DE102008051950B4

DE102008051950B4 - Vorrichtung zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten und Navigationssystem für Gehirnoperationen

Info

Publication number: DE102008051950B4
Application number: DE102008051950A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hauger Christoph; Prof. Lasser Theo; Dr. Nahm Werner
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: DE102007018641B8; EP1982645A1; DE102008051950A1; JP2008289870A; DE102007018641B4; DE102008051950B9; US20100130869A1; DE102007018641A1; DE102007063626A1; US20090054788A1

Abstract

Navigationssystem für Gehirnoperationen, umfassend: eine Positionserfassungsvorrichtung, um Koordinaten von Orten eines Gehirns eines Patienten zu erfassen; eine Vorrichtung zum Erfassen von eine Topografie des Gehirns repräsentierenden Topografiedaten; eine Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern, welche dazu konfiguriert ist, ein Feld des Gehirns mit Messlicht zu beleuchten und wenigstens eine erste Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen, und die erste Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem für mindestens einen Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein erster Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der ersten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird; und ein Anzeigesystem, welches dazu ausgebildet, ist, erste Analysebildwerte in Abhängigkeit der Topografiedaten darzustellen.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Navigationssystem für Gehirnoperationen, welches zum Darstellen eines Feldes des Gehirns und zum Bestimmen eines 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 BOLD(Blood 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 Areale im Gehirn zu identifizieren. Ein Nachteil dieser Technik ist die relativ grobe Zeitauflösung und die hohen Kosten. Auch ist es aufgrund der relativ langen erforderlichen Messzeiten notwendig, dass der Patient während dieser Zeitspanne keine Bewegungen durchführt. Anderenfalls entstehen durch Patientenbewegungen massive Artefakte in Messdaten, welche nachträglich nur schwer korrigiert werden können. Dazu sind nämlich aufwendige Drehungen und Verschiebungen der Messdatensätze 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 Areale im Gehirn zu identifizieren. Dabei werden typischerweise fMRT-Bilder vor und nach einer Stimulation verglichen. Aus den Unterschieden der beiden Bilder können mit der Stimulation in Beziehung stehende Bereiche des Gehirns bestimmt werden. Insbesondere haben diese Untersuchungen ergeben, dass eine höhere Aktivität des Gehirns zu einem höheren Blutfluss und zu einer erhöhten Sauerstoffkonzentration führt.
Dokument US 5 215 095 offenbart eine Methode und eine Vorrichtung zur Echtzeitabbildung funktionaler Aktivität in kortikalen Hirngebieten eines Säugetieres. Während einer Kontrollphase wird eine erste Serie von Einzelbildern aufgenommen um ein erstes gemitteltes Einzelbild zu erhalten. Während einer Stimulationsphase wird das Gehirn mit einem Reiz erregt und eine zweite Serie von Einzelbildern wird aufgenommen, um ein zweites gemitteltes Einzelbild zu erhalten. Aus dem ersten gemittelten Einzelbild und dem zweiten gemittelten Einzelbild wird ein Differenzbild durch Subtraktion ermittelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Navigationssystem für Gehirnoperationen bereitzustellen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Navigationssystem für Gehirnoperation gemäß den Ausführungsformen der Erfindung für ein Verfahren zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten bereitgestellt sein, 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) für mindestens einen Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein erster Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der ersten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird, (b) für den Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein zweiter Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der zweiten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Bestimmen eines Ausgabebildes aus den ersten und den zweiten Analysebildwerten; Bestimmen von eine Topografie des Feldes des Gehirns repräsentierenden Topografiedaten; und Darstellen des Ausgabebildes in Abhängigkeit von den Topografiedaten.
