DE102009018633A1

DE102009018633A1 - Verfahren und Einrichtung zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen

Info

Publication number: DE102009018633A1
Application number: DE102009018633A
Authority: DE
Inventors: Gerald Steiner; Edmund Koch; Gabriele Schackert; Matthias Kirsch
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-10-21
Also published as: EP2419007B1; EP2419007A1; WO2010118731A1

Abstract

Die Aufgabe besteht darin, dass funktionelle kortikale und/oder pathologische Areale dargestellt und abgegrenzt werden können. Dabei soll eine bildhafte Erfassung während eines operativen Eingriffs möglich sein und keine Schädigung oder Rückwirkung auf das Gewebe eine hochsensitive Erfassung minimaler Temperaturänderungen gewährleistet sein. Es sollen auch der Bildkontrast verbessert und wichtige Gebiete des Gehirnareals herausgehoben werden. Die Lösung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: - die Oberfläche eines Gehirnareals (1) wird mittels einer Wärmebildkamera (3) bildhaft erfasst, - die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) werden einige Sekunden bis wenige Minuten kontinuierlich als Bildsequenz aufgenommen, - die Bildsequenz wird einer Einheit (17) zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und dort als Datenkubus (10) einer multivariaten Auswertung unterzogen, - temperaturunterschiedliche Bereiche (18, 19) des Gehirnareals (1) werden herausgehoben, - die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) werden wahlweise in das jeweils zutreffende mikroskopische Bild eingespiegelt und/oder mit den präoperativen Bilddaten gemeinsam registriert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen.
Mittels des Verfahrens zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen in der Neurochirurgie werden mit einer Bildaufnahmeeinrichtung und eines Bildauswertungsverfahrens Änderungen in der Wärmestrahlung des freiliegenden Gehirns erfasst und bildhaft dargestellt. Das Ziel der Erfindung ist die Lokalisation funktionaler und/oder pathologischer Areale von Gehirngewebe. Damit soll die operative Präzision während eines neurochirurgischen Eingriffs maßgeblich verbes sert werden. Dabei kann das Verfahren ohne Beeinträchtigung des Patienten bzw. ohne Schädigung des untersuchten Gehirngewebes eingesetzt werden und den operativen Ablauf nicht beeinträchtigen.
Eines der größten Probleme in der modernen Neurochirurgie stellt die fehlende Möglichkeit einer schnellen und sicheren Identifizierung funktioneller kortikaler Areale während des operativen Eingriffs dar.
Die Lösung des Problems ist nicht durch die konventionelle Lichtmikrokopie möglich, d. h. der Neurochirurg hat ohne zusätzliche Informationen keine Möglichkeit, funktionale Areale oder viele Arten von Pathologien an der Gehirnoberfläche zu identifizieren. Gleiches gilt für viele Pathologien, die sich nicht offensichtlich von normalem Gehirngewebe unterscheiden. Bisher wurden daher adjunkte Verfahren eingesetzt, z. B. maßgeblich die präoperative Bildgebung, die Lokalisation mittels stereotaxie-basierter Verfahren inklusive der Neuronavigation sowie aufwändiger intraoperativer funktioneller Untersuchungen. Zu den intraoperativen Verfahren gehören elektrophysiologische Detektion des primären Motorkortex sowie der primär sensorischen Areale (Gyrus postcentralis, primäre Sehrinde) bis zur Operation am wachen Patienten, um höhere Gehirnfunktionen, z. B. Verständnis, Lesen, Rechnen, Sprechen und Bewegungsplanung zu lokalisieren.
Zu den experimentellen Verfahren, die in der klinischen Erprobung sind, gehört ein Verfahren zur optischen Bildgebung intrinsischer Signale des Kortex (engl. Optical Imaging). Der Bildkontrast beruht auf Änderungen der optischen Eigenschaften des Gehirngewebes bei neuronaler Aktivität. Die Ursachen dieser Änderungen sind eine oder mehrere der folgenden physiologischen Änderungen bei Gehirnaktivität: Änderung der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins, Änderung der Gewebestreuung, Änderung des Blutvolumens oder Änderung der Charakteristik des Chromophors Cytochrome-Oxidase. So kann durch das Optical Imaging z. B. nach sensorischer Reizung des Armes (somato-sensorisch evozierte Potentiale) ein korrespondierendes aktiviertes Areal kortikal zugeordnet werden, wenn die Trepanation (Gehirnschädeleröffnung) über diesem Gebiet zugänglich ist.
Die ortsaufgelöste Messung von Wärmestrahlung wird üblicherweise als Thermographie bezeichnet. Dieses Verfahren wird bislang nicht für Aufgaben routinemäßig in der Neurochirurgie eingesetzt. Die Thermographie ist ein hoch entwickeltes, sensitives bildgebendes Verfahren, mit welchem kleine Temperaturdifferenzen sichtbar gemacht werden können.
Wie in der Druckschrift Shevelev et al.: Thermoimaging of the brain, Journal of Neuroscience Methods, 46, 1993, S. 49–57 beschrieben, ist bereits vor mehreren Jahrzehnten versucht worden, an exponierten Gehirnarealen Pathologien, insbesondere ischämische Läsionen („Gehirninfarkt”, ischämischer Insult, engl. ischemic stroke) thermographisch zu identifizieren, da ein minderdurchblutetes Areal außerhalb der geschlossenen Kalotte eine lokal niedrigere Wärmeleistung aufweisen sollte. Die darin untersuchte Wärmeleistung des aktivierten durchbluteten Kortex kann durch einen erhöhten Metabolismus und einer konsekutiv erhöhten lokalen Durchblutung 0,001 Watt erreichen.
