DE102007063626A1

DE102007063626A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten und Navigationssystem für Gehirnoperationen

Info

Publication number: DE102007063626A1
Application number: DE102007063626A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Hauger; Werner Dr. Nahm; Theo Prof. Lasser; Marcel Dr. Leutenegger; Erica Dr. Martin-Williams; Antonio Lopez
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2009-09-10
Also published as: JP2008289870A; DE102008051950A1; US20100130869A1; DE102007018641A1; DE102008051950B9; EP1982645A1; DE102007018641B4; US20090054788A1; DE102008051950B4; DE102007018641B8

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Darstellen eines Teils des Gehirns eines Patienten bereitgestellt. Es werden Laser-Doppler-Bilder vor und nach einer Stimulation aufgenommen. Die Laser-Doppler-Bilder enthalten Informationen über eine Blutbewegung oder eine Perfusion des aufgenommenen Gebietes. Die Blutbewegungsbilder vor und nach der Stimulation werden sodann verglichen, um Areale im Gehirn des Patienten zu identifizieren, welche mit der Stimulation in Beziehung stehen.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines zusammenhängenden Gebietes in dem Gehirn, welches nach einer Stimulation aktiviert oder deaktiviert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Navigationssystem für Gehirnoperationen, welches zum Darstellen eines Feldes des Gehirns und Bestimmen eines zusammenhängenden Gebiets des Gehirns geeignet ist.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Untersuchen des Gehirns bekannt. Bildgebende Verfahren, d. h. Verfahren, welche ausgedehnte Bereiche des Gehirns darstellen, sind z. B. die Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschallverfahren. Als Verfahren zur funktionellen Untersuchung des Gehirns sind z. B. Elektroenzephalographie (EEG), Magnetoenzephalographie (MEG), Positronenemissionstomographie (PET) sowie funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) bekannt. Insbesondere hat in den letzten Jahren die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) viel zum Verständnis des Aufbaus des Gehirns beigetragen. Eine neuronale Aktivierung gewisser Hirnbereiche kann zu einem Anstieg des oxidierten Hämoglobins in den Kapillaren des aktivierten Hirngewebes führen. Mit fMRT ist es möglich, den Anstieg des oxidierten Hämoglobins örtlich zu detektieren. Ein Kontrast aufgrund eines Oxygenierungsgrades des Blutes kommt aufgrund einer veränderten Suszeptibilität des Blutes in Abhängigkeit von dem Oxygenierungsgrad zustande. Dieser Effekt wird GOLD (Blond Oxygination Level Dependent)-Kontrast genannt. Damit ist es mit dieser Technik möglich, eine Hirnaktivierung gewisser Bereiche im Gehirn mit einer Zeitauflösung von wenigen Sekunden zu messen, und somit funktionelle Bereiche im Gehirn zu identifizieren. Ein Nachteil dieser Technik ist die relativ grobe Zeitauflösung und die hohen Kosten. Auch ist es aufgrund der relativ hohen erforderlichen Integrationszeiten der Messung notwendig, daß der Patient während dieser Zeitspanne keine Bewegungen durchführt. Andererseits entstehen durch Patientenbewegungen massive Artefakte in der funktionellen Information, welche nachträglich nur schwer korrigiert werden können. Dazu sind nämlich aufwendige Drehungen und Verschiebungen der Datensätze gegeneinander notwendig, was sogar Verformungen der Datensätze umfassen kann. Trotz dieser Probleme und Nachteile von fMRT ist diese Technik bis heute die Methode der Wahl, funktionelle Gebiete im Gehirn zu identifizieren. Dabei werden typischerweise fMRT-Bilder vor und nach einer Stimulation verglichen. Aus den Unterschieden der beiden Bilder können mit der Stimultion in Beziehung stehende Bereiche des Gehirns bestimmt werden. Inbesondere haben diese Untersuchungen ergeben, daß eine höhere Aktivität des Gehirns zu einem höheren Blutfluß und zu einer erhöhten Sauerstoffkonzentration führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Identifizieren von funktionellen Gebieten im Gehirn eines Patienten bereitzustellen, sowie eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für Gehirnoperationen bereitzustellen.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten bereitgestellt, welches umfaßt: Beleuchten des Feldes des Gehirns mit Meßlicht und Aufnehmen wenigstens einer ersten Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes, sodann Stimulieren des Patienten, sodann Beleuchten des Feldes des Gehirns mit dem Meßlicht und Aufnehmen wenigstens einer zweiten Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes, und Auswerten der ersten und der zweiten Sequenz von Bildern, indem: (a) Pixeln in der ersten Sequenz von Bildern, auf die gleiche Orte des Feldes abgebildet werden, jeweils ein erster Analysebildwert zugeordnet wird, welcher von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten dieser Pixel abhängt, (b) Pixeln in der zweiten Sequenz von Bildern, auf die die gleichen Orte des Feldes abgebildet werden, jeweils ein zweiter Analysebildwert zugeordnet wird, welcher von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten dieser Pixel abhängt, und wobei das Verfahren ferner umfaßt: Bestimmen eines Ausgabebildes aus den ersten und den zweiten Analysebildwerten und Darstellen des Ausgabebildes.
