis hin zu etwa 30 Minuten gehandhabt werden, ohne ein Unbehagen oder eine Ermüdung der Hand oder des Arms hervorzurufen.
Bezug nehmend auf 3 sind drei optische Fasern einschließlich der Dauerzustands-Quellenfaser 122, der Frequenzbereichs-Quellenfaser 121 und der Dauerzustands-Detektorfaser 123, sowie die Lawinen-Photodiode 107 in der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 angeordnet. In dieser Ausführungsform kreuzen sich die Dauerzustands- und Frequenzbereichs-Messwege, wodurch es ermöglicht wird, dass die Dauerzustandsquellen und die Frequenzbereichsquellen annähernd dasselbe Volumen des Gewebes untersuchen. Ein Temperaturkontrollelement 75 und ein Lüfter (nicht dargestellt) stabilisieren die Temperatur. Moduliertes Licht von den Laserdioden 330 wird durch die Lawinen-Photodiode 107 detektiert, die in der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 angeordnet ist. Licht der Lampe 320 wird durch eine andere Faser detektiert, die zum Spektrometer 310 ausgerichtet ist.
Das Positionsverfolgungssystem für die optische, in der Hand gehaltene Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst beispielsweise ein magnetisches Positionsverfolgungssystem, ein optisches Positionsverfolgungssystem oder ein Laserpositionsverfolgungssystem.
4 zeigt eine optische, in der Hand gehaltene Sonde 105 unter Verwendung des magnetischen Positionsverfolgungssystems zum Verfolgen der Positionen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das magnetische Positionsverfolgungssystem weist eine Sensorspitze 420 und eine magnetische Basis 425 auf.
Bezug nehmend auf 4 ist die Sensorspitze 420 an einer Seite der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 befestigt. Die sensorspitze 420 kann jedoch an jedem beliebigen Teil der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 befestigt sein. Die Sensorspitze 420 kann mit einer elektrischen Einheit auf einer Leiterplatte verbunden sein, die im Computer 115 konfiguriert ist, indem entweder ein Draht 422 oder eine drahtlose Verbindung verwendet wird, um Positionsdaten der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 an den Computer 115 zu liefern. Die magnetische Basis 425 erzeugt ein Magnetfeld in der und um die Brust des Patienten. Die magnetische Basis 425 kann beispielsweise in der Nähe des Bettes des Patienten angeordnet sein. Die Anordnung der magnetischen Basis 425 kann jedoch auf der Basis der Stärke und der Formen der magnetischen Basis 425 variieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die magnetische Positionsverfolgungsbasis einen Würfel mit einer Seitenlänge von etwa 15 cm auf. Alternativ kann eine Positionsverfolgungsbasis in Form einer dünnen Platte verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Sensorspitze 420, die an der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 befestigt ist, innerhalb des Magnetfelds angeordnet. Die Bewegung der Sensorspitze 420 im Magnetfeld wird durch den Computer 115 registriert. Somit können die Positionen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 durch den Computer 115 beispielsweise im dreidimensionalen Raum bestimmt werden. Das magnetische Positionsverfolgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann entweder ein zwei- oder dreidimensionales Positionsverfolgungssystem sein. Sechs Freiheitsgrade zum Festlegen einer Bewegung der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 können unter Verwendung des dreidimensionalen Positionsverfolgungssystems erreicht werden. Das magnetische Positionsverfolgungssystem kann verwendet werden, um Positionen und Ausrichtungen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 während der präoperativen Chemotherapie kontinuierlich zu messen. Beispielsweise sind schrittweise oder auch kontinuierliche Scann-Positionen für die optische, in der Hand gehaltene Sonde 105 gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung möglich. Die magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung MicroBIRD^TM ist ein Beispiel für ein magnetisches Positionsverfolgungssystem. Wie einem Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, können auch andere magnetische Positionsverfolgungssysteme verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein optisches Positionsverfolgungssystem verwendet werden, um die Positionen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 zu bestimmen. Das optische Positionsverfolgungssystem weist beispielsweise eine Kamera auf, einen optischen Markierungsrahmen und ein Markierungscluster. 5(a) zeigt einen optischen Markierungsrahmen 501 für das optische Positionsverfolgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5(b) zeigt ein Markierungscluster 502 für das optische Positionsverfolgungssystem, das in der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
