DE102008040802B4 - Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses sowie Operationsmikroskop und Analysesystem - Google Patents

Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses sowie Operationsmikroskop und Analysesystem Download PDF

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Abstract

Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion basierend auf einem Signal eines in das Blut injizierten Kontrastmittels, wobei – zu aufeinander folgenden Zeitpunkten mehrere Einzelbilder (4) des von der Gewebe- oder Adernregion abgegebenen Signals aufgenommen und gespeichert werden, – für Bildpunkte von Einzelbildern (4) jeweils anhand des Signals eine für den Blutfluss charakteristische Größe und pro Bildpunkt eine weitere, für die Position der Adern charakteristische Größe aus dem Signal bestimmt wird, – diese Größen jeweils für die Bildpunkte bildpunktweise überlagert dargestellt (14) werden, – auf die Einzelbilder (4) vor der Bestimmung der Zeitpunkte eine Bewegungskompensation (7) angewandt wird, – zur Bewegungskompensation (7) über ein Kantendetektionsverfahren Kantenbilder von Einzelbildern (4) erzeugt werden, – Kantenbilder miteinander korreliert werden, um einen Verschiebungsvektor zu bestimmen und – die Korrelation des Kantenbildes eines Einzelbildes (4) jeweils mit einem Referenzbild erfolgt, welches weiterentwickelt wird, indem die Kantenbilder zweier miteinander korrelierter und verschobener Einzelbilder (4) im Referenzbild ergänzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein quantitatives Verfahren zur Darstellung des Blutflusses nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Operationsmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 21 sowie ein Analysesystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 22.
  • Es sind mehrere Verfahren zur Beobachtung und Bestimmung des Blutflusses in Gewebe- und Adernregionen bekannt, bei denen jeweils ein Chromophor, wie z. B. Indocyaningrün appliziert wird. Der Fluoreszenzfarbstoff kann dann bei seiner Verbreitung im Gewebe oder entlang der Adern mittels einer Videokamera beobachtet werden. Je nach Anwendungsgebiet kann die Beobachtung nicht invasiv geschehen oder im Rahmen einer Operation, beispielsweise über die Kamera eines Operationsmikroskops.
  • Dabei sind viele Verfahren bekannt, bei denen lediglich die relative Verteilung des Fluoreszenzfarbstoffs im Gewebe oder den Adern qualitativ untersucht wird, um auf deren Durchblutung zu schließen. So wurde bspw. über das Betrachten eines während der Operation aufgenommenen IR-Videos auf die Durchblutung geschlossen und Diagnosen gestellt. Es ist auch bekannt, den Anstieg der Helligkeit des Fluoreszenzsignals an allen oder ausgewählten Bildpunkten über die Zeit festzuhalten und so eine Verlaufskurve des von dem Fluoreszenzfarbstoff ausgesandten Signals aufzunehmen. Der Verlauf der dabei aufgenommenen Anflutungskurve gibt dem Arzt qualitativ Aufschluss über mögliche Gefäßverengungen oder sonstige Probleme im Bereich dieses Bildpunktes. Ein Beispiel hierfür ist in der DE 101 20 980 A1 gegeben. Das in der DE 101 20 980 A1 beschriebene Verfahren geht jedoch über die qualitative Analyse hinaus und beschreibt einen Weg zur quantitativen Bestimmung des Blutflusses an jedem Bildpunkt.
  • Die DE 10 2006 025 422 A1 offenbart ein Bildauswertungsverfahren für zweidimensionale Projektionsbilder und hiermit korrespondierende Gegenstände.
  • Die DE 102 57 743 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Perfusion in einem Gewebebereich und des Blutflusses durch einzelne Blutgefäße.
  • Die DE 10 2004 057 026 A1 offenbart eine Erfassung zeitlicher Bildveränderungen und eine Darstellungsvorrichtung sowie ein Darstellungsverfahren.
  • Die DE 603 09 455 T2 offenbart eine Analyse der Herzdurchblutung.
  • Die DE 196 48 935 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung von Gefäßen.
  • Die WO 2007/069166A2 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Blutflusses in einzelnen Blutgefäßen und Regionen eines lebenden Organismus.
  • Die US 5,215,095 offenbart ein ultraschalldiagnostisches bildgebendes System und ein Verfahren zum Detektieren von Läsionen der Leber.
  • Die US 2006/0262968 A1 offenbart ein Verfahren zur Integration von vektoriellen und tensoriellen Messdaten in eine Repräsentation einer anatomischen Bilddarstellung.
  • Die DE 10 2005 027 963 B3 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rekonstruktion eines 3D-Bilddatensatzes eines bewegten Objektes.
  • Die DE 10 2007 048 362 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zum Untersuchen eines Objekts.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der behandelnden Person weitere Hilfestellungen anzubieten, aus denen diese auf Probleme in der Durchblutung schließen kann und welche das Stellen der Diagnose unterstützen.
  • Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses nach Anspruch 1 sowie ein Operationsmikroskop nach Anspruch 21 und ein Analysesystem nach Anspruch 22.