Typischerweise ist während der Durchführungs dieses Verfahren die Schädeldecke des Patienten geöffnet. Die erste Sequenz von Bildern nimmt einen Referenzzustand des Feldes des Gehirns auf. Sodann wird der Patient stimuliert, um eine Aktivierung gewisser Gebiete des Gehirns zu erreichen. Die danach aufgenommene zweite Sequenz von Bildern kann einen aktivierten Zustand des Feldes des Gehirns repräsentieren. Ein Bild ist durch Bildwerte in einer Mehrzahl von Pixeln gegeben. Die Bildwerte entsprechen dabei detektierten Intensitäten des Messlichts, welches mit dem Feld des Gehirns interagiert hat und aus diesem zurückgeworfen wird. Bildwerte von Pixeln werden hinsichtlich ihrer zeitlichen Änderung analysiert. Insbesondere werden Amplituden oder/und Frequenzen dieser zeitlichen Änderungen herangezogen, um für die erste Sequenz von Bildern einen ersten Analysebildwert und die zweite Sequenz von Bildern einen zweiten Analysebildwert zu bestimmen. Ein Ausgabebild wird aus den ersten und zweiten Analysebildwerten bestimmt und dieses wird nachfolgend dargestellt. Das Darstellen kann dabei in Form eines zweidimensionalen Bildes, eines Graphen, einer Mehrzahl von Graphen, erfolgen. Bei dem zweidimensionalen Bild kann es sich um ein Graubild, ein Falschfarbenbild, oder dergleichen handeln. Auch können dreidimensionale Darstellungen zur Anwendung kommen. Eine Abhängigkeit des ersten und zweiten Analysebildwertes von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten ist dabei dann gegeben, wenn sich eine Änderung des ersten bzw. zweiten Analysebildwertes aufgrund von zeitlichen Änderungen von ersten bzw. zweiten Bildwerten ergibt. Damit ist eine konstante Abhängigkeit hierbei nicht gemeint. Das Ausgabebild wird dabei aus den ersten und zweiten Analysebildwerten bestimmt, so daß sich das Ausgabebild ändert, wenn sich entweder die ersten oder die zweiten Analysebildwerte ändern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Aufnehmen der Bilder der ersten und zweiten Sequenz ein Belichten von Detektorelementen eines Bilddetektors während einer Belichtungszeit von weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,03 ms. Das Begrenzen der Belichtungszeit bewirkt, daß das von dem beleuchteten Feld des Gehirns ausgehende Licht nur über kurze Zeiten von kleiner als 1 ms aufaddiert wird, um Bildwerte zu detektieren. Damit können zeitliche Schwankungen hoher Frequenzen detektiert werden, was zur Durchführung des Verfahrens notwendig ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, umfaßt das Aufnehmen der Bilder der ersten und der zweiten Sequenz ein Aufnehmen von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern mit einem zeitlichen Abstand von weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,05 ms. Durch Wählen dieser zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Bildern ist es möglich, Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten zu detektieren, welche 0.5 kHz, 5 kHz und insbesondere 10 kHz umfassen. Damit sind Identitätsschwankungen detektierbar, welche aus Laser-Doppler-Signalen resultieren, welche von Teilchen erzeugt sind, die sich zwischen 0,4 mm/s und 8 mm/s bewegen, wenn als Beleuchtungslicht einer Wellenlänge von etwa 800 nm verwendet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfaßt das Aufnehmen der Bilder ein Detektieren von Meßlicht, wobei Anteile des detektierten Meßlichts mit Wellenlängen größer als 1300 nm und kleiner als 600°nm, insbesondere größer als 820 nm und kleiner als 780°nm weniger als 10% einer Gesamtintensität des detektierten Meßlichts betragen. Verwendung von Licht mit Wellenlängen eines so definierten Bereiches ermöglicht eine Eindringtiefe in menschliches Gewebe, insbesondere Hirngewebe, von etwa 1 bis 2 mm. Insbesondere wird der Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 1300 nm als das ”diagnostische Fenster” bezeichnet. Damit können Laser-Doppler-Signale von Teilchen, welche sich innerhalb dieser Eindringtiefe befinden und sich gegeneinander bewegen, detektiert werden. Das Meßlicht kann dabei eine Kohärenzlänge aufweisen, welche im wesentlichen der doppelten Eindringtiefe entspricht. Verwenden von Meßlicht dieser Kohärenzlänge ermöglicht, eine Interferenz von Licht zu detektieren, welches von zwei Teilchen reflektiert wurde, die eine Strecke der Eindringtiefe voneinander entfernt sind. Damit kann sichergestellt werden, dass auch das in tiefste Punkte der Feldes des Gehirns vorgedrungende Licht mit Licht zur Intererenz kommen kann, welches von der Oberfläche des Feldes des Gehirns reflektiert wurde. Damit kann eine Sensitivität erhöht sein.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfaßt das Bestimmen des Ausgabebildes aus den ersten und den zweiten Analysebildwerten ein Berechnen einer Differenz oder/und eines Verhältnisses von ersten und zweiten Termen, wobei die ersten Terme von den ersten Analysebildwerten und die zweiten Terme von den zweiten Analysebildwerten abhängen. Das Ausgabebild kann somit beispielsweise durch Bilden einer Differenz von mit verschiedenen oder gleichen Faktoren multiplizierten ersten und zweiten Analysebildwerten erhalten werden. Es kann jedoch auch eine mathematische Funktion auf die ersten und zweiten Analysebildwerte angewendet werden, bevor eine Differenzbildung vorgenommen wird. Diese mathematischen Funktionen umfassen beispielsweise ein Bilden eines Logarithmus, ein Bilden einer Potenz, ein Bilden eines Produkts und dergleichen. Nach ähnlichen Modifizierungen der ersten und zweiten Analysebildwerte kann ein Verhältnis davon gebildet werden, um das Ausgabebild zu erhalten. Eine besonders einfache Variante, einen Unterschied des Feldes des Gehirns vor und nach dem Stimulieren zu bestimmen, ist die Differenz des ersten und zweiten Analysebildes zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Koordinatensystem relativ zu einem Kopf des Patienten festgelegt. Damit ist eine feste Beziehung zwischen Orten im Feld des Gehirns und Pixeln, auf welche das von dem Feld des Gehirns ausgehende Licht abgebildet wird, gegeben. Das Festlegen eines Koordinatensystems kann dabei ein Verankern eines Referenzrahmens an dem Kopf des Patienten umfassen. Dabei kann der Kopf des Patienten durch mindestens drei Dornen oder Kissen gehaltert werden. Die Dornen oder Kissen kontaktieren dabei den Schädel des Patienten. Alternativ kann das Koordinatensystem dadurch festgelegt werden, daß vorbestimmte Referenzpunkte an dem Kopf des Patienten detektiert werden. Das Detektieren von vorbestimmten Referenzpunkten kann dabei ein optisches Detektieren umfassen. Dabei können mehrere Kameras bereitgestellt sein, um Koordinaten mindestens dreier vorbestimmter Orte am Kopf des Patienten zu detektieren. Weiterhin werden die Kameras dazu benutzt, Koordinaten der Vorrichtung zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns zu ermitteln.