Die Kamera (nicht dargestellt) kann irgendwo im Raum angeordnet werden, in dem der Patient behandelt wird, um einen direkten Zugang zum optischen Markierungsrahmen 501 zu besitzen. Die Kamera kann die Position des Markierungsclusters 502 in der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 feststellen, wodurch die Positionen der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 bestimmt werden. Beispielsweise ist der optische Markierungsrahmen 501 am Bett des Patienten befestigt und die Kamera ist an der Decke des Raums befestigt. Eine Entfernung zwischen der Kamera und dem optischen Markierungsrahmen 501 wird automatisch gemessen. Wenn die optische, in der Hand gehaltene Sonde 105 einschließlich des Markierungsclusters 502 in der Sichtlinie der Kamera angeordnet wird, wird somit die Bewegung der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 bezüglich der Position des optischen Markierungsrahmens 501 detektiert. Um eine genaue Messung im optischen Positionsverfolgungssystem zu erhalten, ist es bevorzugt, dass das optische Positionsverfolgungssystem eine freie Sichtlinie zwischen Kamera und optischem Markierungsrahmen 501 besitzt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung finden Multikamera-Systeme (nicht dargestellt) zweidimensionale Markierungsanordnungen in den Bildern der Kameras und bestimmen ihre dreidimensionale Lage mittels Triangulation. Ebenso kann ein Stereo-Kamerasystem verwendet werden. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere optische Positionsverfolgungssysteme ebenfalls verwendet werden können.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch ein Laser-basiertes Positionsverfolgungssystem verwendet werden. Beispielhafte Laser-basierte Positionsverfolgungssysteme sind beschrieben in: 1) "Smart Laser-Scanner for 3D Human-Machine Interface" von A. Cassinelli, S. Perrin und M. Ishikawa, ACM SIGCHI 2005 (CHI '05) Internationale Konferenz über menschliche Faktoren bei Computersystemen, Portland, OR, USA, 2.–7. April 2005, Seiten 1138–1139 (2005); 2) "Markerless Laser-based Tracking for Real-Time 3D Gesture Acquisition" von A. Cassinelli, S. Perrin und M. Ishikawa, ACM SIGGRAPH 2004, Los Angeles; 3) "Gesture Recognition Using Laser-based Tracking System" von S. Perrin, A. Cassinelli und M. Ishikawa, 6. Internationale Konferenz zur automatischen Gesichts- und Gestenerkennung 2004 (FG 2004), Seoul, Korea, 17.–19. Mai 2004; und 4) "Laser-based Finger Tracking System Suitable for MOEMS Integration" von S. Perrin, A. Cassinelli und M. Ishikawa, Bild- und Sichtberechnungen, Neuseeland (IVCNZ 2003), Massey Univ., 26.–28. November 2003, Seiten 131–136, (2003). Die gesamten Inhalte der vier Referenzen sind hierin durch Bezugnahme umfasst.
Der Computer 115 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Schnittstelle, die gleichzeitig alle räumlichen und optischen Messwerte empfängt. Beispielsweise kann der Computer 115 eine dreidimensionale Umgebung erzeugen, die dazu geeignet ist, die erhaltenen Daten beispielsweise hinsichtlich Wasseranteil, Lipidanteil, sauer stoffangereichertem Hämoglobin oder Hämoglobin, dem Sauerstoff entzogen wurde, in einer klinisch hilfreichen Form anzuzeigen und zu bearbeiten. Die klinisch hilfreiche Form umfasst beispielsweise eine dreidimensionale Wolke von Punkten, eine farbkodierte Oberfläche auf Basis der DOS-Messungen, ein visuelles Ausfalten der Oberfläche, um eine flache Anzeige von Informationen zu erhalten, die den gesamten gemessenen Bereich umspannen, und eine zeitlich veränderliche zwei- oder dreidimensionale Anzeige, die die Entwicklung dieser Mengen im Verlauf der Zeit nach einer fortlaufenden Datenregistrierung zeigt. Außerdem kann eine dreidimensionale anatomische Brustabbildung erzeugt werden. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rekonstruiert der Computer 115 die Position und Größe des Tumors unter der Brustoberfläche unter Verwendung der gemessenen Informationen. Der Computer 115 bewertet auch die Reproduzierbarkeit der Messtechnik durch Verfolgen der spezifischen Messstelle auf dem Patienten.