Typischerweise ist während der Durchführung dieses Verfahrens 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 des Ausgabebildes erfolgt in Abhängigkeit von eine Topografie des Gehirns repräsentierenden Topografiedaten. Die Topografiedaten repräsentieren eine dreidimensionale, d. h. durch drei voneinander unabhängige Koordinaten definierte, Oberflächenstruktur des Gehirns. Die Topografiedaten können z. B. dreidimensionale Punktwolkedaten, Gitterdaten oder ähnliches umfassen. Die Topografiedaten können auch Gewebedichtewerte für Orte des Gehirns umfassen, wobei die Oberflächenstruktur durch die Orte definiert ist, bei welchen die Dichtewerte einen bestimmten Wert annehmen, unterschreiten oder überschreiten. Somit ist eine dreidimensionale Darstellung des Gehirns ermöglicht, welche gleichzeitig die Ausgabebildwerte enthält, beispielsweise als Grauwerte, Falschfarbenwerte oder ähnliches. Das Darstellen kann in verschiedenen Formen erfolgen, z. B. als (Stereo) Bilder oder als eine Mehrzahl von Graphen. 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 aufgrund einer Änderung von zeitlichen Änderungen von ersten bzw. zweiten Bildwerten eine Änderung des ersten bzw. zweiten Analysebildwertes 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 beispielhaften Ausführungsform 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 Zeiten von kürzer als 1 ms aufaddiert oder gemittelt 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 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 eine Intensität 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 beträgt. Verwendung von Licht mit Wellenlängen eines derart definierten Bereiches ermöglicht eine Eindringtiefe des Messlichts 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 unterhalb der Oberfläche des Gehirns befinden und sich relativ zueinander bewegen, detektiert werden. Das Messlicht kann dabei eine Kohärenzlänge aufweisen, welche mindestens der doppelten Eindringtiefe entspricht. Verwenden von Messlicht dieser Kohärenzlänge ermöglicht, eine Interferenz von Messlicht zu detektieren, welches von zwei Teilchen reflektiert wurde, die einen Abstand voneinander haben, welcher kleiner oder gleich der Eindringtiefe ist. Damit kann sichergestellt werden, dass auch das in tiefste Punkte des Feldes des Gehirns vorgedrungenes Messlicht mit Messlicht zur Interferenz 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 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 Messlicht 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 Dorne 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 Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses weiterhin ein Bestimmen wenigstens eines Bereiches in dem Ausgabebild, in dem Ausgabebildwerte 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 Ausführungsform kann der wenigstens eine bestimmte Bereich in Überlagerung mit dem Ausgabebild dargestellt werden. Mögliche Darstellungen umfassen dabei ein Umkreisen des bestimmten Bereichs mit einer Linie, ein Einfärben des bestimmten Bereichs, oder dergleichen. Wiederum erfolgt die Darstellung in Abhängigkeit der Topografiedaten, sodass der Betrachter eine dreidimensionale Darstellung des Gehirns erhält, welche eine genaue Lokalisation von funktionellen Bereichen erlaubt.
Gemäß einer Ausführungsform können dabei Koordinaten von Orten, welche auf den wenigstens einen bestimmten Bereich in dem Ausgabebild abgebildet werden, bestimmt werden. Somit können Orte eines funktionellen Bereiches im Gehirn des Patienten relativ zu einem Bezugssystem des Kopfes bestimmt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der erste oder/und der zweite Analysebildwert einen Wert, der eine Perfusion, eine Konzentration, eine mittlere Geschwindigkeit, und/oder ein Maß für eine Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere eine Standardabweichung der Geschwindigkeitsverteilung, von sich relativ zueinander bewegenden Teilchen, insbesondere Blutzellen, 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 Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ferner ein Wiederholen des Aufnehmens der ersten oder/und der zweiten Sequenz von Bildern als zeitliche Abfolge und Auswertung 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 solchen Film können Rückschlüsse auf den Zeitverlauf einer lokalen Aktivierung oder Reaktivierung von Gehirnbereichen nach einer Stimulierung erhalten werden.