Gemäß dieser zuletzt genannten Ausführungsformen können weiterhin Koordinaten von Orten des Feldes des Gehirns in dem Koordinatensystem bestimmt werden, welche Orte auf ausgewählte Pixel in dem Ausgabebild abgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfaßt dieses weiterhin ein Bestimmen wenigstens eines zusammenhängenden Bereiches in dem Ausgabebild, in dem Intensitätswerte größer als ein Schwellwert sind. Damit ist es möglich, Bereiche in dem Ausgabebild auszuzeichnen, welche beispielsweise große Unterschiede von Analysebildwerten vor und nach der Stimulierung zeigen. Diese Bereiche in dem Ausgabebild können dabei aktivierten oder deaktivierten Bereichen im Feld des Gehirns entsprechen. Dies kommt einem Identifizieren von funktionellen Bereichen im Gehirn gleich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der wenigstens eine bestimmte Bereich in Überlagerung mit dem Ausgabebild dargestellt werden. Mögliche Darstellungen umfassen dabei eine Umkreisen des bestimmten Bereichs mit einer Linie, ein Einfärben des bestimmten Bereichs, oder dergleichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können dabei Koordinaten von Orten, welche auf den wenigstens einen bestimmten Bereich in dem Ausgabebild abgebildet werden, bestimmt werden. Somit können Orte von funktionellen Bereich im Gehirn des Patienten relativ zu einem Bezugssystem des Kopfes bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der erste oder/und der zweite Analysebildwert einen Wert, der eine Perfusion, eine Konzentration, eine mittlere Geschwindigkeit, und ein Maß für eine Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere eine Standardabweichung der Geschwindigkeitsverteilung, von sich relativ zueinander bewegenden Teilchen, insbesondere Blutzellen, oder eine Kombination derselben repräsentiert. Somit ist es möglich, mit dem beanspruchten Verfahren eine Blutbewegung zu detektieren und zu quantifizieren. Der so spezifizierte Analysebildwert kann dabei durch ein Frequenzspektrum der zeitlichen Änderungen von Bildwerten erhalten werden. Insbesondere kann die Konzentration von sich relativ zueinander bewegenden Teilchen als ein nulltes Moment der Frequenzverteilung erhalten werden. Die Perfusion kann als ein erstes Moment der Frequenzverteilung erhalten werden. Eine mittlere Geschwindigkeit oder ein Maß für eine Geschwindigkeitsverteilung kann als ein Verhältnis der Perfusion und der Konzentration der sich relativ zueinander bewegenden Teilchen erhalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt dieses ferner ein Wiederholen des Aufnehmens der ersten oder/und der zweiten Sequenz von Bildern als zeitliche Abfolgen und Auswerten der wiederholt aufgenommenen ersten bzw. zweiten Sequenzen von Bildern. Damit sind zeitliche Abfolgen von ersten und zweiten Analysebildwerten erhalten. Dies kann einen Film von ersten und zweiten Analysebildwerten repräsentieren. Aus einem sochen Film können Rückschlüsse auf den Zeitverlauf einer Aktivierung oder Deaktivierung von Gehirnbereichen nach einer Stimulierung erhalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die zeitlichen Abfolgen der ersten bzw. zweiten Analysebildwerte dargestellt oder/und gespeichert werden. Ein Darstellen der zeitlichen Abfolgen der ersten bzw. zweiten Analysebildwerte kann dabei einem Abspielen eines Films der ersten bzw. zweiten Analysebildwerte entsprechen. Ein Abspeichern der Abfolgen der ersten bzw. zweiten Analysebildwerte kann dabei auch ein Abspeichern der Koordinaten des Feldes des Gehirns im Bezugssystem des Kopfes des Patienten, sowie das Abspeichern einer Repräsentation der zwischen den ersten und zweiten Sequenzen erfolgten Stimulierung umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfaßt das Stimulieren ein Auffordern, einen bestimmten Körperteil zu bewegen. Dieser Körperteil kann beispielsweise eine Extremität sein, wie etwa ein Finger.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Stimulieren ein Verabreichen eines Wirkstoffs an den Patienten. Dabei kann der Wirkstoff inkorporiert werden oder äußerlich angewendet werden. Das Verabreichen des Wirkstoffs kann auch ein Bestrahlen des Patienten umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Stimulieren ein Ausüben eines visuellen oder/und akustischen Reizes auf den Patienten. Dabei können dem Patienten beispielsweise Bilder präsentiert werden, oder es können ihm Klänge, wie etwa Musik oder Sprache, vorgespielt werden. Auch kann dieser Reiz eine Aufforderung umfassen, eine bewußte Tätigkeit auszuführen. Diese Tätigkeit kann beispielsweise ein Bewegen eines Fingers umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt dieses weiterhin ein Entfernen von Bereichen des Gehirns in Abhängigkeit von dem Ausgabebild oder/und den bestimmten Koordinaten oder/und dem wenigstens einen zusammenhängenden Bereich in dem Ausgabebild. Dabei kann beispielsweise ein zuvor bestimmter zusammenhängender Bereich in dem Feld des Gehirns umgangen werden, um Zugang zu Bereichen des Gehirns zu erlangen, welche zu entfernen sind. Die zu entfernenden Bereiche können dabei in Schichten des Gehirns liegen, welche in einer Tiefe liegen, die tiefer als die Eindringtiefe der Messstrahlung ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt dieses weiterhin ein Aufnehmen eines Bildes des Feldes des Gehirns in einem sichtbaren Wellenlängenbereich. Weiterhin kann das Bild in einem sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Überlagerung mit den ersten Analysebildwerten oder/und mit den zweiten Analysebildwerten oder/und mit dem Ausgabebild dargestellt werden. Hierbei können insbesondere an der Oberfläche des Gehirns liegende Blutgefäße abgebildet werden und gleichzeitig die bestimmten Blutflußcharakteristika dargestellt werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Navigationssystem für Gehirnoperationen bereitgestellt, welches eine Positionserfassungsvorrichtung, um Koordinaten von Orten eines Gehirns eines Patienten zu erfassen, und eine Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern umfaßt, welche dazu konfiguriert ist, ein Feld des Gehirns mit Meßlicht zu beleuchten und wenigstens eine Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen, und die Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem Pixeln in der Sequenz von Bildern, auf die gleiche Orte des Feldes abgebildet werden, jeweils ein Analysebildwert zugeordnet wird, welcher von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten dieser Pixel abhängt. Einerseits können mit diesem System Laser-Doppler-Bilder eines Feldes eines Gehirns aufgenommen werden. Andererseits ermöglicht die bereitgestellte Positionserfassungsvorrichtung, einzelnen Punkten in diesen Bildern Orte des Gehirns zuzuordnen. Damit können Orte im Gehirn