Da der interessierende Bereich der Brust des Patienten bezüglich beispielsweise des magnetischen Koordinatensystems nicht in derselben Position liegt, wenn der Patient zurückkehrt, kann der Computer 115 einen Serienbildregistrierungsalgorithmus implementieren, der dazu geeignet ist, Patientenbrustdaten auf der Basis einer dreidimensionalen Topologie der Brust zu registrieren. Die Registrierung kann auf der Basis einer Messung der Koordinaten von einigen charakteristischen Punkten des Körpers erfolgen. Alternativ kann die Registrierung darauf basieren, dass viele Oberflächenpunkte mit einem beliebigen Positionsverfolgungssystem erhalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt die Anzeige 120, die mit dem Computer 115 verbunden ist, die gemessenen Mengen bezüglich beispielsweise des Wasseranteils, des Lipidanteils, des sauerstoffangereicherten Hämoglobins und des Hämoglobins, dem Sauerstoff entzogen worden ist, in einer dreidimensionalen Umgebung an, indem eine farbcodierte Oberfläche erzeugt wird. Die farbcodierte Oberfläche kann volumetrische Elemente mit einem Volumen aufweisen, das einem Durchschnittswert bei jeder Messung entspricht.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Scannen von Gewebe unter Verwendung einer optischen, in der Hand gehaltenen Sonde mit diffuser optischer Spektroskopie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt. Bezug nehmend auf 6 wird im Schritt 200 die optische, in der Hand gehaltene Sonde 105 mit dem Positionsverfolgungssystem auf dem Gewebe eines Patienten angeordnet. Das Positionsverfolgungssystem umfasst ein magnetisches, optisches oder ein Laser-Positionsverfolgungssystem. In Schritt 210 werden die optischen Daten und die Positionsdaten von der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 zum Computer übermittelt, wo sie verarbeitet werden. Im Schritt 220 können zwei- oder dreidimensionale Darstellungen unter Verwendung der optischen Daten und der Positionsverfolgungsdaten, die von der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 empfangen wurden, vom Computer 115 erzeugt werden. Im Schritt 230 wird die zwei- oder dreidimensionale Darstellung auf der Anzeige 120 angezeigt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die gemessenen optischen Daten und die Positionsdaten aus der DOS in Kombination mit den Daten verwendet werden, die aus einem Bildgebungsverfahren erhalten werden, beispielsweise mittels Magnetresonanzbildgebung (MRI). Beispielsweise wird ein MRI-Verfahren durchgeführt, um innere Strukturen der Brüste abzubilden, und die DOS wird unter Verwendung der optischen, in der Hand gehaltenen Sonde 105 auf den Brüsten durchgeführt. Anschließend können die Informationen wie die Abbildung der Bruststrukturen aus dem MRI-Verfahren beispielsweise mit der zweidimensionalen Oberfläche der Brüste, die auf der Anzeige 120 angezeigt wird, überlagert werden.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Testen der Verlässlichkeit der Positionsverfolgungssysteme beschreibt, indem wiederholte Messungen auf einem Silikon-Brustphantom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Das Silikon-Brustphantom umfasst eine Inklusion. Die Reproduzierbarkeit kann sowohl auf einer täglichen als auch auf einer wöchentlichen Basis getestet werden, um verschiedene Längenmessungen zu simulieren. Bezug nehmend auf 7 wird im Schritt 700 das Positionsverfolgungssystem verwendet, um genug Punkte auf der Phantomoberfläche zu erfassen und ein Oberflächenmodell zu erzeugen. Im Schritt 710 werden bekannte charakteristische Oberflächenpunkte auf dem Phantom identifiziert. Im Schritt 720 werden die charakteristischen Punkte unter Verwendung des Positionsverfolgungssystems für eine Seriendatenregistrierung in Längenstudien gemessen. Im Schritt 730 werden die DOS-Messungen auf dem Phantom durchgeführt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurden, soll es klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese exakten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen von einem Fachmann durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. All diese Veränderungen und Modifikationen sollen vom Schutzumfang der Erfindung umfasst sein, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

System für die diffuse optische Spektroskopie mit: einem Brust-Laserscanner; einer in der Hand gehaltenen Sonde, die mit dem Brust-Laserscanner verbunden ist, zum Scannen einer Brust; und einer Positionsverfolgungsvorrichtung, die mit der in der Hand gehaltenen Sonde verbunden ist, wobei die Positionsverfolgungsvorrichtung räumliche Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde relativ zur Brust bestimmt.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 1, des Weiteren mit einem Prozessor zum Verarbeiten von optischen Daten, die von der in der Hand gehaltenen Sonde erhalten werden, und von Positionsdaten, die von der Positionsverfolgungsvorrichtung erhalten werden.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 2, des Weiteren mit einer Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der verarbeiteten optischen Daten und Positionsdaten in einer wenigstens zweidimensionalen Umgebung.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 2, wobei die optischen Daten wenigstens Volumenanteile von Wasser, Lipid, sauerstoffangereichertem Hämoglobin oder Hämoglobin, dem Sauerstoff entzogen ist, umfassen.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 2, wobei die Positionsverfolgungsvorrichtung eine magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung, eine optische Positionsverfolgungsvorrichtung oder eine Laserpositionsverfolgungsvorrichtung ist.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 5, wobei die magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung eine Sensorspitze und eine magnetische Positionsverfolgungsbasis zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist, und wobei eine Bewegung der Sensorspitze im Magnetfeld durch den Prozessor erfasst wird, um die räumlichen Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde relativ zur Brust zu bestimmen.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 1, wobei die optische Positionsverfolgungsvorrichtung einen optischen Markierungsrahmen, ein Markierungscluster und eine Kamera aufweist, und wobei eine Bewegung der in der Hand gehaltenen Sonde einschließlich des Markierungsclusters bezüglich der Position des optischen Markierungsrahmens detektiert wird, wenn die in der Hand gehaltene Sonde in einer Sichtlinie der Kamera angeordnet wird.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 1, wobei der Brust-Laserscanner Laserstrahlen für die Bildgebung der Brust erzeugt.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 1, wobei die räumlichen Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde kontinuierlich gemessen werden.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 3, wobei die Anzeigevorrichtung eine farbkodierte Oberfläche mit volumetrischen Elementen anzeigt, die ein Volumen besitzen, das einem durchschnittlichen Testvolumen bei jeder Messung entspricht.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 10, wobei die Oberfläche visuell ausgefaltet wird, um eine flache Anzeige von Informationen zu erhalten, die einen gesamten gemessenen Bereich umspannen.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 3, wobei eine Position, Größe und funktionelle oder physiologische Eigenschaften des Tumors unter einer Oberfläche der Brust unter Verwendung der optischen Daten und der Positionsdaten bestimmt werden, und wobei die funktionellen oder physiologischen Eigenschaften wenigstens Anteile von Wasser, Lipid, sauerstoffangereichertem Hämoglobin und Hämoglobin, dem Sauerstoff entzogen ist, umfassen.