Gemäß einer 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, welcher in Abhängigkeit von den Topografiedaten dargestellt wird. 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 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 beispielhaften Ausführungsform 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 mit einer Energiestrahlung, wie etwa elektromagnetischer Strahlung, umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Stimulieren ein Ausüben eines visuellen Reizes, eines akustischen Reizes, eines Geruchsreizes, eines gustatorischen Reizes und/oder eines Tastreizes auf den Patienten. Dabei können dem Patienten beispielsweise Bilder präsentiert werden, oder es können ihm Klänge, wie etwa Musik oder Sprache, vorgespielt werden. Es kann ihm zu Essen oder zu Trinken gegeben werden. Auch kann dieser Reiz eine Aufforderung umfassen, eine bewußte Tätigkeit auszuführen. Diese Tätigkeit kann beispielsweise ein Bewegen eines Fingers umfassen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des 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 bestimmten Bereich in dem Ausgabebild. Dabei kann beispielsweise ein zuvor bestimmter 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 angeordnet sein, welche tiefer als die Eindringtiefe der Messstrahlung liegen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des 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. Das Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich kann auch Topografiedaten umfassen, beispielsweise wenn ein Stereobild zusammengesetzt aus zwei von dem Feld des Gehirns unter einem Winkel aufgenommenen Bildern gebildet ist. 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 sind die Topografiedaten ermittelt durch optische Kohärenztomografie, ein Streifenprojektionsverfahren, ein Laufzeitverfahren, Photogrammetrie, Triangulation, und/oder Stereo-Laser-Doppler-Bildgebung.
Die optische Kohärenztomografie ist ein optisches interferometrisches Verfahren, bei welchem von einer bestimmten Schicht des zu untersuchenden Objektes reflektiertes Messlicht mit Referenzlicht überlagert und detektiert wird. Daraus können Strukturinformationen (wie etwa dreidimensionale Dichtewerte einer Reflektivität) des untersuchten Objektes erhalten werden, woraus eine Topografie des Objektes erhalten werden kann.
Bei der Streifenprojektion wird das Objekt mit mindestens einem Muster beleuchtet, während eine Kamera das beleuchtete Objekt aus einem bekannten Blickwinkel aufnimmt. Aus einer Vielzahl derartiger Kamerabilder kann die Topografie des Objektes errechnet werden.
Ein Laufzeitverfahren umfasst eine optische Distanzmessung durch Vermessen der Laufzeit von Messlicht (insbesondere Infrarotlicht) von einer Lichtquelle zu einem Punkt des Objektes. Dabei kann das Messlicht insbesondere amplitudenmoduliert sein.
Bei der Photogrammetrie werden mindestens zwei Bilder des Objektes aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen. Aus den Bildkoordinaten von Objektpunkten in den mindestens zwei Bildern kann die dreidimensionale Lage der Objektpunkte bestimmt werden.
Bei der Triangulation wird ein Objektpunkt von zwei verschiedenen Positionen mit bekanntem relativen Abstand aus angepeilt, um Winkelpositionen zu messen. Aus den Winkelpositionen und dem bekannten Abstand kann die dreidimensional Lage des Objektpunktes bestimmt werden.
Die Stereo-Laser-Doppler-Bildgebung umfasst das Aufnehmen von Sequenzen von Bildern des zu untersuchenden Objektes aus zwei verschiedenen Richtungen. Die Sequenzen von Bildern werden ausgewertet nach den oben genannten Verfahren zur Bestimmung von eine Bewegung von Teilchen repräsentierenden Daten, wie etwa Perfusionsdaten. Die Perfusionsdaten werden z. B. stereoskopisch dargestellt.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Navigationssystem für Gehirnoperationen bereitgestellt, welches eine Positionserfassungsvorrichtung, um Koordinaten von Orten eines Gehirns eines Patienten zu erfassen; eine Vorrichtung zum erfassen von eine Topografie des Gehirns repräsentierenden Topografiedaten; eine Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern, welche dazu konfiguriert ist, ein Feld des Gehirns mit Messlicht zu beleuchten und wenigstens eine erste Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen, und die erste Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem für mindestens einen Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein erster Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der ersten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird; und ein Anzeigesystem umfasst, welches dazu ausgebildet ist, erste Analysebildwerte in Abhängigkeit der Topografiedaten darzustellen.