Die Thermographie basiert auf dem nach außen abgestrahlten infraroten Licht im Bereich von ca. 1200 nm bis 2500 nm Wellenlänge. Je nach Kameratyp, Filter und wärmesensitivem Bilddetektor kann dieser Bereich variieren. Die Thermographie ist nicht mit der intraprenchymatösen Temperaturmessung zu verwechseln, die auf der Implantation einer Sonde beruht, die an einer Position verankert wird und nur dort die Temperatur im Inneren des Gehirns misst.
Andere Verfahren zur Messung der intrakraniellen Temperaturverteilung stellen die Magnetresonanzspektroskopie, die Mikrowellenradiometrie und die Ultraschallthermometrie dar. Diese Verfahren können jedoch nicht oder nur mit großen Einschränkungen intraoperativ eingesetzt werden.
Bezüglich einer Lokalisierung von kortikalen funktionellen Arealen durch Thermographie wurde neben den genannten Verfahren zur Lokalisierung bestimmter funktioneller Areale, namentlich den primären Motorkortex und den primären sensorischen Kortex (Gyrus praecentralis und Gyros postcentralis) bereits vor zwanzig Jahren die Thermographie in analoger Weise zur Detektion normaler funktioneller Gehirnareale eingesetzt.
Insbesondere in der Druckschrift Gorbach et al.: Intraoperative Infrared Functional Imaging of Human Brain, Annals of Neurology, 2003, 54, S. 297–309 ist die systematische Etablierung des Verfahrens zur Lokalisierung des primär motorischen und sensiblen Kortex beschrieben. Darin erfolgte eine Untersuchung von einundzwanzig Patienten, die intraoperativ einer Nervus medianus – Stimulation oder während einer Wachoperation verschiedenen Aufgaben unterzogen wurden, in welchen kortikalen Arealen eine gesteigerte Wärmeleistung zu verzeichnen war. Die Ergebnisse der Thermographie stimmen mit den Messungen durch konventionelle kortikale Reizung und elektrophysiologische Kartierung überein und dehnten sich zum Teil über diese Bereiche aus.
Eine Detektion von Gefäßmissbildungen ist in der Druckschrift Nakagawa et al.: Use of Intraoperative Dynamic Infrared Imaging with Detection Wavelength of 7–14 μm in the Surgical Obliteration of Spinal Arteriovenous Fistula: Case Report and Technical Considerations, Minim Invas Neurosurg, 2004, 47, S. 136–139, Georg Thieme Verlag KG Stuttgart, New York beschrieben, wobei die Detektion von Gefäßmissbildungen im Rückenmark eines Patienten durch intraoperative Infrarotbildgebung erfolgte, die eine thermische Auflösung von 0,15 Kelvin aufwies. Bei der Detektion lag der Schwerpunkt nicht auf den thermischen Signalen, sondern auf der selektiven Blutflussmessung aufgrund des Infrarot-Signals des Blutes bei einer Wellenlänge von 7–14 μm. Nach Extirpation der Gefäßmissbildung konnte kein Flusssignal detektiert werden. Über eine thermographische Messung wurde nicht berichtet, weil eine Thermographie in diesem Fall unmöglich war, da die tiefe, von stark durchbluteten Wänden umgebene Resektionshöhle einen lokalen Wärmestau induzierte und ein hohes Rauschen verursachte.
Eine Anwendung des Nahinfrarot-Imaging zur Charakterisierung von Gewebe wird in der Druckschrift WO 2006/014736 A2 beschrieben, wobei insbesondere auf das Monitoring von Therapien eingegangenen wird. Es werden keine Vor gänge beschrieben, wie aus den thermografischen Bildern durch Nutzung multivariater Bildanalyseverfahren Informationen gewonnen werden können.
Ein thermisches Abbildungsverfahren wird in der Druckschrift GB 2311368 A beschrieben, wobei malignes Gewebe, insbesondere der Haut, anhand der veränderten Temperatur erkannt werden kann. Messungen von Gehirnarealen zur Erkennung und Abgrenzung funktionaler Areale werden nicht beschrieben.
Ein optisches Abbildungssystem für die intraoperativen Messungen am Gehirn wird in der Druckschrift US 005215095 A dargestellt. Das Abbildungssystem enthält explizit eine Signalverarbeitung, wobei aber nur optische Bilder im sichtbaren Spektralbereich registriert und verarbeitet werden.
Ein Abbildungssystem zur Erfassung kognitativer Funktionen wird in der Druckschrift US 2004/0082862 A1 beschrieben. Das zugehörige Verfahren wird nicht intraoperativ eingesetzt und dient ebenso wenig der Erkennung und Abgrenzung funktionaler oder pathologischer Areale.
In der Druckschrift WO 02/29700 A2 wird ein Verfahren zur intraoperativen gestützten Neurochirurgie beschrieben. Das bildgebende Verfahren beruht auf der Erhöhung des optischen Kontrastes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass funktionelle kortikale und/oder pathologische Areale dargestellt und abgegrenzt werden können. Dabei soll eine bildhafte Erfassung während eines operativen Eingriffs möglich sein und keine Schädigung oder Rückwirkung auf das Gewebe vorhanden sein. Zudem sollen die untersuchten Flächen der Gehirnareale einer mathematischen Auswertung unterzogen werden und zugleich zeitliche Veränderungen der Gehirnareale anzeigen. Ziel der eingesetzten multivariaten Bildauswerteverfahren ist eine hochsensitive Erfassung minimaler Temperaturänderungen. Es sollen auch der Bildkontrast verbessert und wichtige Gebiete der Gehirnoberfläche herausgehoben werden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 22 gelöst.
Das Verfahren zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 folgende Schritte auf:

– die Oberfläche eines Gehirnareals wird mittels einer Wärmebildkamera bildhaft erfasst,
– die Wärmebilder werden einige Sekunden bis wenige Minuten kontinuierlich als Bildsequenz aufgenommen,
– die Bildsequenz wird einer Einheit zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und wird dort als Datenkubus einer multivariaten Auswertung unterzogen,
– die temperaturunterschiedliche Bereiche des Gehirnareals werden hervorgehoben,
– die Wärmebilder werden wahlweise in das jeweils zutreffende mikroskopische Bild eingespiegelt und/oder mit den präoperativen Bilddaten gemeinsam registriert.

Dazu wird eine Wärmebildkamera eingesetzt, die den Spektralbereich von 800 nm bis 2500 nm erfasst und zugleich unempfindlich für sichtbares Licht ist.
Die Wärmebildkamera kann oberhalb des abzubildenden Gehirnareals positioniert werden.
Die Wärmebildkamera wird dabei so angebracht, dass sie unter Aufrechterhaltung der Sterilität in allen Raumrichtungen frei positioniert wird.
Die Wärmebildkamera wird separat an Haltevorrichtungen oder an weiteren intraoperativen Instrumenten, z. B. Navigationseinheit oder am Operationsmikroskop fixiert.
Die Wärmebildkamera kann aber auch in das Operationsmikroskop integriert werden.
Bei der Erfassung der Wärmestrahlung wird ausschließlich die gehirneigene Wärmestrahlung der Wärmebildkamera zugeführt.
Es können kontinuierlich Bilder von dem abzubildenden Gehirnareal mit einer Abtastfrequenz zwischen 0,5 HZ und 50 Hz aufgenommen und gespeichert werden.
Die Wärmebilder können sofort nach Abschluss der Aufnahmesequenz in einer Einheit zur multivariaten Bildauswertung ausgewertet werden, von der aus das berechnete Bild ausgegeben wird.
In einem ersten Schritt der multivariaten Bildauswertung werden Störungen der Aufnahmen erkannt und die gestörten Wärmebilder aus dem Datenkubus eliminiert.
Die Änderungen in der Grundlinie können automatisch korrigiert durch eine lineare oder nichtlineare Basislinienkorrektur kompensiert werden.
Die erfassten Wärmebilder können einer Hauptkomponentenanalyse, einem Verfahren der Clusteranalyse oder einem statistischen Klassifikationsverfahren zugeführt werden.
Des Weiteren können aktiven Gehirnareale in einem Falschfarbenbild deutlich hervortreten.
Das Wärmebild kann einzeln oder fusioniert mit dem mikroskopischen Bild oder mit präoperativen Bilddaten dargestellt werden.
Die Bildsequenz der Wärmebilder kann in zeitlicher Abfolge sichtbar gemacht werden.
Zusammenfassend können folgende Verfahrensschritte vorgesehen werden:

– die aufgenommenen Wärmebilder werden in einer Einheit zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und einem multivariaten. Auswerteverfahren unterworfen, wobei ein Datenkubus von Wärmebildern erstellt wird,
– Auswertung der Wärmebilder nach Abschluss der Wärmebildsequenz,
– Berechnung der auszugebenden Bilder, wobei in einem ersten Schritt Störungen in der Aufnahme erkannt werden und die gestörten Wärmebilder aus dem Datenkubus entfernt werden,
– Korrektur der Änderungen in der Grundlinie,
– Kompensation der Änderungen durch eine lineare oder nichtlineare Basislinienkorrektur, wobei das Wärmebild einzeln oder fusioniert mit dem mikroskopischen Bild oder mit präoperativen Bilddaten dargestellt wird.

Dabei können am abzubildenden Gehirnareal aufgezeichnete elektrophysiologische Messungen in die Wärmebilder zeitgenau eingespiegelt werden.
Der zeitliche Ablauf der elektrophysiologischen Stimulationen können zeitgenau mit den Wärmebildern dargestellt und beliebig oft wiederholbar gezeigt werden kann.
Die Einrichtung zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen, deren abgestrahlte Wärmestrahlung mittels einer Detektion unter Einsatz des vorgenannten Verfahrens erfassbar ist,
enthält gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 22
folgende Baugruppen zur Erfassung der Wärmestrahlung

– eine Wärmebildkamera zur Aufnahme der vom Gehirnareal abgestrahlten Wärmestrahlung in Form eines Wärmestrahlenbündels,
– eine Bildverarbeitungseinheit, die der Wärmebildkamera nachgeordnet ist und in der die aufgenommenen Wärmebilder in einem Datenkubus stapelartig gespeichert sind, wobei in der Bildverarbeitungseinheit eine Einheit zur multivariaten Bildauswertung vorhanden ist, die – eine Einheit zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus und – eine Einheit zur multivariaten Analyse des Datenkubus enthält, wobei von der Bildverarbeitungseinheit berechnete Bilder und Informationen aus dem Datenkubus der Wärmebilder zur Visualisierung erstellt werden, und
– Ausgabevorrichtungen für das Beobachten der Wärmebilder.

In der Einrichtung können zumindest ein Operationsmikroskop, das ein Linsensystem zur Abbildung eines vorgesehenen Gehirnareals mittels eines sichtbaren Lichtstrahlenbündels, das die vom Gehirnareal abgestrahlte Wärmestrahlung als Wärmestrahlenbündel enthält, und folgende weitere Baugruppen vorhanden sein:

– ein Spiegelsystem mit zumindest einem dichroitischen Teilerspiegel zur Transmission des sichtbaren Lichtstrahlenbündels und zur Ablenkung des im Strahlengang des sichtbaren Lichtstrahlenbündels befindlichen Wärmestrahlenbündels, wobei mittels des dichroitischen Teilerspiegels das Wärmestrahlenbündel aus dem sichtbaren Lichtstrahlenbündel abgelenkt wird,
– eine Wärmebildkamera zur Aufnahme des aus dem sichtbaren Lichtstrahlenbündel abgelenkten Wärmestrahlenbündels,
– eine Bildverarbeitungseinheit, die der Wärmebildkamera nachgeordnet ist und in der die aufgenommenen Wärmebilder in einem Datenkubus stapelartig gespeichert sind, wobei in der Bildverarbeitungseinheit eine Einheit zur multivariaten Bildauswertung vorhanden ist, die – eine Einheit zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus und – eine Einheit zur multivariaten Analyse des Datenkubus enthält, wobei von der Bildverarbeitungseinheit berechnete Bilder und Informationen aus dem Datenkubus der Wärmebilder zur Beobachtung erstellt werden, und
– Ausgabevorrichtungen für das Beobachten der Bilder des Operationsmikroskops und für das Beobachten der Wärmebilder.