  • Erfindungsgemäß wird das in ein Gewebe- oder Aderngebiet einströmende Kontrastmittel beobachtet, indem das von ihm emittierte Signal als Video aufgenommen, das Video in Einzelbilder zerlegt und diese abgespeichert oder unmittelbar Einzelbilder abgespeichert werden und für mehrere sich entsprechende Bildbereiche, insbesondere Bildpunkte, in den Einzelbildern jeweils eine aus dem Signal abgeleitete Größe ermittelt wird, die für den Blutfluss charakteristisch ist, um anhand dieser für die Bildbereiche ermittelten Größe eine zweidimensionale Darstellung zu erstellen. Um eine bessere Orientierung und Zuordnung der Gefäße innerhalb dieser Darstellung zu gewährleisten wird parallel pro Bildbereich eine weitere Größe aus dem Signal abgeleitet, welche für die Lage der Gefäße charakteristisch ist, und der ermittelten, für den Blutfluss charakteristischen Größe bei der Darstellung überlagert. Die Größen können nacheinander oder auch parallel ermittelt werden. Sie können einzeln abgespeichert und anschließend überlagert oder auch direkt überlagert und als ein Ergebnis pro Bildbereich abgespeichert werden. Bieten sich die ermittelten Größen auch einzeln zur Diagnose an, ist es vorteilhafter, sie einzeln abzuspeichern und anschließend zu überlagern. Bei den sich entsprechenden Bildbereichen in den Einzelbildern kann es sich im Idealfall um örtlich denselben Bildpunkt oder Bildbereich, also eine Anzahl nebeneinander liegender Bildpunkte handeln, wenn unterschiedliche Einzelbilder mit derselben Auflösung von exakt demselben Ausschnitt des Objektes aufgenommen wurden oder erfindungsgemäß in einer vorteilhaften Ausführungsform auch um Bildpunkte oder Bildbereiche in unterschiedlichen Einzelbildern, die einander erst zugeordnet werden, weil sich zwischen den Aufnahmen die Aufnahmebedingungen verändert haben, sich bspw. Objekt und Aufnahmeeinrichtung gegeneinander verschoben haben oder die Auflösung verändert wurde oder Ähnliches. Dies wird in einem späteren Abschnitt detailliert erläutert. Bei dem injizierten Kontrastmittel handelt es sich vorzugsweise um einen Fluoreszenzfarbstoff, wie beispielsweise Indocyaningrün. Es können jedoch auch andere, für die Perfusionsdiagnostik bekannte Farbstoffe verwendet werden. Die Anregung der Fluoreszenz zur Erzeugung des aufzunehmenden Signals erfolgt üblicherweise durch eine Nahinfrarotlichtquelle. Für die Aufnahme wird eine Infrarot-Kamera verwendet, bei der es sich oftmals um eine CCD- oder CMOS-Kamera handelt und welche entweder als eigenständiges medizinisches Gerät verwendet wird oder in ein Operationsmikroskop integriert ist. Die Erzeugung der zu analysierenden Einzelbilder des Signals erfolgt entweder durch die Zerlegung eines fortlaufenden Videos in Einzelbilder oder direkt durch das Abspeichern von aufgenommenen Einzelbildern in bestimmten Zeitabfolgen, welche beispielsweise als Bitmap abgespeichert werden. Die überlagerte Darstellung gibt der behandelnden Person eine wertvolle Hilfestellung, um Strömungsblockaden oder Engstellen zu erkennen und auch sofort zuverlässig einzelnen Gefäßen zuordnen zu können. Sie ist somit ein sehr wichtiges neues Hilfsmittel für die Diagnose. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch mehr als zwei Signale überlagert werden. Vorteilhaft wäre es hier jedoch als drittes Signal bzw. dritte Größe nach der Auswertung des Signals ein Binärsignal zu verwenden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine gewichtete Addition zur Überlagerung der beiden aus dem aufgenommenen Signal abgeleiteten Größen vorgenommen. Indem jede Größe vor der bildpunktweisen Addition mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wird (vorzugsweise addieren sich die Gewichtungsfaktoren zu eins), wird ermöglicht beide Größen gleichzeitig auf einer Darstellung anzuzeigen, ohne dabei Werte zu erhalten, welche den darzustellenden Wertebereich überschreiten. Besonders vorteilhaft lässt sich diese Form der Überlagerung einsetzen, wenn ein Falschfarbenbild und ein Graustufenbild, wie bspw. eine Zeitoffset-Darstellung und eine Aderndarstellung überlagert dargestellt werden sollen. Dabei wird das Einströmverhalten des Blutes über die, in Falschfarben realisierte Zeitoffset-Darstellung transparent gemacht, die Lage der Adern, in welche das Blut einströmt wird über den Graustufenkontrast der aus der Gesamtheit der Einzelbildern gewonnenen Aderndarstellung hinzugefügt. Dabei bleibt der volle, zur Verfügung stehende Farbumfang erhalten. Das Einströmverhalten kann ebenso differenziert wiedergegeben werden wie in der Zeitoffset-Darstellung allein, zusätzlich können die Adern lokalisiert werden. Aber auch andere Größen, welche den Blutfluss beschreiben, wie bspw. der Blutflussindex, der ein Maß für den Volumenstrom des Blutes darstellt, können vorteilhaft pro Bildpunkt farblich dargestellt werden und zur Erleichterung der Orientierung mit einem, die Lage der Adern spezifizierenden, vorzugsweise Graustufenbild, überlagert werden.
  • In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die beiden Größen bei der Überlagerung gemäß einer dritten abgeleiteten Größe, welche als Steuergröße dient, ausgewählt. Gemäß dem Wert der Steuergröße wird an jedem Bildpunkt der überlagerten Darstellung entweder der Wert der einen oder der anderen Größe oder auch ein anderer Wert eingesetzt. So können vorteilhaft die Bereiche in der überlagerten Darstellung, die Adern zugehörig sind und Gebiete außerhalb dieser unterschiedlich kenntlich gemacht werden.