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. Weiter kann die Topografie, insbesondere eine Oberflächenstruktur, des Gehirns bestimmt werden. Damit können Orte im Gehirn dreidimensional identifiziert werden, deren Laser-Doppler-Signale nach einer Stimulierung 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 als eine optische Positionserfassungsvorrichtung ausgebildet 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 von der Messvorrichtung aufgenommenen Bildern und Orten des Gehirns des Patienten gegeben. Die Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern ist dazu ausgebildet, eine erste Sequenz von Bildern des Feldes des Gehirns zeitlich hintereinander aufzunehmen. Diese aufgenommene erste 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.
Das Anzeigesystem stellt die ersten Analysebildwerte in Abhängigkeit der Topografiedaten dar. Dabei kann die Oberflächenstruktur des Gehirns überlagert mit den zugeordneten ersten Analysebildwerten, etwa farbkodiert, illustriert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Messvorrichtung weiterhin dazu ausgebildet, eine zweite Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen; die zweite Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem für den Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein zweiter Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der zweiten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird; und ein Ausgabebild aus den ersten Analysebildwerten und den zweiten Analysebildwerten zu bestimmen, wobei das Anzeigesystem dazu ausgebildet ist, das Ausgabebild in Abhängigkeit von den Topografiedaten darzustellen.
Das Ausgabebild kann z. B. eine Veränderung einer Perfusion von Blut in dem Feld des Gehirns aufgrund einer Stimulation des Patienten repräsentieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Messvorrichtung zum Aufnehmen der Bilder eine Kamera, deren Belichtungszeit 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 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 größer als 1 kHz, insbesondere größer als 10 kHz und weiter insbesondere größer 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 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. 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 gleichzeitig das Feld des Gehirns zur visuellen Inspektion mit weißem Licht (Licht, welches Längenlängen in dem gesamten sichtbaren Bereich umfasst) 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 der vorliegenden Erfindung umfasst das Navigationssystem weiterhin eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern des Gehirns des Patienten im sichtbaren Wellenlängenbereich. Hierbei kann z. B. ein Stereomikroskop zur Anwendung kommen, was auch Topografiedaten erzeugen kann. 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 oder/und mit Ausgabebildwerten. Damit ist es weiterhin ermöglicht, in dem sichtbaren Wellenlängenbereich erkennbare Details zu überlagern, welche in den Laser-Doppler-Bildern erkennbar sind. Dies erleichtert, insbesondere durch eine dreidimensionale Darstellung, eine Interpretation der Laser-Doppler-Bilder durch einen Betrachter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Erfassen der Topografiedaten ein optisches Kohärenztomografiesystem, ein Streifenprojektionssystem, ein Laufzeitmesssystem, ein Photogrammetriesystem, ein Triangulationssystem, und/oder ein Stereo-Laser-Doppler-Bildgebungsystem.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Navigationssystem dazu ausgebildet, ein oben beipielhaft beschriebenes Verfahren 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.
1A zeigt ein Navigationssystem für Gehirnoperationen gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung;
1B zeigt eine Vorrichtung zum Erfassen von eine Topografie des Gehirns repräsentierenden Topografiedaten, welche in dem in 1A illustrierten Navigationssystem zur Anwendung kommen kann;
2 zeigt ein Auswerteverfahren unter Benutzng eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Verfahren zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns eines Patienten unter Benutzng eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt Prinzipien eines Messprozesses unter Benutzng eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A zeigt ein Weißlichtbild eines Feldes eines Gehirns eines Patienten;
5B zeigt ein Laser-Doppler-Bild des in 5A als Weißlichtbild gezeigten Feldes des Patienten;
6 zeigt einen Graphen gemäß eines Analyseverfahrens unter Benutzng eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7A und 7B zeigen jeweils eine Überlagerung eines Weißlichtbildes und eines gemäß eines Verfahrens unter Benutzng eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewonnenen Ausgabebildes aus Laser-Doppler-Bildern, welche vor bzw. nach einer Stimulation gewonnen wurden.
1A zeigt eine Ausführungsform eines Navigationssystems 1 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 eine Positionserfassungseinrichtung 7 und eine Topografieerfassungsvorrichtung 100.