identifiziert werden, deren Laser-Doppler-Signale nach einer Stiumulierung Änderungen zeigen. Die Positionserfassungsvorrichtung kann dabei auf verschiedene Weisen ausgeführt sein. Eine Möglichkeit ist die Bereitstellung eines Kopfverankerungssystems, welches dazu ausgebildet ist, den Kopf des Patienten durch mindestens drei Dorne oder Kissen in einer festen Position relativ zu einer Objektebene der Meßvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern zu haltern. Die Positionserfassungsvorrichtung kann auch eine optische Positionserfassungsvorrichtung sein, wobei die Koordinaten von vorbestimmten Punkten des Kopfes des Patienten bestimmt werden. Parallel dazu werden die Koordinaten von vorbestimmten Punkten der Meßvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern bestimmt. Damit kann eine Beziehung zwischen einem Koordinatensystem der Meßvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern und einem Koordinatensystem des Gehirns des Patienten bestimmt werden. Damit ist eine Abbildung zwischen Punkten von der Meßvorrichtung aufgenommener Bildern und Orten des Gehirns des Patienten gegeben. Die Meßvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern ist dazu ausgebildet, eine Sequenz von Bildern des Feldes des Gehirns zeitlich hintereinander aufzunehmen. Diese aufgenommene Sequenz von Bildern wird dann ausgewertet, indem in jedem Pixel erhaltene Intensitätswerte des von dem Feld des Gehirns ausgehenden Lichts hinsichtlich ihrer zeitlichen Änderungen analysiert werden. Ein aus dieser Analyse der zeitlichen Änderungen von Bildwerten erhaltener Analysebildwert kann dabei unter Zuhilfenahme eines Frequenzspektrums erhalten werden, welches aus den zeitlichen Änderungen der Bildwerte bestimmt werden kann. Insbesondere können dabei Momente des Frequenzspektrums der zeitlichen Änderungen umfaßt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung umfaßt die Meßvorrichtung zum Aufnehmen der Bilder eine Kamera, deren Integrationszeit auf weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,03 ms einstellbar ist. Damit ist eine detektierbare Änderungsfrequenz der zeitlichen Änderungen der Bildwerte größer als 1 kHz, insbesondere größer als 10 kHz und weiter insbesondere größer als 30 kHz meßbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Meßvorrichtung zum Aufnehmen der Bilder eine Kamera, deren Frame-Rate auf mehr als 1 kHz, insbesondere mehr als 10 kHz und weiter insbesondere mehr als 20 kHz einstellbar ist. Damit ist es möglich, die zeitlichen Änderungen der Bildwerte mit einer Frequenz abzutasten, die mehr als 1 kHz, insbesondere mehr als 10 kHz und weiter insbesondere mehr als 20 kHz ist. Insbesondere können Detektoren der Kamera CMOS-Sensoren umfassen. Eine Frequenzanalyse eines derart aufgenommenen Signals von zeitlichen Änderungen erlaubt ein Bestimmen von Frequenzkomponenten, welche zu dem Signal der zeitlichen Änderungen beitragen. Entsprechend des Nyquist-Theorems können somit Frequenzkomponenten bestimmt werden, deren Frequenzen größer als 0,5 kHz, insbesondere größer als 5 kHz und weiter insbesondere mehr als 10 kHz sind. Eine Analyse der zeitlichen Änderungen der Bildwerte hinsichtlich des Bestimmens eines Frequenzspektrums umfaßt dabei das Bestimmen der Amplituden und Frequenzen der Frequenzkomponenten, welche als Summe die aufgenommenen zeitlichen Änderungen ergeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung ist in einem Strahlengang vor der Kamera ein Bandpaßfilter angeordnet, dessen Transmissionscharakteristik derart ausgebildet ist, daß eine Transmission von Licht mit Wellenlänger größer als 1300 nm und kleiner als 600 nm, insbesondere größer als 820 nm und kleiner als 780 nm, weniger als 10% einer Gesamttransmission des Bandpaßfilters beträgt. Dies ermöglicht, daß nur gewünschtes Licht, welches von dem Feld des Gehirns ausgeht, von der Kamera detektiert wird. Hierbei ist es beispielsweise möglich, als Meßlicht einen kleinen Spektralbereich eines sichtbaren Lichts zu verwenden und gleichzeitg das Feld des Gehirns zur visuellen Inspektion mit weißem Licht (Licht, welches Längenlängen in dem gesamten sichtbaren Bereich enthält) zu beleuchten, ohne daß dieses von dem Feld des Gehirns reflektierte weiße Licht die Messung stört.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Meßvorrichtung eine Lichtquelle, deren Emissionsspektrum derart geformt ist, dass eine emittierte Intensität von Licht mit Wellenlängen größer als 1300 nm und kleiner als 600 nm, insbesondere größer als 820 nm und kleiner als 780 nm weniger als 10% einer Gesamtintensität beträgt. Wenn in dieser Ausführungsform kein weiteres Störlicht auf das Feld des Gehirns auftrifft, ist somit sichergestellt, daß die Kamera nur Licht aus einem bestimmten Wellenlängenbereich detektiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung umfaßt das Navigationssystem weiterhin eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern des Gehirns des Patienten im sichtbaren Wellenlängenbereich. Mit dieser Bereitstellung ist es möglich, neben Laser-Doppler-Bildern auch Bilder im sichtbaren Wellenlängenbereich aufzunehmen. Dies kann vorteilhaft sein, bestimmte in dem sichtbaren Wellenlängenbereich erkennbare Details des Feldes des Gehirns Details in den Laser-Doppler-Bildern zuzuordnen. Beispielsweise kann damit ein Blutfluß in Blutgefäßen an der Oberfläche des Gehirns untersucht werden. Insbesondere kann dadurch auch ein Blutfluß in Gebieten untersucht werden, welche nicht durch im sichtbaren Wellenlängenbereich erkennbare Blutgefäße durchzogen sind.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung umfaßt das Navigationssystem weiterhin eine Anzeigevorrichtung, um ein Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich darzustellen, insbesondere in einer Überlagerung mit Analysebildwerten. Damit ist es weiterhin ermöglicht, in dem sichtbaren Wellenlängenbereich erkennbare Details Details zu überlagern, welche in den Laser-Doppler-Bildern erkennbar sind. Dies erleichtert eine Interpretation der Laser-Doppler-Bilder durch einen Betrachter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung ist das Navigationssystem dazu ausgebildet, das Verfahren des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Damit können mit dem Navigationssystem vor und nach einer Stimulierung Laser-Doppler-Bilder aufgenommen und dargestellt, sowie deren Änderungen bestimmt werden. Somit ist diese Vorrichtung dazu geeignet, eine durch eine Stimulierung ausgelöste Veränderung einer Blutflußcharakteristik im Gehirn zu untersuchen. Diese Bereiche können dabei als aktivierte oder deaktivierte Bereiche interpretiert werden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Navigationssystem für Gehirnoperationen gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Auswerteverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Verfahren zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt Prinzipien eines Meßprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt ein Feld eines Gehirns eines Patienten, wobei