  • Als einzusetzende Größen eignen sich alle abgeleiteten Größen der Einzelbilder bzw. Einzelbilder selbst, welche sich für eine Überlagerung eignen. Als Steuergröße kann vorteilhafter Weise die Aderndarstellung selbst oder auch ein, mittels eines Kantendetektionsverfahrens abgeleitetes Kantenbild der Aderndarstellung verwendet werden. Das Kantenbild gibt einen besonders guten Überblick über die Lage der Adern und eignet sich besonders gut zur Überlagerung, da es die Möglichkeit bietet, an den Bildpunkten, die Kanten zugehörig sind, bei denen also die für die Position charakteristische Größe einen bestimmten Schwellwert überschreitet, einen festen Wert einzusetzen, welcher die Lage der Adern anzeigt, während an allen anderen Bildpunkten die Werte der, für den Blutfluss charakteristischen, Größe eingesetzt werden können. Alternativ könnte die Position der Adern jedoch auch über die Überlagerung mit Aufnahmen eines Farbvideos dargestellt werden, welcher an Operationsmikroskopen oftmals parallel zu dem Infrarot-Video aufgenommen wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Überlagerung im Rahmen einer dreidimensionalen Darstellung. Dabei kann vorteilhaft die für den Blutfluss charakteristische Größe zweidimensional dargestellt werden und die für die Position der Adern charakteristische Große als dritte Dimension eingefügt werden. Die Darstellung wird dann vorzugsweise perspektivisch visualisiert. Eine dreidimensionale Darstellung ist unter Umständen etwas ungewohnter zu betrachten und erscheint auf den ersten Blick komplexer, kann dafür aber definitiv den gesamten Informationsumfang beider Größen einbeziehen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Größen auf unterschiedlichen Achsen eines geeigneten Farbraums abgebildet. Hierfür eignet sich vorteilhaft ein HSL-Farbraum, in dem Hue (Farbton – Farbwinkel), Saturation (Sättigung) und Luminance (Helligkeit) gegeneinander aufgetragen werden. Dabei kann eine Größe über den Farbwinkel, die andere über die Heiligkeit wiedergegeben werden. Die dritte Achse des Farbraums kann konstant gehalten werden oder sogar für die Überlagerung mit einer dritten Größe genutzt werden. Auch diese Darstellung ergibt sofort ein gutes Übersichtsbild, welches die behandelnde Person in ihrer Diagnose unterstützt, indem sowohl für den Blutfluss charakteristische Werte als auch deren Bezug zu den Adern klar erkennbar werden.
  • Als für den Blutfluss charakteristische Größe, für die sich diese Form von überlagerter Darstellung besonders gut eignet ist der Zeitoffset anzusehen. Dies ist die Größe, die anzeigt, wann das Blut in welche Gebiete einströmt und die vorteilhafter weise anhand der Überschreitung eines Schwellwertes in der Helligkeit des Fluoreszenzsignals bestimmt wird. Oftmals strömt das Blut in nahe beieinander gelegene Adern oder eine Ader und das umliegende Gewebe zur gleichen Zeit ein. Dadurch können diese Gebiete in einer ausschließlichen Darstellung des Zeitoffsets nicht optisch getrennt wahrgenommen werden. Deshalb ist gerade hier eine Überlagerung mit einer Größe, die die Lage der Adern wiedergibt, besonders wichtig.
  • Eine weitere Größe, für die sich die Überlagerung vorteilhaft einsetzen lässt, ist der Blutflussindex. Ähnliche Adern, die nahe beieinander liegen weisen oftmals ein ähnliches Strömungsverhalten auf. Auch sie können in einer reinen Darstellung des Blutflussindexes oftmals nicht als getrennte Adern wahrgenommen werden. Die Auflösung der einzelnen Adern und deren genaue Lage wird auch hier erst erkennbar, wenn eine Überlagerung des Blutflussindexes mit einer, für die Position der Adern charakteristischen Größe erfolgt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Zeitoffset, also der Zeitpunkt an dem der Schwellwert am jeweiligen Bildpunkt überschritten ist, oder der Blutflussindex in eine Farbe auf einer Farbskala übertragen, so dass sich ein Falschfarbenbild ergibt, anhand dessen das Strömungserhalten des Blutes gut sichtbar wird. Ein Falschfarbenbild gibt einen sehr schnellen und intuitiven Überblick über Zeitabfolgen. Nach der Überlagerung mit einem Graustufen- oder Kantenbild der für die Lage der Adern charakteristischen Größe, kann damit das Einströmverhalten in jeder Ader detailliert betrachtet werden.