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 4 umfasst eine Verarbeitungseinheit 45, eine Anzeigeeinheit 47, eine Eingabeeinheit 49 und eine Speichereinheit 51. Die Verarbeitungseinheit 45 ist dazu ausgebildet, eine Sequenz von Bildern, welche jeweils durch Bildwerte I(i, j) gegeben sind, auszuwerten. Das genaue Auswerteverfahren wird weiter unten beschrieben.
Die Weißlichtkamera 6 umfasst ein Kameraobjektiv 42 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 42 und wird von dem Pixel (i, j) des Detektors 44 detektiert. Das von dem Detektor detektierte Weisslichtbild wird auf der Anzeigeeinheit 47 dargestellt.
Das Feld 11 des Gehirns 13, welches eine Oberfläche 13' hat, wird gleichzeitig von der Topografieerfassungsvorrichtung 100 erfasst. Die Topografieerfassungsvorrichtung erlaubt eine Topografie des Feldes 11 des Gehirns 13 repräsentierende Topografiedaten, d. h. insbesondere eine Geometrie der Oberfläche 13' des Feldes 11 des Gehirns repräsentierende Daten, optisch aufzunehmen. Damit kann die Oberflächenstruktur des Feldes 11 des Gehirns 13 bestimmt werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Topografieerfassungsvorrichtung 100 verschieden ausgebildet, wie etwa als ein optisches Kohärenztomografiesystem, ein Streifenprojektionssystem, ein Laufzeitmesssystem, ein Photogrammetriesystem, ein Triangulationssystem, und/oder ein Stereo-Laser-Doppler-Bildgebungsystem. Eine Ausführungsform wird unten mit Bezug auf 1B beschrieben.
Die Topografiedaten können eine Oberflächengeometrie oder -struktur des Feldes 11 des Gehirns 13 beschreiben. Die Topografiedaten werden über eine Datenleitung 103 an die Steuer- und Auswerteeinheit 4 gegeben. Die wie unten erläutert erhaltenen Perfusionsdaten des Feldes 11 werden in Abhängigkeit der Topografiedaten auf der Anzeigeeinheit 47 dargestellt, um einem Benutzer einen dreidimensionalen Eindruck von der Oberflächenstruktur des Feldes 11 des Gehirns 13 mit überlagerten Perfusionsdaten zu ermöglichen.
Das Navigationssystem für Gehirnoperationen umfasst weiterhin eine Stimulationsvorrichtung 5 zum Stimulieren eines Patienten. Die Stimulationsvorrichtung umfasst eine Stimulationssteuerung 53 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 angeordnet. Ebenso ist der Lautsprecher 59 in Hörweite eines Ohres 58 des Patienten angeordnet. Ein Infusionsventil 61 ist mit einem Blutgefäß in einem Arm 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.
1B zeigt eine Topografieerfassensvorrichtung 100 zum Erfassen von eine Topografie des Gehirns 13 mit Oberfläche 13' repräsentierenden Topografiedaten, welche in dem in 1A illustrierten Navigationssystem zur Anwendung kommen kann. Die Topografieerfassensvorrichtung 100 arbeitet nach einem Photogrammetrieverfahren, wozu sie zwei Kameras 105 und 107 umfasst, welche mit Abstand voneinander derart angeordnet sind, dass eine jede der Kameras 105, 107 ein Bild der Oberfläche 13' des Feldes 11 des Gehirns 13 des Patienten aufnehmen kann. Aufgrund des Abstands der beiden Kameras 105, 107 voneinander erfolgen diese Aufnahmen des Feldes 11 aus verschiedenen Blickwinkeln, wodurch sich die von den Kameras 105, 107 gewonnenen Aufnahmen voneinander unterschieden, wie dies anhand der in 4 eingetragenen exemplarischen Oberflächenpunkte 109, 110 ersichtlich ist. Bei geeigneter Befeuchtung geht von den Punkten 109, 110 Licht 111 aus. Damit werden die beiden Punkte 109, 110 in einer Bildebene der Kamera 105 in Bilder 109' bzw. 110' abgebildet, welche einen Abstand x₁ voneinander aufweisen, welcher größer ist als ein Abstand x₂, den Bildpunkte 109'' und 110'' in einer Bildebene der Kamera 107 voneinander aufweisen. Nach Verlagerung der Topografieerfassensvorrichtung 100 können weitere Bilder durch die Kameras aufgenommen werden, um einen umfangreicheren Messdatensatz von Abständen der Punkte unter verschiedenen Blickwinkeln zu erhalten.