5A ein Weißlichtbild und
5B ein Laser-Doppler-Bild zeigt;
6 zeigt einen Graphen gemäß eines Analyseverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und
7 zeigt eine Überlagerung eines Weißlichtbildes und eines gemäß eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung gewonnenen Ausgabebildes aus Laser-Doppler-Bildern, welche vor und nach einer Stimulation gewonnen wurden.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Navigationssystems für Gehirnoperationen gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung. Das Navigationssystem 1 umfaßt ein Abbildungssystem 2, eine Meßlichtkamera 3, eine Steuer- und Auswerteeinheit 4, eine Weißlichtkamera 6, eine Stimulationsvorrichtung 5 und eine Positionserfassungseinrichtung 7. In einer Objektebene 9 des Abbildungssystems 2 ist ein Feld 11 eines Gehirns 13 eines Kopfes 15 angeordnet. Der Kopf 15 des Patienten ist mittels einer Kopfverankerungsvorrichtung 17 über ein Gestänge 21 mit einer Basis 19 verbunden. Dabei ist der Kopf des Patienten über Dornen 17a, 17b und einen verdeckten Dorn 17c, welche mit der Kopfverankerungsvorrichtung verbunden sind, gehaltert. Mit der Basis 19 und somit auch mit der Kopfverankerungsvorrichtung 17 ist ein Koordinatensystem 23 verbunden. Dieses Koordinatensystem 23 ist durch Koordinatenachsen x, y und z aufgespannt. Das Abbildungssystem 2 ist ebenfalls über das Gestänge 21 mit der Basis 19 verbunden. Das Abbildungssystem 2 umfaßt eine Lichtquelle 25, von welcher Licht 27 ausgeht. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Lichtquelle ein Laser, der Licht einer Wellenlänge von 808 nm aussendet. Die Kohärenzlänge des Lichtes liegt bei einigen mm. Das von der Lichtquelle 25 ausgehende Licht 27 wird durch eine Strahlformungsoptik 29 in Meßlicht 31 geformt, welches im wesentlichen ebene Wellenfronten umfaßt. Meßlicht 31 fällt durch einen halbdurchlässigen Spiegel 33 und einen halbdurchlässigen Spiegel 35. Sodann trifft das Meßlicht auf das Feld 11 des Gehirns 13 auf. Meßlicht, welches mit einem Punkt x, y im Feld 11 des Gehirns 13 interagiert hat, geht von diesem Punkt x, y aus, fällt durch den halbdurchlässigen Spiegel 35 und wird von dem halbdurchlässigen Spiegel 33 reflektiert, um Licht 37 zu bilden. Licht 37 fällt in die Meßlichtkamera 3. Dabei durchläuft das Licht 37 einen Bandpaßfilter 39. Der Bandpassfilter lässt Licht in einem Wellenlängenbereich von 780 nm bis 820 nm passieren. Nachfolgend durchläuft das gefilterte Licht 37 ein Kameraobjektiv 41, um in einem Pixel (i, j) eines Detektors 43 detektiert zu werden. Der Detektor 43 umfasst CMOS-Sensoren und ist mit der Steuer- und Auswerteeinheit 4 verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit umfaßt eine Verarbeitungseinheit 45, eine Anzeigeeinheit 47, eine Eingabeinheit 49 und eine Speichereinheit 51. Die Verarbeitungseinheit 45 ist dazu ausgebildet, eine Sequenz von Bildern, welche jeweilse durch Bildwerte I (i, j) gegeben sind, auszuwerten. Das genaue Auswerteverfahren wird weiter unten beschrieben. Die Weißlichtkamera umfasst ein Kameraobjektiv und einen Detektor 44 zum Aufnehmen von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Eine in 1 nicht dargestellte Weißlichtquelle beleuchtet das Feld 11 des Gehirns. Von einem Punkt (x, y) des Feldes des Gehirns reflektiertes weisses Licht wird an dem halbdurchlässigen Spiegel 35 reflektiert durchläuft ein Kameraobjektiv und wird von dem Pixel (i, j) des Detektors 44 detektiert. Das von dem Detektor detektierte Weisslichtbild wird auf der Anzeigeeinheit 47 dargestellt.
Das Navigationssystem für Gehirnoperationen umfaßt weiterhin eine Stimulationsvorrichtung 5 zum Stimulieren eines Patienten. Die Stimulationsvorrichtung umfaßt eine Stimulationssteuerung 43 sowie verschiedene Vorrichtungen zum Stimulieren des Patienten. Diese Vorrichtungen umfassen in diesem Ausführungsbeispiel eine Anzeigeeinheit 55, einen Lautsprecher 57 und einen Injektionsroboter 59. Die Anzeigeeinheit 55 ist im Sichtfeld 56 des Patienten. Ebenso ist der Lautsprecher 59 in Hörweite eines Ohres 58 des Patienten. An einem Arm 60 des Patienten ist ein Infusionsventil 61 mit einem Blutgefäß des Patienten verbunden. Eine Zuführröhre 63 ist in das Infusionsventil eingesteckt. Über die Zuführröhre 63 kann der Injektionsroboter verschiedene Wirkstoffe in einen Blutkreislauf des Patienten verabreichen.
Mit Bezug auf 2 ist ein Auswerteverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. In diesem Verfahren wird eine Sequenz 65 von Bildern 66 mit dem Detektor 43 in 1 aufgenommen. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel umfaßt jedes Bild 66 ein quadratisches Feld von Pixeln (i, j). Die Zahl der Pixel in diesem Ausführungsbeispiel ist 512 × 512 Pixel. Jedem Pixel eines jeden Bildes 66 der Sequenz von Bildern 65 ist durch die Aufnahme ein Bildwert I (i, j) zugeordnet. Somit ergibt sich für jedes Pixel (i, j) ein zeitlicher Verlauf von Bildwerten I (i, j, t). Das hier illustrierte Verfahren umfaßt eine Analyse der zeitlichen Änderungen dieser Bildwerte. In dem hier gezeigten Graphen (rechts oben in 2) sind die Bildwerte aus einem konstanten Anteil, welcher sich nicht über die Zeit ändert, und einem Schwankungsanteil, welcher eine Änderung der Bildwerte über die Zeit repräsentiert, zusammengesetzt. In dem Verfahren wird sodann ein Frequenzspektrum des zeitlichen Verlaufs der Bildwerte errechnet. Das Frequenzspektrum kann beispielsweise durch eine Fouriertransformation erhalten werden. Insbesondere kommt in dem vorgestellten Ausführungsbeispiel die FFT (fast Fourier transform) zur Anwendung. In dem unteren linken Teil der 2 ist das so erhaltene Frequenzspektrum S(v) der zeitlichen Änderungen der Bildwerte aufgetragen und mit Bezugsnummer 68 bezeichnet. Auf der X-Achse ist die Frequenz f und auf der Y-Achse die Amplitude A der jeweiligen Frequenzkomponente aufgetragen. Das Frequenzspektrum S(v) wird gemeinhin auch Power-Spektrum genannt. Es repräsentiert die Amplituden und Frequenzen der zeitlich veränderlichen Bildwerte I (i, j, t). Aus dem Power-Spektrum wird sodann ein erstes Moment des Power-Spektrums errechnet, um für jedes Pixel jedes Bildes 66 der Sequenz von Bildern 65 einen Analysebildwert zu errechnen. Dieses erste Moment wir auf eine Perfusion genannt. Alternativ zu der Perfusion kann als Analysebildwert auch eine Konzentration C, oder eine Geschwindigkeit V von sich relative zueinander bewegender Teilchen über die folgenden Formeln berechnet werden.