  • Bevorzugt wird die Falschfarbenskala so gewählt, dass ein intuitiver Zusammenhang zu bekannten anatomischen Begriffen besteht. So wird der arterielle Charakter betont, indem frühe Zeitpunkte, also kleine Zeitoffsets, rot dargestellt werden, während der venöse Charakter anderer Bereiche dadurch betont wird, dass späte Zeitpunkte, also große Zeitoffsets, blau dargestellt werden. So ist das Falschfarbenbild direkt an die gewohnte Denkweise der behandelnden Personen angepasst und gibt ihnen damit einen sehr eingängigen direkten Überblick.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die überlagerte Darstellung in Form eines Graustufenbildes. Dadurch geht bei der überlagerten Darstellung Information verloren, die Ausführungsform ist aber für Schwarzweißwiedergaben geeignet. Um dies zu vermeiden wird bevorzugt das eine Signal als Binärwert ausgeführt. Wird bspw. die den Blutfluss charakterisierende Größe als in Grauwerte umgewandelte farbliche Darstellung gewählt, so wird für die Überlagerung der für die Lage der Adern charakteristischen Größe bevorzugt ein Kantenbild gewählt. Dieses hat genügend Kontrast, um auf einem Graustufenbild klar erkennbar zu sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird, vor der Bestimmung der für den Blutfluss oder die Position der Adern charakteristischen Größen, vorzugsweise für alle Größen, die der Betrachtung mehrerer Einzelbilder bedürfen, eine Bewegungskompensation auf die Einzelbilder angewandt. Das heißt, die Einzelbilder werden, falls sie gegeneinander verschoben sind, erst übereinander gelegt, so dass tatsächlich die jeweils zugehörigen Bildpunkte bei der Bestimmung der Zeitpunkte verglichen werden. Dem liegt das Problem zugrunde, dass sich während der Aufnahme das Aufnahmegerät oder das aufzunehmende Objekt bewegen kann. In diesem Fall sind die aufgenommenen Bilder der Signale zumindest leicht gegeneinander verschoben, so dass die Verschiebung erst rückgängig gemacht werden muss, will man pro Bildpunkt des aufgenommenen Objekts einen stetigen Verlauf des Signals bekommen. Dieser ist Voraussetzung, den Zeitpunkt des Überschreitens des Schwellwertes des Signals oder jede andere, aus dem Signal abgeleitete Größe ortsaufgelöst bestimmen zu können. Ohne eine Bewegungskompensation könnte es also zu falschen Zuordnungen der Zeitpunkte oder abgeleiteter Größen zu den Bildpunkten kommen und damit zu einer fehlerhaften Darstellung von Zeitoffset, Blutflussindex oder Anderem. Vorzugsweise wird zur Bewegungskompensation eine Kantendetektion vorgenommen, mittels derer Kantenbilder der Einzelbilder erzeugt werden, die anschließend korreliert werden können, um daraus den Verschiebungsvektor zu bestimmen. Sobald der Verschiebungsvektor eines Einzelbildes bestimmt ist, wird dieses Einzelbild gegenüber dem vorherigen entsprechend des Verschiebungsvektors verschoben. In einer Ausführungsform werden für die Korrelation von Kantenbildern die Kantenbilder von aufeinander folgenden Einzelbildern verwendet. Bevorzugt wird jedoch jeweils das Kantenbild eines Einzelbildes mit einem Referenzbild korreliert, welches erzeugt wird, indem die vorherigen Kantenbilder der Einzelbilder zusammengefügt werden, welche bereits vorher miteinander korreliert wurden. Dabei entsteht im Laufe des Verfahrens ein Referenzbild, welches alle Kanten enthält, welche in vorherigen miteinander korrelierten Einzelbildern aufgetreten sind. Als Startreferenzbild kann jeweils ein beliebiges Einzelbild verwendet werden oder eines, bei dem die Gesamtsignalstärke einen bestimmten Wert überschritten hat oder anderweitig bestimmt wird, dass das aufgenommene Signal ein Rauschen überschritten hat und es sich tatsächlich um das Signal von einströmendem Blut handelt. Die Bildung des aufsummierten Referenzbildes für die Bewegungskompensation ist essentiell, da Einzelbilder, welche zu sehr unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden, eine vollkommen andere Kantenstruktur zeigen können, da das Signal in einem Bereich bereits wieder vollkommen abgeflacht sein kann, wenn es in einem anderen Bereich ein Maximum erreicht. Somit könnten diese sehr unterschiedlichen Bilder, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden, nicht sinnvoll miteinander korreliert werden. Das aus allen Einzeibildern mit relevanten Daten abgeleitete Referenzbild gibt darüber hinaus auch die Lage der Adern ausgezeichnet wieder. Es eignet sich somit vortrefflich als Größe für die Position der Adern und damit als Größe für die Überlagerung. Damit kann besonders vorteilhaft eine, bei der Bewegungskompensation ohnehin anfallende Größe für die Überlagerung verwendet werden und somit auf die Ableitung einer weiteren Größe verzichtet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird auf die Einzelbilder eine Helligkeitskorrektur angewandt, in der Veränderungen der Aufnahmebedingungen, welche sich auf die Helligkeit des Signals auswirken, berücksichtigt werden. So kann beispielsweise der Verstärkungsfaktor an der Kamera verändert werden, so dass ein größerer Kontrastbereich des Signals bei der Aufnahme erfasst werden kann. Auch die Intensität der Lichtquelle oder andere Aufnahmebedingungen können verändert werden, so dass die Helligkeitskorrektur unter Umständen mehrere unterschiedliche Parameter berücksichtigen muss. Zu diesem Zweck werden Veränderungen an den Aufnahmebedingungen zusammen mit den Einzelbildern abgelegt und bei der Helligkeitskorrektur werden die aufgenommenen Signalwerte, unter Berücksichtigung dieser abgelegten Daten, auf einen gemeinsamen Wertebereich umgerechnet. Hierdurch wird gewährleistet, dass sich ein stetiger zeitlicher Verlauf des Signals an jedem Bildpunkt ergibt.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen eingehend erläutert wird.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zur Darstellung des Blutflusses