Durch geeignete Auswertung der von den Kameras 105 und 107 gelieferten Bilder gewinnt die Steuer- und Auswerteeinheit 4 Topografiedaten des Feldes 11 des Gehirns 13 des Patienten. Diese können ein dreidimensionales Datenmodell der Oberfläche 13' des Feldes 11 repräsentieren.
Weitergehende Beispiele für Photogrammetrieverfahren und Vorrichtungen hierzu sind beispielsweise in US 6,165,181 angegeben. Die in dieser Schrift zitierten Referenzen geben weitere Beispiele für Photogrammetrieverfahren an.
Mit Bezug auf 2 wird ein Auswerteverfahren unter Benutzung eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. In diesem Verfahren wird eine Sequenz 65 von Bildern 66 mit dem in 1A illustrierten Detektor 43 aufgenommen. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel umfasst jedes Bild 66 ein quadratisches Feld von Pixeln (i, j). Die Zahl der Pixel in diesem Ausführungsbeispiel beträgt 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 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(ν) der zeitlichen Änderungen der Bildwerte aufgetragen und mit Bezugsnummer 68 bezeichnet. Auf der X-Achse ist die Frequenz ν der zeitlichen Änderung und auf der Y-Achse die Amplitude S(ν) der jeweiligen Frequenzkomponente aufgetragen. Das Frequenzspektrum S(ν) 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 wird auch eine Perfusion genannt. Alternativ zu der Perfusion kann als Analysebildwert auch eine Konzentration C (Concentration), oder eine Geschwindigkeit V (Speed) von sich relativ zueinander bewegenden 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, welches perfusionsbezogenen Daten über das aufgenommene Feld 11 des Gehirns 13 zeigt.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens unter Benutzung eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist ein Feld 11 eines Gehirns 13 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 das Feld 11 des Gehirns des Patienten trifft. 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 oder eine Perfusion innerhalb des Feldes 11 des Gehirns 13 repräsentiert. Das Analysebild 70a kann auch in Abhängigkeit der Topologiedaten auf der Anzeigeeinheit 47 dargestellt werden, z. B. als dreidimensionale Oberflächendarstellung, wobei die Oberfläche entsprechend der Perfusionwerte eingefärbt ist oder einen entsprechenden Grauwert annimmt.
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, welches als Höhenlinienbild dargestellt ist. 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 ein Bereich um den Ort (x, y) des Feldes 11 des Gehirns 13 des Patienten durch die in 3B illustrierte Stimulierung aktiviert oder deaktiviert worden ist.