Wird dieses Verfahren für alle Bilder 66 der Sequenz von Bildern 65 durchgeführt, so ist ein Analysebild 70 erhalten.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung. Dabei ist ein Feld eines Gehirns eines Patienten in der Objektebene 9 des Abbildungssystems 2 des Navigationssystems für Gehirnoperationen 1 angeordnet. Der Schädel des Patienten ist dabei geöffnet, um zu ermöglichen, daß Meßlicht 31 auf ein Feld 11 des Gehirns des Patienten einfällt. Zunächst wird in 3A eine erste Sequenz 65a von Bildern 66a aufgenommen. Dabei werden die Bilder 66a mit einem zeitlichen Abstand von weniger als 0,1 ms aufgenommen. Die aufgenommene erste Sequenz 65a von Bildern 66a wird sodann gemäß des in 2 beschriebenen Auswerteverfahrens ausgewertet. Damit ist ein erstes Analysebild 70a erhalten, welches eine Information über einen Blutfluß innerhalb des Feldes 11 des Gehirns 13 repräsentiert.
In 3B wird sodann der Patient stimuliert. In dem Ausführungsbeispiel umfaßt die Stimulierung eine Aufforderung, einen Finger 64 zu heben. Auf der rechten Seite in 3B ist gezeigt, daß der Patient der Aufforderung folgt, und den Finger 64 hebt.
In 3C wird sodann eine zweite Sequenz 65b von Bildern 66b von dem Feld des Gehirns des Patienten aufgenommen. Wiederum ist ein zeitlicher Abstand zwischen der Aufnahme aufeinanderfolgender Bilder 66b kleiner als 0,1 ms. Wie im Fall der ersten Sequenz von Bildern, wird die zweite Sequenz von Bildern 66b ausgewertet, um ein zweites Analysebild 70b zu erhalten. Sodann werden in einem in 3D illustrierten Schritt das erste und das zweite Analysebild miteinander verrechnet, um ein Ausgabebild 72 zu erhalten. In dem hier gezeigten Beispiel umfaßt das Verrechnen des ersten und zweiten Analysebildes ein Bilden einer Differenz der beiden Bilder. Es ist ersichtlich, daß in einem Bereich um das Pixel (i, j) das Ausgabebild 72 erhöhte Werte aufweist. Diese erhöhten Werte um das Pixel (i, j) herum können anzeigen, daß Bereiche um den Ort (x, y) des Feldes des Gehirns des Patienten durch die in 3B illustrierte Stimulierung aktiviert oder deaktiviert worden sind.
4 illustriert Prinzipien der Messung gemäß der vorliegenden Erfindung. Licht 31 trifft auf ein Feld 11 eines Gehirns eines Patienten auf. In dieser Ausführungsform hat das Licht eine Wellenlänge von 808 nm und ist durch einen Laser erzeugt. Eine Eindringtiefe von Licht dieser Wellenlänge in Hirngewebe beträgt etwa 1 bis 2 mm. Die spektrale Breite des von dem Laser erzeugten Licht 31 mit Wellenlänge 808 nm ist derart gewählt, daß sich eine Kohärenzlänge des Lichts ergibt, die in dem Bereich der Eindringtiefe des Lichts liegt. Abhängig von in dem untersuchten Feld 11 des Gehirns liegenden Gewebestrukturen kann eine Eindringtiefe mehr oder weniger als 1 bis 2 mm betragen. In dem Feld 11 des Gehirns trifft das einfallende Licht 31 auf Blutzellen 74 und Blutzellen 76. Blutzellen 74 befinden sich im wesentlichen in Ruhe bezüglich des untersuchten Feldes 11 des Gehirns. Dahingegen bewegen sich Blutzellen 76 relativ zu dem untersuchten Feld 11 des Gehirns mit einer gewissen Geschwindigkeit, deren Größe und Richtung mit den in der 4 dargestellten Pfeilen angedeutet ist. Das Licht 31 wird von den Blutzellen 74 und 76 reflektiert und gestreut. Während sich relativ zu dem Feld 11 in Ruhe befindliche Blutzellen 74 das Licht 31 als Licht reflektieren, welches dieselbe Wellenlänge hat, wie die des eingestrahlten Lichtes 31, reflektieren sich relativ zum Feld 11 bewegende Blutzellen 76 das einfallende Licht 31 mit Wellenlängen, welche von der Wellenlänge des einfallenden Lichts verschieden sind. Bewegen sich Blutzellen 76 in Richtung des einfallenden Lichtes 31, so reflektieren sie Licht mit einer Wellenlänge, welche größer ist als die des einfallenden Lichts 31. Bewegen sich Blutzellen 76 in Richtung auf das einfallende Licht 31 zu, so reflektieren sie das Licht mit Wellenlängen, welche kleiner sind als die des einfallenden Lichts. Es werden eine Vielzahl von Blutzellen 74 und 76 von dem einfallenden Licht 31 getroffen. Das von dieser Vielzahl von Blutzellen reflektierte Licht umfaßt somit abhängig von der Geschwindigkeit der Vielzahl der Blutzellen Wellenlängen, die größer und kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist. Diese geschwindigkeitsabhängige Verschiebung der Wellenlänge des Lichts wird gemeinhin als Doppler-Effekt bezeichnet. Licht mit verschiedenen Wellenlängen und verschiedenen relativen Phasen überlagert sich, um in einem Pixel des Detektor 43 detektiert zu werden. Eine Überlagerung von Licht mit geringfügig verschiedenen Wellenlängen ergibt ein zeitlich schwankendes Signal, welches man auch als Schwebungssignal bezeichnen kann. Aus dem Schwebungssignal ist ein Rückschluß auf die verschiedenen Wellenlängen, welche dieses Schwebungssignal erzeugt haben, möglich. Aus den verschiedenen Wellenlängen sind sodann Rückschlüsse auf die verschiedenen Geschwindigkeiten der Blutzellen möglich, welche durch Relexion das detektierte Licht erzeugt haben. Dadurch kann mit dieser Methode Information über eine Blutbewegung erhalten werden. Insbesondere ist diese Methode sehr einfach und kostengünstig. Ein weiterer großer Vorteil dieser Methode ist eine hohe Zeitauflösung, welche im Bereich von unter einer Sekunde liegt. Damit können insbesondere Änderungen einer Blutbewegung aufgrund von äußeren Einflüssen oder Stimulationen untersucht werden. Damit ist es möglich, funktionelle Areale im Gehirn eines Menschen zu identifizieren. Identifizierte Areale im Gehirn können dann bei Gehirnoperationen berücksichtigt werden. Insbesondere können funktionelle Areale umgangen werden, um Zugang zu einem zu entfernenden Bereich des Gehirns zu erlangen, welcher in tieferen Schichten des Gehirns liegt.