  • 2 beispielhaft den Verlauf einer Heiligkeitskurve an einem Bildpunkt,
  • 3a, b beispielhaft Aderndarstellungen ohne und mit Bewegungskompensation,
  • 4a, b beispielhaft eine Zeitoffset-Darstellung als in Graustufen umgewandelte Falschfarbendarstellung und als Graustufenbild,
  • 5a, b, c beispielhaft eine Zeitoffset-Darstellung, eine Aderndarstellung und eine Überlagerung dieser beiden Darstellungen,
  • 6 beispielhaft eine Überlagerung einer Zeitoffset-Darstellung und eines Kantenbildes des Aderngebietes,
  • 7 beispielhaft eine Überlagerung einer Zeitoffset-Darstellung und eines Kantenbildes des Aderngebietes in einer perspektivisch visualisierten dreidimensionalen Darstellung und
  • 8 schematisch ein Operationsmikroskop zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der 1 wird das Gesamtsystem mit Datenflüssen und den einzelnen Verarbeitungsschritten beschrieben, welches zur Darstellung und Auswertung des Blutflusses eingesetzt wird. Die Aufnahme der Daten geschieht durch eine Videokamera 1 im Infrarotbereich, welche an einem hier nicht dargestellten Operationsmikroskop angeordnet ist, bzw. Bestandteil dessen ist. Die aufgezeichneten Infrarot-Videos werden in einem Datenspeicher 2 abgespeichert und mit Hilfe eines Videoplayers 3 in Einzelbilder 4 zerlegt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Bilder der Videokamera 1 gleich als Einzelbilder 4 abzuspeichern. Hierbei erwies sich eine Frequenz von mindestens fünf Einzelbildern 4 pro Sekunde als sinnvoll. Diese werden anschließend in einer Einzelbildkorrektur 5 korrigiert. Dabei werden Korrekturen des Randabfalls, des Dunkeloffsets oder von Nichtlinearitäten der Videokamera 1 unter Berücksichtigung der hierfür notwendigen Korrekturdaten 9 vorgenommen. Die Daten der korrigierten Einzelbilder 4 werden dann in Form von komprimierten Binärdaten (bspw. Motion JPEG2000 Daten (MJ2)) oder in Form von unkomprimierten Binärdaten (bspw. Bitmap) abgelegt. In Form von unkomprimierten Binärdaten sind die Zugriffszeiten kürzer, die Auswertung erfolgt schneller.
  • Zur Auswertung werden die Einzelbilder 4 an die Algorithmen für die Helligkeitskorrektur 6 und die Bewegungskompensation 7 übergeben. Bei der Helligkeitskorrektur 6 werden z. B. die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren berücksichtigt, welche an der Videokamera 1 während der Aufnahme des Videos eingestellt wurden, um die Videokamera 1 an unterschiedlich starke Fluoreszenz des aufzunehmenden Gewebe- oder Aderngebietes anzupassen. Diese werden während der Aufnahmen mitprotokolliert, als, den Videodaten zugeordnete Metadaten 10 auf dem Datenspeicher 2 abgespeichert und mit den Einzelbildern 4 verrechnet. Bei der Bewegungskompensation 7 werden die Positionen der aufgenommenen Einzelbilder 4 zur Deckung gebracht. Während der Aufnahme des Videos kann es zum Bewegen der Videokamera 1 oder des Objektes, d. h. des aufzunehmenden Gewebe- oder Aderngebietes kommen. In diesem Fall sind die Einzelbilder 4 gegeneinander verschoben. Um die, in den Einzelbildern 4 sichtbaren Details fehlerfrei auswerten zu können, müssen die Einzelbilder 4 erst wieder zur Deckung gebracht werden. Dies wird erschwert durch die, sich in den Einzelbildern 4 laufend verändernde Bildinformation. Um ein Ausgangsbild zu haben, das als Vergleichsbild dient, wird unter den Einzelbildern 4 ein Referenzbild ausgewählt. Als Start-Referenzbild kann hier das erste Bild dienen, auf dem klare Strukturen erkennbar sind. Mittels eines Kantendetektionsverfahrens wird bei allen weiteren Einzelbildern 4, welche mit dem Referenzbild verrechnet werden sollen, fortlaufend ermittelt, inwieweit diese gegenüber dem Referenzbild verschoben sind. Diese Verschiebung wird dann bei allen weiteren Schritten, an denen mehrere Einzelbilder 4 beteiligt sind, berücksichtigt. Insbesondere wird auch das Referenzbild immer wieder aktualisiert, indem das Kantenbild des nachfolgenden, auf die korrekte Position verschobenen Einzelbildes mit in das Referenzbild aufgenommen wird.
  • Nach den Korrekturen 6 und 7 kann die Helligkeitsbestimmung 8 erfolgen. Hierfür wird in einer Messbereichsfestlegung 11 zuerst die Position des Messbereiches festgelegt. Der Messbereich zu dem eine überlagerte Darstellung erstellt werden soll, kann in einer Messbereichsfestlegung 11 über ein Messfenster definiert werden oder als Auswahl vorgegebener Messpunkte. So kann bspw. ein Bereich der Aufnahme ausgewählt werden, wenn nur über ihn eine überlagerte Darstellung gewünscht wird oder die Größen oder deren Überlagerung wird nur für einen Teil der Bildpunkte erstellt um Rechenzeit zu sparen. Das Ergebnis der Helligkeitsbestimmung 8 ist eine Helligkeitskurve 12 als Funktion der Zeit, wie sie in 2 zu sehen ist. Diese Helligkeitskurve 12 wird für alle, oder zumindest für ein ausreichend großes Sample von Bildpunkten berechnet.