4 illustriert Prinzipien der Messung unter Benutzung eines Navigationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Messlicht 31 trifft auf das Feld 11 des Gehirns 13 eines Patienten auf. In dieser Ausführungsform hat das Messlicht eine Wellenlänge von 808 nm und ist durch einen Laser erzeugt. Eine Eindringtiefe von Messlicht dieser Wellenlänge in Hirngewebe beträgt etwa 1 bis 2 mm. Die spektrale Breite des von dem Laser erzeugten Messlichts 31 mit Wellenlänge 808 nm ist derart gewählt, dass eine Kohärenzlänge des Messlichts etwa der doppelten Eindringtiefe des Messlichts entspricht. 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 Messlicht 31 auf Blutzellen 73 und Blutzellen 75. Blutzellen 73 befinden sich im Wesentlichen in Ruhe bezüglich des untersuchten Feldes 11 des Gehirns. Dahingegen bewegen sich Blutzellen 75 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 Messlicht 31 wird von den Blutzellen 73 und 75 reflektiert und gestreut. Während sich relativ zu dem Feld 11 in Ruhe befindliche Blutzellen 73 das Messlicht 31 als Licht reflektieren, welches dieselbe Wellenlänge λ₀ hat, wie die des eingestrahlten Messlichtes 31, reflektieren sich relativ zum Feld 11 bewegende Blutzellen 75 des einfallende Messlicht 31 mit Wellenlängen, welche von der Wellenlänge des einfallenden Messlichts verschieden sind. Bewegen sich Blutzellen 75 in Richtung des einfallenden Messlichtes 31, so reflektieren sie das Messlicht mit einer Wellenlänge, welche größer ist als die des einfallenden Messlichts 31. Bewegen sich Blutzellen 75 hingegen in Richtung auf das einfallende Messlicht 31 zu, so reflektieren sie das Messlicht mit Wellenlängen, welche kleiner sind als die des einfallenden Messlichts. Es werden eine Vielzahl von Blutzellen 73 und 75 von dem einfallenden Messlicht 31 getroffen. Das von dieser Vielzahl von Blutzellen reflektierte Messlicht umfasst somit abhängig von der Geschwindigkeit der Vielzahl der Blutzellen Wellenlängen, die größer und kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Messlichtes ist. Diese geschwindigkeitsabhängige Verschiebung Δλ der Wellenlänge des Lichts wird gemeinhin als Doppler-Effekt bezeichnet. Reflektiertes Messlicht verschiedener Wellenlängen und verschiedener relativer Phasen überlagert sich, um in einem Pixel des Detektors 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 Reflektion 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 eines Feldes eines Gehirns eines Patienten, wobei dessen Schädeldecke geöffnet ist. Auf der Oberfläche des Gehirns des Patienten sind mehrere Blutgefäße 90, 91, 92, 93 zu sehen. Diese Blutgefäße umfassen Arterien und Venen. Die Blutgefäße verzweigen sich immer weiter, um in Mikrokapillaren überzugehen. Zwischen den Blutgefäßen ist weißes Gehirngewebe zu sehen.
5B zeigt ein von demselben Feld des Gehirns des Patienten aufgenommenes Laser-Doppler-Bild. Höhere Werte einer Blutbewegung bzw. Perfusion sind durch hellere Grauwerte dargestellt. Man erkennt eine Korrespondenz von Strukturen in dem in 5A dargestellten Weißlichtbild und dem in 5B dargestellten Laser-Doppler-Bild. 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 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 und das Laser-Doppler-Bild durch simultane Beleuchtung mit Laserlicht und weißem Licht und simultane Detektion erhalten.
Das in 5B gezeigte Laser-Doppler-Bild kann auf eine durch die aufgenommenen Topografiedaten erhältliche dreidimensionale Oberflächendarstellung des Feldes des Gehirns angepasst werden, um einen räumliche Eindruck von der Verteilung der Perfusionswerte in dem Feld des Gehirns zu erhalten.
6 zeigt einen Graphen, welcher einen Mittelwert über Analysebildwerte aller Pixel eines wie in 5B illustrierten 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-Achse 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 Verfahren möglich ist, Änderungen in einem Blutfluss im Gehirn aufgrund von Stimulierungen zu detektieren.
7A und 7B zeigen Ausgabebilder gemäß des Verfahrens zum Darstellen eines Feldes eines Gehirns vor bzw. nach einer Stimulation überlagert mit Weißlichtbildern des Feldes des Gehirns. Alternativ können die Ausgabebilder zur dreidimensionalen Darstellung in Abhängigkeit der Topologiedaten dargestellt werden.