Das Spiegelsystem mit dem die Wärmebilder ablenkenden dichroitischen Tellerspiegel kann einen weiteren Spiegel zur nachfolgenden Umlenkung des Wärmestrahlenbündels zur Detektorfläche der Wärmebildkamera aufweisen.
Ein EEG-Gerät für elektrophysiologische Messungen kann in die Einrichtung eingebunden sein, wobei Elektroden des EEG-Gerätes im Bereich des abzubildenden Gehirnareals angebracht sind, mit denen der zugehörige EEG-Verlauf aufgezeichnet wird.
Die Ausgabevorrichtungen können zeitliche Darstellungen der Wärmebilder anzeigen.
Der Datenkubus von Wärmebildern weist eine Folge von zeitlich aufeinander folgend registrierten Wärmebildern auf.
Die Einheit zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus kann aus folgenden Funktionseinheiten bestehen:

– einer Clusteranalyse zur Trennung von gestörten und nicht gestörten Bildern,
– einem Filteralgorithmus, der Bilder mit einer physiologisch nicht möglichen schnellen Änderung in der Wärmestrahlung als Artefakt klassifiziert und eliminiert,
– einem Filter, der sämtliche Pixel eines Bildes unterhalb einer einzustellenden oder automatisch gewählten Temperaturgrenze aus dem Wärmebilddatensatz eliminiert,
– einem Rekonstruktionsalgorithmus, der vor allem flächenmäßig keine Bildfehler durch mathematische Operationen, wie zum Beispiel Faltung, ausgleicht.

Die Einheit zur multivariaten Analyse des Datenkubus kann aus folgenden Funktionseinheiten bestehen:

– einer Hauptkomponentenanalyse,
– einer Koeffizientenanalyse,
– einer hierarchischen oder nichthierachischen Clusteranalyse,
– einer linearen Diskriminanzanalyse und einem Algorithmus zur Selektion relevanter Sequenzen,
– einer überwachten Klassifizierung unter Zuhilfenahme von Trainingsdaten, die in dem Algorithmus bereits gespeichert sind.