Das zu entfernende Gebiet kann insbesondere ein Tumor im Gehirn des Patienten sein.
5A zeigt ein Weißlichtbild 74 eines Feldes eines Gehirns eines Patienten, wobei dessen Schädeldecke geöffnet ist. Auf der Oberfläche des Gehirns des Patienten sind mehrere Blutgefäße 76 zu sehen. Diese Blutgefäße umfassen Arterien und Venen. Die Blutgefäße verzweigen sich immer weiter, um in Mikrokapillaren 78 überzugehen. Zwischen den Blutgefäßen ist weißes Gehirngewebe zu sehen.
5B zeigt ein von demselben Feld des Gehirns des Patienten aufgenommenes Laser-Doppler-Bild 70. Höhere Werte einer Blutbewegung bzw. Perfusion sind durch hellere Grauwerte dargestellt. Man erkennt eine Korrespondenz von Strukturen in dem Weißlichtbild 74 und dem Laser-Doppler-Bild 70. Insbesondere ist ersichtlich, daß Bereiche des Feldes des Gehirns, welche in dem Weißlichtbild Blutgefäße zeigen, auf dem Laser-Doppler-Bild eine eher verminderte Blutbewegung anzeigen. Dies kann dadurch erklärt werden, daß eine Blutbewegung in den Blutgefäßen, welche in dem Weißlichtbild 74 ersichtlich sind, so schnell ist, daß sie mit der hier illustrierten Ausführungsform der Meßvorrichtung nicht mehr erfaßt werden kann. In der Tat liegen Blutflußgeschwindigkeiten in Aorten bei bis zu einigen Metern pro Sekunde. Blutflußgeschwindigkeiten vermindern sich dann in mittleren und kleineren Kapillaren auf einige Zentimeter pro Sekunde. Erst in sehr kleinen Mikrokapillaren findet man Blutflußgeschwindigkeiten von einigen Millimetern pro Sekunde, welche durch die Meßvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform detektiert werden kann. In der Ausführungsform sind das Weißlichtbild 74 und das Laser-Doppler-Bild 70 durch simultane Beleuchtung mit Laserlicht und weißem Licht und simultane Detektion erhalten.
6 zeigt einen Graphen, welcher einen Mittelwert über Analysebildwerte aller Pixel eines Laser-Doppler-Bildes gegen die Zeit aufgetragen zeigt. Damit repräsentiert der Graph in 6 eine mittlere Blutbewegung in einem Feld eines Gehirns eines Menschen über die Zeit. In diesem Beispiel wurden zu den Zeitpunkten 82 Aufforderungen an den Patienten ausgesprochen, laut zu zählen. Zu den mit 83 bezeichneten Zeitpunkten wurde der Patient aufgefordert, das Zählen einzustellen. Diese Sequenz von Aufforderungen wurde wiederholt durchgeführt, wobei die Aufforderungen zum Zählen und zum Unterlassen des Zählens für verschiedene Zeitspannen durchgeführt wurden. Man erkennt eine Abhängigkeit des auf der y-Aachse aufgetragenen Intensitätssignals von den Zeitpunkten des Aufforderns zu Zählen 82 und den Zeitpunkten des Aufforderns das Zählen einzustellen 83. Somit ist gezeigt, daß es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich ist, Änderungen in einem Blutfluß im Gehirn aufgrund von Stimulierungen zu Detektieren.
7 zeigt Ausgabebilder gemäß des Verfahrens zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns überlagert mit Weißlichtbildern desselben Feldes des Gehirns. Die Zahlen entlang der Bildkanten kennzeichnen Pixelindizes. Das Weißlichtbild ist dabei auf der linken und rechten Seite der 7 als Graubild dargestellt. Das Ausgabebild ist dabei als Höhenlinienbild dargestellt. Das Ausgabebild wurde dabei folgendermaßen erhalten: Es wurden erste und zweite Sequenzen von Bildern aufgenommen, wobei der Patient während der Aufnahme der zweiten Sequenz von Bildern einen seiner Finger bewegte. Dabei wurden acht Sequenzen von Bildern aufgenommen, während derer der Patient seinen Finger bewegte und alternierend dazu acht Sequenzen von Bildern aufgenommen, während der Patient seinen Finger ruhig hielt. Dabei waren die Zeitdauern der Sequenzen nicht gleichförmig, sondern betrugen mal 20 s, mal 10 s und mal 30 s. Die Ausgabebilder, welche in 7 auf der linken und rechten Seite dargestellt sind, wurden durch Vergleich des Mittelwertes der Bilder der ersten Sequenzen mit dem Mittelwert der Bilder der zweiten Sequenzen erhalten. Während das Bild auf der linken Seite der 7 eine Zunahme einer Perfusion oder Blutbewegung in dem Feld des Gehirns anzeigt, zeigt das Bild auf der rechten Seite der 7 eine Abnahme der Perfusion oder Blutbewegung des Feldes des Gehirns aufgrund des Bewegens der Finger an. Es ist ersichtlich, daß in einem zentralen unteren Bereich des aufgenommenen Feldes des Gehirns eine deutliche Abnahme der Blutbewegung während des Bewegens des Fingers detektiert wurde. In anderen Bereichen des aufgenommenen Feldes des Gehirns treten derartige über einen gewissen Bereich zusammenhängende detektierte Abnahmen oder Zunahmen einer Blutbewegung nicht auf. Eine mögliche Interpretation dieses Befundes ist, daß der durch eine signifikante Abnahme identifizierte zusammenhängende Bereich des Feldes des Gehirns während einer Bewegung eines Fingers aktiviert oder deaktiviert wird. Umgekehrt kann auch eine Fingerbewegung aufgrund einer Aktivierung oder Deaktivierung dieses Bereiches erfolgen. Interessanterweise wurde genau dieser Bereich aus unabhängigen Elektrostimulationsexperimenten als ein Bereich identifiziert, welcher in einer Beziehung mit einer Fingerbewegung steht. Andere in der 7 gezeigte Bereiche wurden nicht als Bereiche detektiert, welche mit einer Fingerbewegung in Beziehung stehen. Damit erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als ein nicht inversives Verfahren, funktionelle Areale im Gehirn eines Menschen zu identifizieren.