System für die diffuse optische Spektroskopie mit: einer in der Hand gehaltenen Sonde und einer Positionsverfolgungsvorrichtung in einem ersten Gehäuse, wobei das erste Gehäuse so dimensioniert ist, dass es entweder in der Hand gehalten oder von einem Anwender getragen werden kann; und einem Prozessor, der betrieben werden kann, um unter Verwendung der optischen Daten, die von der in der Hand gehaltenen Sonde erhalten werden, und von Positionsdaten, die von der Positionsverfolgungsvorrichtung erhalten werden, eine wenigstens zweidimensionale Darstellung zu erzeugen.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 13, wobei die Positionsverfolgungsvorrichtung eine magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung, eine optische Positionsverfolgungsvorrichtung oder eine Laserpositionsverfolgungsvorrichtung ist.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 14, wobei die magnetische Positionsverfolgungsvorrichtung eine Sensorspitze und eine magnetische Positionsverfolgungsbasis zum Erzeugen eines Magnetfeldes umfasst, und wobei eine Bewegung der Sensorspitze im Magnetfeld vom Prozessor erfasst wird, um räumliche Anordnungen der in der Hand gehaltenen Sonde relativ zu einem Körperteil eines Patienten zu bestimmen.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 14, wobei die optische Positionsverfolgungsvorrichtung einen optischen Markierungsrahmen, ein Markierungscluster und eine Kamera umfasst, und wobei eine Bewegung der in der Hand gehaltenen Sonde einschließlich des Markierungsclusters bezüglich der Position des optischen Markierungsrahmens detektiert wird, wenn die in der Hand gehaltene Sonde in einer Sichtlinie der Kamera angeordnet wird.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 13, wobei die optischen Daten wenigstens Volumenanteile von Wasser, Lipid, sauerstoffangereichertem Hämoglobin oder Hämoglobin, dem Sauerstoff entzogen ist, umfassen.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 13, des Weiteren mit einer Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der wenigstens zweidimensionalen Darstellung.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 18, wobei die Anzeigevorrichtung eine farbcodierte Oberfläche mit volumetrischen Elementen erzeugt, die ein Volumen aufweisen, das einem durchschnittlichen Testvolumen bei jeder Messung entspricht.
System für die diffuse optische Spektroskopie nach Anspruch 19, wobei die Oberfläche visuell ausgefaltet wird, um eine flache Anzeige von Informationen zu erhalten, die einen gesamten gemessenen Bereich umspannen.
Verfahren zum Scannen von Gewebe unter Verwendung einer in der Hand gehaltenen Sonde eines Systems für die dif fuse optische Spektroskopie, das folgende Schritte aufweist: Anordnen einer in der Hand gehaltenen Sonde auf einem Gewebe; Erhalten und Verarbeiten von optischen Daten und Positionsdaten, die von der in der Hand gehaltenen Sonde erhalten werden; Erzeugen einer wenigstens zweidimensionalen Darstellung unter Verwendung der optischen Daten und der Positionsdaten; und Anzeigen der wenigstens zweidimensionalen Darstellung.
Verfahren nach Anspruch 21, des Weiteren mit den folgenden Schritten: Durchführen eines Verfahrens zur Magnetresonanzbildgebung; und Überlagern der durch die Magnetresonanzbildgebung erhaltenen Daten mit der wenigstens zweidimensionalen Darstellung.