Ferner können auch Verfahren der künstlichen neuronalen Netze und genetische Algorithmen zur Anpassung der Klassifikation eingesetzt werden.
Für die Erfassung kann eine Wärmebildkamera eingesetzt sein, die den Spektralbereich von 800 nm bis 2500 nm erfasst und zugleich unempfindlich für sichtbares Licht ist.
Die Wärmebildkamera kann separat an Haltevorrichtungen oder an weiteren intraoperativen Instrumenten, an einer Navigationseinheit oder am Operationsmikroskop fixiert sein.
Die Wärmebildkamera kann außerdem in das Operationsmikroskop integriert sein.
Der Abstand zwischen der Wärmebildkamera und dem abzubildenden Gehirnareal kann einen Dimensionierungsbereich zwischen 0,3 m und 1 m umfassen.
Die Oberfläche des frei zugänglichen Gehirngewebes wird berührungslos und rückwirkungsfrei durch die wärmestrahlungssensitive Kamera – Wärmebildkamera – erfasst. Dazu wird die Wärmebildkamera, die unempfindlich gegenüber sichtbarem Licht ist und in einem Abstand von etwa 30 cm bis 100 cm oberhalb des Gehirnareals positioniert wird. Die Wärmebildkamera kann separat an Haltevorrichtungen oder an weiteren intraoperativen Instrumenten, z. B. an einer Navigationseinheit oder am Operationsmikroskop fixiert werden. Die Position der Wärmebildkamera und deren Focuspunkt können in der Navigation oder ins Operationsmikroskop eingebunden werden, wobei eine Koregistrierung ermöglicht werden kann. Alternativ können die Wärmebilder unabhängig von Operationsmikroskop/Navigation aufgenommen werden, online oder nach post-processing in das Video-Bild integriert bzw. koregistriert werden oder mit den Daten eines Navigationssystems koregistriert werden. Die Hardware- und Software-Koppelung der Thermographie kann somit für die Operationsmikroskopanbindung, alternativ für die Navigationseinheit oder weitere intraoperative Bildgebungsmodalitäten (z. B: offenes MRT, CT, Ultraschall oder andere) genutzt werden.
Während einer bestimmten Zeit werden kontinuierlich thermographische Bilder – Wärmebilder – aufgezeichnet und einem speziellen Auswerteverfahren unterzogen.
Während der Messung ist die Wärmebildkamera ruhig in einer festen Position fixiert. Geringfügige Schwankungen durch übliche Erschütterungen oder Bewegungen des Gehirns, zum Beispiel durch den Puls, werden von der nachfolgenden Auswertung erkannt und entsprechend korrigiert. Die gewonnen Bilddaten liegen in der Form eines Datenkubus vor, der einem Filteralgorithmus unterzogen wird, der dazu dient, Störungen und Fremdeinflüsse heraus zu filtern. Spülungen und andere operative Eingriffe zeichnen sich immer durch eine sprunghafte Änderung der Wärmestrahlung von mindestens 1 K aus. Die Änderung der Wärmestrahlung wird pixelweise von dem Filteralgorithmus erkannt. Tritt diese Störung in mindestens 10% der Bildpunkte auf, so wird das Wärmebild aus dem Datenkubus entfernt. Andere kleinere Störungen werden durch vorgegebene Filteralgorithmen der Bildrestauration behoben. Nachfolgend wird der gefilterte Datenkubus einer Vorbehandlung unterzogen. Ziel der Datenvorbehandlung ist die Kompensation von zeitlich sehr langsamen Prozessen und Veränderungen, die nicht mit der Gehirnaktivität in Verbindung stehen. Je nach Eigenschaften des Bilddatenkubus erfolgt eine Korrektur des Signaluntergrundes, eine pixelweise Normierung der zeitlichen Änderungen und/oder eine Zentrierung der Daten. Dadurch erfolgt eine Heraushebung schneller Änderungen der Wärmestrahlung. Die Quantifizierung und Klassifizierung von Bildarealen mit gleichen oder ähnlichen zeitlichen Änderungen der Wärmestrahlung erfolgt durch Verfahren der multivariaten Auswertung. Hier kommt zum Beispiel die Hauptkomponentenanalyse, Verfahren der Clusteranalyse oder Supported Vectormachines zum Einsatz. Weiterhin ist es auch denkbar, überwachte Verfahren mit einer Klassifikation, beruhend auf einem Trainingsdatenkubus, einzusetzen.
Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Ausbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen,
2 eine Verarbeitungsschrittfolge nach der Aufnahme von Wärmebildern mittels der Wärmebildkamera innerhalb der Bildverarbeitungseinheit,
3 eine Darstellung der operativen Anordnung und des wärmebildkamerabezogenen Aufnahmebereiches und der zugehörigen Signalverarbeitungs- und Anzeigeverfahrensschritte innerhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung,
4 Temperatur-Zeit-Kurven als Aufnahmebilder von Oberflächenregionen des Gehirnareals, wobei
4a eine Oberflächenregion mit erhöhter Temperatur und zugehörigem Temperaturverlauf und
4b eine Oberflächenregion mit normaler Temperatur und zugehörigem Temperaturverlauf zeigen, und
5 einen Ablauf der Wärmebilddatenanalyse.
Im Folgenden werden 1 und 2 gemeinsam betrachtet.
Die 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 20. Die Einrichtung 20 zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen 1 enthält zumindest ein Operationsmikroskop 7, das ein Linsensystem 21, 22 zur Abbildung eines vorgesehenen Gehirnareals 1 mittels eines sichtbaren Lichtstrahlen bündels 14, das die vom Gehirnareal 1 abgestrahlte Wärmestrahlung als Wärmestrahlenbündel 2 enthält, aufweist.
Erfindungsgemäß sind in Verbindung mit dem Operationsmikroskop 7 folgende weitere Baugruppen vorhanden

– ein Spiegelsystem 23 mit zumindest einem dichroitischen Teilerspiegel 15 zur Transmission des sichtbaren Lichtstrahlenbündels 14 und zur Ablenkung des im Strahlengang des sichtbaren Lichtstrahlenbündels 14 befindlichen Wärmestrahlenbündels 2, wobei mittels des dichroitischen Teilerspiegeis 15 das Wärmestrahlenbündel 2 aus dem sichtbaren Lichtstrahlenbündel 14 abgelenkt wird,
– eine Wärmebildkamera 3 zur Aufnahme des aus dem Lichtstrahlenbündel 14 abgelenkten Wärmestrahlenbündels 2,
– eine Bildverarbeitungseinheit 5, die der Wärmebildkamera 3 nachgeordnet ist und in der die aufgenommenen Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 in einem Datenkubus 10 stapelartig gespeichert sind, wobei in der Bildverarbeitungseinheit 5 eine Einheit zur multivariaten Bildauswertung vorhanden ist, die – eine Einheit 11 zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus 10 und – eine Einheit 12 zur multivariaten Analyse des Datenkubus 10 enthält, wobei von der Bildverarbeitungseinheit 5 berechnete Bilder 13 und Informationen aus dem Datenkubus 10 der Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 zur Beobachtung erstellt werden, und
– Ausgabevorrichtungen 6, 6' für das Beobachten der Bilder des Operationsmikroskops 7 und für das Beobachten der Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106.