Die Zahlen entlang der Bildkanten kennzeichnen Pixelindizes. Das Weißlichtbild ist dabei in 7A und 7B 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 derer 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 7A und 7B dargestellt sind, wurden durch Vergleich des Mittelwertes der Bilder der ersten Sequenzen mit dem Mittelwert der Bilder der zweiten Sequenzen erhalten. Während das Bild der 7A eine Zunahme einer Perfusion oder Blutbewegung in dem Feld des Gehirns anzeigt, zeigt das Bild der 7B eine Abnahme der Perfusion oder Blutbewegung des Feldes des Gehirns aufgrund des Bewegens der Finger an. Es ist in 7B 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 7A und 7B gezeigte Bereiche wurden nicht als Bereiche detektiert, welche mit einer Fingerbewegung in Beziehung stehen. Damit erweist sich das Verfahren als ein nicht invasives Verfahren, funktionelle Areale im Gehirn eines Menschen zu identifizieren.

Claims

Navigationssystem für Gehirnoperationen, umfassend: eine Positionserfassungsvorrichtung, um Koordinaten von Orten eines Gehirns eines Patienten zu erfassen; eine Vorrichtung zum Erfassen von eine Topografie des Gehirns repräsentierenden Topografiedaten; eine Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern, welche dazu konfiguriert ist, ein Feld des Gehirns mit Messlicht zu beleuchten und wenigstens eine erste Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen, und die erste Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem für mindestens einen Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein erster Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der ersten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird; und ein Anzeigesystem, welches dazu ausgebildet, ist, erste Analysebildwerte in Abhängigkeit der Topografiedaten darzustellen.
Navigationssystem nach Anspruch 1, wobei die Messvorrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, eine zweite Sequenz von Bildern des beleuchteten Feldes aufzunehmen; die zweite Sequenz von Bildern zu verarbeiten, indem für den Ort (x, y) des Feldes des Gehirns ein zweiter Analysebildwert in Abhängigkeit von Amplituden oder/und Frequenzen von zeitlichen Änderungen von Bildwerten (I(i, j, t)) derjenigen Pixel (i, j) in der zweiten Sequenz von Bildern bestimmt wird, auf die der Ort abgebildet wird; und ein Ausgabebild aus den ersten Analysebildwerten und den zweiten Analysebildwerten zu bestimmen, wobei das Anzeigesystem dazu ausgebildet ist, das Ausgabebild in Abhängigkeit von den Topografiedaten darzustellen.
Navigationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messvorrichtung zum Aufnehmen der Bilder eine Kamera umfasst, deren Belichtungszeit auf weniger als 1 ms, insbesondere weniger als 0,1 ms und weiter insbesondere weniger als 0,03 ms einstellbar ist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 3 bis 4, 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, und weniger als 10% einer Gesamttransmission des Bandpaßfilters beträgt.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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, und weniger als 10% einer emittierten Gesamtintensität beträgt.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches weiterhin eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern des Gehirns des Patienten im sichtbaren Wellenlängenbereich umfasst.
Navigationssystem nach Anspruch 7, welches weiterhin eine Anzeigevorrichtung umfasst, um ein Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich darzustellen, insbesondere in einer Überlagerung mit ersten Analysebildwerten, zweiten Analysebildwerten oder/und Ausgabebildwerten.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung zum Erfassen der Topografiedaten ein optisches Kohärenztomografiesystem, ein Streifenprojektionsystem, ein Laufzeitmesssystem, ein Photogrammetriesystem, ein Triangulationssystem, und/oder ein Stereo-Laser-Doppler-Bildgebungsystem umfasst.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern weiterhin konfiguriert ist, das Bestimmen des Ausgabebildes aus den ersten und den zweiten Analysebildwerten derart durchzuführen, dass das Bestimmen 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.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Messvorrichtung zum Aufnehmen von Bildern weiterhin konfiguriert ist, einen Bereich in dem Ausgabebild zu bestimmen, in dem Intensitätswerte größer als ein Schwellwert sind.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste oder/und der zweite Analysebildwert einen Wert repräsentiert, der eine Perfusion, eine Konzentration, eine mittlere Geschwindigkeit, und/oder ein Maß für eine Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere eine Standardabweichung der Geschwindigkeitsverteilung, von sich relativ zueinander bewegenden Teilchen, insbesondere Blutzellen, umfasst.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin umfassend einen Referenzrahmen zum Verankern eines Kopfes des Patienten.