Claims

Verfahren zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten, umfassend: Beleuchten des Feldes des Gehirns mit Meßlicht und Aufnehmen wenigstens einer ersten Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes, sodann Stimulieren des Patienten, sodann Beleuchten des Feldes des Gehirns mit dem Meßlicht und Aufnehmen wenigstens einer zweiten Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes, und Auswerten der ersten und der zweiten Sequenz von Bildern, indem: (a) Pixeln (i, j) in der ersten Sequenz von Bildern (I (i, j, t)), auf die gleiche Orte (x, y) des Feldes abgebildet werden, jeweils ein erster Analysebildwert zugeordnet wird, welcher von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I (i, j)) dieser Pixel (i, j) abhängt, (b) Pixeln (i, j) in der zweiten Sequenz von Bildern (I (i, j, t)), auf die die gleichen Orte (x, y) des Feldes abgebildet werden, jeweils ein zweiter Analysebildwert zugeordnet wird, welcher von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I (i, j)) dieser Pixel (i, j) abhängt, und wobei das Verfahren ferner umfaßt: Bestimmen eines Ausgabebildes aus den ersten und den zweiten Analysebildwerten und Darstellen des Ausgabebildes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufnehmen der Bilder der ersten und der zweiten Sequenz umfaßt: Belichten von Detektorelementen eines Bilddetektors während einer Belichtungszeit von weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,03 ms umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aufnehmen der Bilder der ersten und der zweiten Sequenz ein Aufnehmen von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern mit einem zeitlichen Abstand von weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,05 ms umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Aufnehmen der Bilder ein Detektieren von Meßlicht umfaßt, wobei Anteile des detektierten Meßlichts mit Wellenlängen größer als 1300 nm und kleiner als 600 nm, insbesondere größer als 820 nm und kleiner als 780 nm, weniger als 10% einer Gesamtintensität des detektierten Meßlichts betragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Meßlicht eine Kohärenzlänge aufweist, welche im wesentlichen der doppelten Eindringtiefe entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bestimmen des Ausgabebildes aus den ersten und den zweiten Analysebildwerten ein Berechnen einer Differenz oder/und eines Verhältnisses von ersten und zweiten Termen umfaßt, wobei die ersten Terme von den ersten Analysebildwerten und die zweiten Terme von den zweiten Analysebildwerten abhängen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend Festlegen eines Koordinatensystems relativ zu einem Kopf des Patienten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Festlegen des Koordinatensystems ein Verankern eines Referenzrahmens an dem Kopf des Patienten umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Festlegen des Koordinatensystems ein Detektieren von Vorbestimmten Referenzpunkten an dem Kopf des Patienten umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend Bestimmen von Koordinaten von Orten des Feldes des Gehirns, welche auf ausgewählte Pixel in dem Ausgabebild abgebildet werden, in dem Koordinatensystem.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend Bestimmen wenigstens eines zusammenhängenden Bereichs in dem Ausgabebild, in dem Intensitätswerte größer als ein Schwellwert sind.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend Darstellen des wenigstens einen bestimmten Bereichs in Überlagerung mit dem Ausgabebild.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, ferner umfassend Bestimmen von Koordinaten von Orten, welche auf den wenigstens einen bestimmten Bereich in dem Ausgabebild abgebildet werden, in dem Koordinatensystem.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der erste oder/und der zweite Analysebildwert einen Wert repräsentiert, der eine Perfusion, eine Konzentration, eine mittlere Geschwindigkeit, und ein Maß für eine Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere eine Standardabweichung der Geschwindigkeitsverteilung, von sich relativ zueinander bewegenden Teilchen, insbesondere Blutzellen, oder eine Kombination derselben, umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend Wiederholen des Aufnehmens der ersten oder/und der zweiten Sequenz von Bildern als zeitliche Abfolgen, und Auswerten der wiederholt aufgenommenen ersten bzw. zweiten Sequenz von Bildern.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend Darstellen oder/und Abspeichern der zeitlichen Abfolgen der ersten bzw. zweiten Analysebildwerte.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stimulieren ein Auffordern umfasst, einen bestimmten Körperteil zu bewegen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stimulieren ein Verabreichen eines Wirkstoffs an den Patienten umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stimulieren ein Ausüben eines visuellen oder/und und akustischen Reizes auf den Patienten umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend Entfernen von Bereichen des Gehirns in Abhängigkeit von dem Ausgabebild oder/und den bestimmten Koordinaten oder/und dem wenigstens einen zusammenhängenden Bereich in dem Ausgabebild.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: Aufnehmen eines Bildes des Feldes des Gehirns in einem sichtbaren Wellenlängenbereich.
Verfahren nach Anspruch 21, welches weiterhin ein überlagertes Darstellen des Bildes im sichtbaren Wellenlängenbereich mit den ersten Analysebildwerten oder/und mit den zweiten Analysebildwerten oder/und mit dem Ausgabebild umfasst.
Navigationssystem für Gehirnoperationen, umfassend: eine Positionserfassungsvorrichtung, um Koordinaten von Orten eines Gehirns eines Patienten zu erfassen, und eine Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern, welche dazu konfiguriert ist, ein Feld des Gehirns mit Meßlicht zu beleuchten und wenigstens eine Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen, und die Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem Pixeln (i, j) in der Sequenz von Bildern (I (i, j, t)), auf die gleiche Orte (x, y) des Feldes abgebildet werden, jeweils ein Analysebildwert zugeordnet wird, welcher von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I (i, j)) dieser Pixel (i, j) abhängt.
Navigationssystem nach Anspruch 23, wobei die Meßvorrichtung zum Aufnehmen der Bilder eine Kamera umfaßt, deren Integrationszeit auf weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,03 ms einstellbar ist.
Navigationssystem nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Meßvorrichtung zum Aufnehmen der Bilder eine Kamera umfaßt, deren Frame-Rate auf mehr als 1 kHz, insbesondere mehr als 10 kHz und weiter insbesondere mehr als 20 kHz einstellbar ist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei in einem Strahlengang vor der Kamera ein Bandpaßfilter angeordnet ist, dessen Transmissionscharakteristik derart ausgebildet ist, daß eine Transmission von Licht mit Wellenlängen größer als 1300 nm und kleiner als 600 nm, insbesondere größer als 820 nm und kleiner als 780 nm, weniger als 10% einer Gesamttransmission des Bandpaßfilters beträgt.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Meßvorrichtung eine Lichtquelle umfaßt, deren Emissionsspektrum derart geformt ist, daß eine emittierte Intensität von Licht mit Wellenlängen größer als 1300 nm und kleiner als 600 nm, insbesondere größer als 820 nm und kleiner als 780 nm, weniger als 10% einer emittierten Gesamtintensität beträgt.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 23 bis 27, welches weiterhin eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern des Gehirns des Patienten im sichtbaren Wellenlängenbereich umfasst.
Navigationssystem nach Anspruch 28, welches weiterhin eine Anzeigevorrichtung umfasst, um ein Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich darzustellen, insbesondere in einer Überlagerung mit Analysebildwerten.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei das System dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 auszuführen.