In dieser Ausführungsform der Einrichtung 20 wird das sichtbare Licht 14 zusammen mit der Wärmestrahlung 2 aufgenommen. Der dichroitische Teilerspiegel 15 trennt die spektralen Bereiche, wobei die Wärmestrahlung 2 der wärme sensitiven Kamera 3 und das sichtbare Licht 14 dem Operationsmikroskop 7 getrennt zugeführt werden.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist die Aufnahme identischer Gehirnareale 1 mittels sichtbaren Lichts 14 und Wärmestrahlung 2.
Das Spiegelsystem 23 mit dem die Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 ablenkenden dichroitischen Teilerspiegel 15 weist einen weiteren Spiegel 16 zur nachfolgenden Umlenkung des Wärmestrahlenbündels 2 zur Aufnahmefläche der Wärmebildkamera 3 auf.
Ein EEG(Elektroenzephalogramm)-Gerät 9 für elektrophysiologische Messungen ist in die Einrichtung 20 eingebunden, wobei Elektroden des EEG-Gerätes 9 im Bereich des abzubildenden Gehirnareals 1 angebracht sind, mit denen der zugehörige EEG-Verlauf aufgezeichnet wird.
Die Ausgabevorrichtungen 6, 6' zeigen zeitliche Darstellungen der Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 an.
Der Datenkubus 10 von Wärmebildern weist eine Folge von zeitlich aufeinander folgend registrierten Wärmebildern 101, 102, 103, 104, 105, 106 auf.
Die Einheit 11 zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus 10 kann aus folgenden Funktionseinheiten bestehen:

– einer Clusteranalyse zur Trennung von gestörten und nichtgestörten Bildern,
– einem Filteralgorithmus, der Bilder mit einer physiologisch nicht möglichen schnellen Änderung in der Wärmestrahlung als Artefakt klassifiziert und eliminiert,
– einem Filter, der sämtliche Pixel eines Bildes unterhalb einer einzustellenden oder automatisch gewählten Temperaturgrenze aus dem Wärmebilddatensatz eliminiert,
– einem Rekonstruktionsalgorithmus, der vor allem flächenmäßig keine Bildfehler durch mathematische Operationen, wie zum Beispiel Faltung, ausgleicht.

Die Einheit 12 zur multivariaten Analyse des Datenkubus 10 kann aus folgenden Funktionseinheiten bestehen:

– einer Hauptkomponentenanalyse,
– einer Koeffizientenanalyse,
– einer hierarchischen oder nichthierachischen Clusteranalyse,
– linearen Diskriminanzanalyse und einem Algorithmus zur Selektion relevanter Sequenzen,
– einer gestützten Klassifizierung unter Zuhilfenahme von Trainingsdaten die in dem Algorithmus bereits gespeichert sind.

Ferner können auch Verfahren der künstlichen neuronalen Netze und genetische Algorithmen zur Anpassung der Klassifikation eingesetzt werden.
Es kann eine Wärmebildkamera 3 eingesetzt sein, die den Spektralbereich von 800 nm bis 2500 nm erfasst und zugleich unempfindlich für sichtbares Licht ist.
Die Wärmebildkamera 3 kann separat an Haltevorrichtungen 4 oder an weiteren intraoperativen Instrumenten, an einer Navigationseinheit oder am Operationsmikroskop fixiert sein.
Die Wärmebildkamera 3 kann auch in das Operationsmikroskop 7 integriert sein.
Der Abstand zwischen der Wärmebildkamera 3 und dem Gehirnareal 1 kann einen Dimensionierungsbereich zwischen 0,3 m und 1 m umfassen.
Die 2 beschreibt schematisch den Weg der Bilddatenverarbeitung innerhalb der Bildverarbeitungseinheit. Die von der wärmesensitiven Kamera 3 aufgenommen Bilder werden fortlaufend in Form eines Datenkubus 10 abgespeichert. Nachfolgend wird eine Datenvorbehandlung 11 durchgeführt und nachfolgend die Klassifizierung der Bilddateninformationen 12. Schließlich wird die Bildsequenz als berechnetes Bild dargestellt 13, wobei die funktionalen und/oder pathologischen Areale 1 hervorgehoben sind.
Die 3 zeigt die Anordnung des Aufnahmeverfahrens während des neurochirurgischen Eingriffs am Gehirnareal 1. Die Wärmestrahlung 2 wird von der wärmestrahlungsensitiven Kamera 3 aufgenommen und über eine Bildverarbeitungseinheit 5 dem Monitor 6 zugeführt. Gleichzeitig können die mikroskopischen Bilder des Operationsmikroskop 7 mit eingespiegelt werden und/oder der zeitliche Verlauf 6' der Temperaturänderungen bestimmter Gehirnareale lässt sich zeitaufgelöst darstellen.
Das zugehörige Verfahren zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen 1, wobei mikroskopische Bilder und/oder präöperative Bilddaten auch registriert werden können,
weist erfindungsgemäß folgende Schritte auf