  • Aus diesen Helligkeitskurven 12 und den Einzelbildern 4 können in einer Auswertung 13 dann eine Vielzahl anderer Darstellungen 14, umfassend auch Einzelergebnisse, geliefert werden. Diese können anschließend zusammen mit den Einzelbildern 4 am Bildschirm dargestellt werden.
  • Ein Beispiel hierfür ist eine so genannte Aderndarstellung, in der alle Gefäße, die einmal von Fluoreszenzmittel durchflossen wurden und alles Gewebe, das einmal von Fluoreszenzmittel durchflossen wurde, hell erscheinen. Sie wird erzeugt, indem für jeden Bildpunkt der übereinander gelegten Einzelbilder 4 die Differenz zwischen größtem und kleinstem Helligkeitswert dargestellt wird. Mit dieser maximalen Helligkeit zu jedem Bildpunkt erhält man eine relative, quantitative Größe für den Durchfluss des Blutes an allen Positionen. Dies ermöglicht dem Arzt, Defekte zu erkennen. Beispiele für Aderndarstellungen sind in den 3a und 3b zu sehen. 3a zeigt eine Aderndarstellung, welche ohne Bewegungskompensation 7 erzeugt wurde, während 3b ein Beispiel mit Bewegungskompensation 7 zeigt. Deutlich zu erkennen ist die wesentlich größere Schärfe der Konturen in der 3b mit Bewegungskompensation.
  • Für eine weitere Darstellung 14 wird ein zweidimensionales Falschfarbenbild zur Verfügung gestellt, in dem der Zeitoffset dargestellt ist. Ein solches ist in den 4a und 4b zu sehen. 4a zeigt des zeitliche Einsetzen des Blutflusses in, in Graustufen transferierter, farblicher Darstellung, wobei der Balken an der rechten Seite die Falschfarbenskala, den Zusammenhang zwischen den gewählten Farben und der jeweils vergangenen Zeit darstellt. Die Falschfarbenskala wird so gewählt, dass ein intuitiver Zusammenhang zu bekannten anatomischen Begriffen besteht. Demzufolge wird für einen frühen Zeitpunkt rot gewählt, um den arteriellen Charakter hervorzuheben, für einen späteren Zeitpunkt blau, um den venösen Charakter zu betonen. In der 4a geht die Farbskala somit von rot (hier bei ca. 2.5 s) auf grün (hier bei ca. 5 s) und schließlich auf blau (hier bei ca. 7 s) über. Der Arzt gewinnt somit schnell einen Überblick darüber, wann das Blut an welcher Position der Ader angekommen ist. Mittels des Zeitoffsets wird also eine Information über das Zu- bzw. Abfließen des Bluts in den Adern oder im Gewebe transparent gemacht. Da der Transfer des Falschfarbenbildes in Graustufen, eine eindeutige Zuordnung der Farben nicht zulässt, wurde für schwarz-weiß-Darstellungen wie sie beispielsweise hier oder auch bei SW-Bildschirmen notwendig sind, eine ähnliche Darstellung 14 eines Zeitoffsets, anstatt als Falschfarbenbild, als Graustufenbild mit einer Graustufenskala umgesetzt. Diese ist in 4b zu sehen. Hier sind die Blutgefässe, in die das Blut mit dem Fluoreszenzfarbstoff sofort einströmt dunkel dargestellt, während die Blutgefäße, die das Blut erst spät erreicht sehr hell sind. Die Graustufendarstellung hat gegenüber der Falschfarbendarstellung allerdings einen geringeren Informationsgehalt.
  • Um diese Darstellung 14 zu erstellen, wird jeweils pro Bildpunkt anhand aller Einzelbilder 4 des Videos eine Helligkeitskurve 12 berechnet. Dann wird pro Bildpunkt der Zeitpunkt t1 bestimmt, an dem die Helligkeitskurve 12 einen bestimmten Schwellwert I(t1) überschatten hat. Der Schwellwert wird dabei als I(t1) = Imin + 0,2 × (Imax – Imin) definiert. Dieser Zeitpunkt wird in die entsprechende Farbe, Graustufe oder Höhe umgesetzt und in die Zeitoffset-Darstellung eingesetzt. Um den Schwellwert I(t1) zu bestimmen, müssen Imax und Imin bestimmt werden, indem die Daten der Aufnahmen mehrerer Einzelbilder 4 verglichen werden. Um hier ein ortsaufgelöstes Ergebnis zu bekommen, ist extrem wichtig, vorher eine Bewegungskompensation 7 vorzunehmen. Ohne Bewegungskompensation 7 ist die Helligkeitskurve 12 nicht stetig, so dass sich mehrere Imax und Imin, pro Helligkeitskurve 12 ergeben könnten. Dasselbe gilt für die Helligkeitskorrektur 6. Bei Aufnahmegeräten, bei denen die Aufnahmebedingungen während der Aufnahme der Einzelbilder 4 veränderbar sind und die Veränderungen sich auf die Helligkeit der aufgenommenen Einzelbilder 4 auswirken, ergäbe sich ohne Helligkeitskorrektur 6 ebenfalls keine stetige Kurve. Veränderungen der Aufnahmebedingungen sind z. B. immer dann notwendig, wenn ein großer Kontrastumfang abgedeckt werden soll.
  • Problematisch an qualitativen oder auch quantitativen Darstellungen des Blutflusses, wie bspw. der Zeitoffset-Darstellung ist, dass oftmals nahe beieinander liegende Adern oder Geweberegionen dasselbe Strömungsverhalten haben und damit in der Darstellung zu einer Region verschmelzen. Damit kann das Strömungsverhalten bzw. der Blutfluss beim Betrachten der Darstellung oftmals nicht mehr eindeutig einem einzigen Gefäß zugeordnet werde. Um diese örtliche Zuordnung wieder zu ermöglichen wird in einer weiteren Darstellung, wie sie in den 5c, 6 und 7 zu sehen ist, eine Überlagerung einer den Blutfluss an jedem Bildpunkt quantifizierenden Größe und einer die Lage der Gefäße darstellenden Größe vorgeschlagen. Dabei zeigt die 5c eine Überlagerung aus einer in der 5a gezeigten, bereits anhand der 4 beschriebenen, Zeitoffset-Darstellung und einer in der 5b gezeigten, anhand der 3 beschriebenen Aderndarstellung. Die Überlagerung erfolgt gewichtet, d. h. jeweils ein Anteil G1 des Zeitoffsets wird mit einem Anteil G2 der Aderndarstellung addiert, wobei die Anteile G1 und G2 sich zu Eins addieren. Im Beispiel der 5c wird die überlagerte Darstellung berechnet als Überlagerung = 0.6 × Zeitoffset-Darstellung + 0.4 × Aderndarstellung. Obwohl die, in der 5a gezeigte Darstellung wieder eine genaue Zuordnung des Einströmverhaltens nicht zulässt, da hier ein Falschfarbenbild in ein Graustufenbild umgewandelt wurde, wird ersichtlich, dass in dieser Darstellungsform ganze Regionen dasselbe Strömungsverhalten aufweisen und dieses deshalb nicht einzelnen Gefäßen zugeordnet werden kann. Anders ist dies in der Überlagerung, wie sie in der 5c zu sehen ist. Auch hier wird durch die (hier leider in Graustufen umgewandelte) Farbskala das Einströmverhalten wiedergegeben, welches anhand der überlagerten Adern aber eindeutig lokalisierbar und den überlagerten Gefäßen zuordenbar ist. Sowohl die Einströmzeitpunkte, als auch die Lage feiner Adern ist in dieser Darstellung gut zu erkennen. Noch deutlicher ist dies in der 6 zu sehen. Diese zeigt eine Überlagerung einer Zeitoffset-Darstellung als Graustufenbild, wie es in der 4b beschrieben ist und eines Kantenbildes. Das Kantenbild wird anhand eines Kantendetektionsverfahrens aus der Aderndarstellung gewonnen. Die Überlagerung erfolgt, indem an den Bildpunkten, an denen keine Kanten erscheinen der Wert des Zeitoffsets eingetragen wird, während an Bildpunkten, an denen die Kanten liegen ein fester Wert eingesetzt wird. Dabei erscheinen die Gefäße umso vollständiger, je geringer der Schwellwert für die Kanten gewählt wird. In dem, in der 6 überlagerten Kantenbild wurde die Schwelle sehr hoch angesetzt, da hier nur das Prinzip verdeutlich werden soll. Diese Darstellung gibt einen sehr deutlichen Überblick über den Verlauf der Gefäße und den dann jeweils auftretenden Blutfluss.
  • Ein Beispiel für eine Überlagerung in Form einer 3D-Darstellung ist in der 7 zu sehen. Hierbei handelt es sich erneut um eine Überlagerung der bereits beschriebenen Großen, wobei die Zeitoffset-Darstellung als Falschfarbenbild eingeht und die Aderndarstellung als dritte Dimension reliefartig in den Raum ausgedehnt ist.
  • Die 8 zeigt schematisch die wesentlichen Bestandteile eines Operationsmikroskops, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann. Eine Optik 15, eines Operationsmikroskops bildet ein, von einer Lichtquelle 16 des Operationsmikroskops beleuchtetes Objekt 17, wie bspw. einen bei einer Operation zu behandelnden Schädel eines Patienten auf eine Kamera 18 ab. Die Kamera 18, kann ebenfalls Bestandteil des Operationsmikroskops sein. Die von der Kamera 18 aufgenommenen Bilddaten werden an eine Recheneinheit 19 gegeben, an der sie ausgewertet werden. Die bei der Auswertung abgeleiteten medizinischen Größen werden dann, evtl. zusammen mit dem aufgenommen Bild an dem Bildschirm 20 dargestellt. Der Bildschirm 20 kann, ebenso wie die Recheneinheit 19 auch Bestandteil einer zentralen OP-Steuerung sein, er kann aber auch Bestandteil des Operationsmikroskops sein. Eine Steuereinheit 21 steuert die Helligkeit der Lichtquelle 16 sowie Vergrößerungsfaktor und Blende der Optik 15 und den Verstärkungsfaktor der Kamera 18. Darüber hinaus generiert die Steuereinheit 21 Metadaten 10, welche Aufschluss über Änderungen der Aufnahmebedingungen geben, welche auftreten, sobald die Steuereinheit 21 eine der zu steuernden Größen variiert. Diese Metadaten 10 werden von der Steuereinheit 21 an die Recheneinheit 19 übergeben, an der sie den Bilddaten, welche von der Kamera 18 zur Recheneinheit 19 gegeben werden, zugeordnet werden. Metadaten 10 und Bilddaten werden an der Recheneinheit 19 zumindest zwischengespeichert und gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgewertet. Bei der Auswertung werden die Metadaten 10 in die Bilddaten eingerechnet. Die Resultate der erfindungsgemäßen Auswertung werden dann evtl. zusammen mit den Bilddaten an der Anzeigeeinheit 20 dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Videokamera
    2
    Datenspeicher
    3
    Videoplayer
    4
    Einzelbilder
    5
    Einzelbildkorrektur
    6
    Helligkeitskorrektur
    7
    Bewegungskompensation
    8
    Helligkeitsbestimmung
    9
    Daten für Einzelbildkorrektur
    10
    Metadaten
    11
    Messbereichsfestlegung
    12
    Helligkeitskurve
    13
    Auswertung
    14
    Darstellungen
    15
    Optik
    16
    Lichtquelle
    17
    Objekt
    18
    Kamera
    19
    Recheneinheit
    20
    Bildschirm
    21
    Steuereinheit

Claims (22)

  1. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion basierend auf einem Signal eines in das Blut injizierten Kontrastmittels, wobei – zu aufeinander folgenden Zeitpunkten mehrere Einzelbilder (4) des von der Gewebe- oder Adernregion abgegebenen Signals aufgenommen und gespeichert werden, – für Bildpunkte von Einzelbildern (4) jeweils anhand des Signals eine für den Blutfluss charakteristische Größe und pro Bildpunkt eine weitere, für die Position der Adern charakteristische Größe aus dem Signal bestimmt wird, – diese Größen jeweils für die Bildpunkte bildpunktweise überlagert dargestellt (14) werden, – auf die Einzelbilder (4) vor der Bestimmung der Zeitpunkte eine Bewegungskompensation (7) angewandt wird, – zur Bewegungskompensation (7) über ein Kantendetektionsverfahren Kantenbilder von Einzelbildern (4) erzeugt werden, – Kantenbilder miteinander korreliert werden, um einen Verschiebungsvektor zu bestimmen und – die Korrelation des Kantenbildes eines Einzelbildes (4) jeweils mit einem Referenzbild erfolgt, welches weiterentwickelt wird, indem die Kantenbilder zweier miteinander korrelierter und verschobener Einzelbilder (4) im Referenzbild ergänzt werden.
  2. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei die Überlagerung über eine gewichtete Addition der für den Blutfluss und die Position der Adern charakteristischen Größen erfolgt.
  3. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine mehrfarbige Darstellung mit einer Graustufendarstellung überlagert wird.
  4. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei die Überlagerung mittels einer Steuergröße erfolgt, anhand der entschieden wird, welche Größe pro Bildpunkt der überlagerten Darstellung (14) eingesetzt wird.
  5. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 4, wobei die Steuergröße aus der für die Position der Adern charakteristischen Größe abgeleitet wird.
  6. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 4, wobei die für den Blutfluss charakteristische Größe einen kontinuierlichen Datensatz umfasst, die für die Position der Adern charakteristische Größe einen binären Datensatz.
  7. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 6, wobei die für die Position der Adern charakteristische Größe ein Kantenbild darstellt.
  8. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei zur Überlagerung der Größen eine dreidimensionale Darstellung gewählt wird.
  9. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei die zu überlagernden Größen anhand wenigstens zweier Größen im HSL-Farbraum (Hue, Saturation, Luminance) dargestellt werden.
  10. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei die charakteristische Größe für einen Blutfluss ein Zeitoffset ist.
  11. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei die charakteristische Größe für den Blutfluss ein Blutflussindex ist.
  12. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 10, wobei der Zeitoffset in Form eines Falschfarbenbildes dargestellt wird.
  13. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 11, wobei der Blutflussindex in Form eines Falschfarbenbildes dargestellt wird.
  14. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 12, wobei die Überlagerung mit einem Graustufenbild der für die Position der Adern charakteristischen Größe erfolgt.
  15. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 10, wobei der Zeitoffset in Form eines Graustufenbildes dargestellt wird.
  16. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 11, wobei der Blutflussindex in Form eines Graustufenbildes dargestellt wird.
  17. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Überlagerung mit einem Kantenbild der für die Position der Adern charakteristischen Größe erfolgt.
  18. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei das weiterentwickelte Referenzbild als für die Position der Adern charakteristische Größe verwendet wird.
  19. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 1, wobei auf die Einzelbilder (4) vor der Bestimmung von charakteristischen Größen eine Helligkeitskorrektur (6) angewandt wird.
  20. Verfahren zur quantitativen Darstellung des Blutflusses in einer Gewebe- oder Adernregion nach Anspruch 19, wobei für die Helligkeitskorrektur (6) bei der Aufnahme der Einzelbilder (4) Metadaten (10) mit aufgezeichnet und abgespeichert werden.
  21. Operationsmikroskop zum Aufnehmen einer Fluoreszenzstrahlung eines Kontrastmittels, mit einer Kamera (18) zum Aufnehmen einer Bildfolge des Objektes (17) und einer Optik (15) zum Abbilden das Objektes (17) auf die Kamera (18), wobei die Kamera (18) mit einer Recheneinheit (19) zum Ableiten medizinischer Größen aus der Bildfolge medizinischer Bilddaten oder Einzelbildern (4) der Bildfolge in Verbindung steht, wobei die Recheneinheit (19) ein Programm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  22. Analysesystem eines Operationsmikroskops zum Aufnehmen einer Fluoreszenzstrahlung eines Kontrastmittels, mit einer Recheneinheit (19) die ein Programm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweist.
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