– die Oberfläche eines Gehirnareals 1 wird mittels einer Wärmebildkamera 3 bildhaft erfasst,
– die Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 werden einige Sekunden bis wenige Minuten kontinuierlich als Bildsequenz aufgenommen,
– die Bildsequenz wird einer Einheit 17 zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und dort als Datenkubus 10 einer multivariaten Auswertung unterzogen und
– die temperaturunterschiedlichen Regionen 18, 19 des Gehirnareals 1 werden hervorgehoben,
– die Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 werden wahlweise in das jeweils zutreffende mikroskopische Bild eingespiegelt und/oder mit den präoperativen Bilddaten gemeinsam registriert.

Es wird vorzugsweise eine Wärmebildkamera 3 eingesetzt, die den Spektralbereich von 800 nm bis 2500 nm erfasst und zugleich unempfindlich für sichtbares Licht ist.
Die Wärmebildkamera 3 wird so angebracht, dass sie unter Aufrechterhaltung der Sterilität in allen Raumrichtungen frei positioniert wird.
Die Wärmebildkamera 3 kann in das Operationsmikroskop 7 integriert werden.
Es wird ausschließlich die gehirneigene Wärmestrahlung der Wärmebildkamera 3 zugeführt.
Es werden kontinuierlich Bilder von der abzubildenden Gehirnoberfläche mit einer Abtastfrequenz zwischen 0,5 HZ und 50 Hz aufgenommen und gespeichert.
Der Abstand zwischen der Wärmebildkamera 3 und dem Gehirnareal 1 kann zwischen 0,3 m und 1 m betragen.
Die Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 werden sofort nach Abschluss der Aufnahmesequenz in einer Einheit zur multivariaten Bildauswertung ausgewertet und das berechnete Bild 13 wird ausgegeben.
In einem ersten Schritt der multivariaten Bildauswertung werden Störungen der Aufnahmen erkannt und die gestörten Wärmebilder aus dem Datenkubus 10 eliminiert.
Die Änderungen in der Grundlinie werden automatisch korrigiert durch eine lineare oder nichtlineare Basislinienkorrektur kompensiert.
Die Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 können einer Hauptkomponentenanalyse, einem Verfahren der Clusteranalyse oder einem statistischen Klassifikationsverfahren zugeführt werden.
Die aktiven Gehirnareale 1 können in einem Falschfarbenbild deutlich hervortreten.
Das Wärmebild 101, 102, 103, 104, 105, 106 kann einzeln oder fusioniert mit dem mikroskopischen Bild oder mit präoperativen Bilddaten dargestellt werden.
Die Bildsequenz der Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 können in zeitlicher Abfolge sichtbar gemacht werden.
Zusammenfassend können mittels des Verfahrens folgende Schritte vorgesehen werden:

– die aufgenommenen Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 werden in einer Einheit 17 zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und einem multivariaten Auswerteverfahren unterworfen, wobei ein Datenkubus 10 von Wärmebildern 101, 102, 103, 104, 105, 106 erstellt wird,
– Auswertung der Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 nach Abschluss der Wärmesequenz,
– Berechnung der auszugebenden Bilder 13, wobei in einem ersten Schritt Störungen in der Aufnahme erkannt werden und die gestörten Wärmebilder aus dem Datenkubus 10 entfernt werden,
– Korrektur der Änderungen in der Grundlinie,
– Kompensation der Änderungen durch eine lineare oder nichtlineare Basislinienkorrektur, wobei das Wärmebild 101, 102, 103, 104, 105, 106 einzeln oder fusioniert mit dem mikroskopischen Bild oder mit präoperativen Bilddaten dargestellt wird.

Aufgezeichnete elektrophysiologische Messungen am abzubildenden Gehirnareal 1 können in die Wärmebilder 101, 102, 103, 104, 105, 106 zeitgenau eingespiegelt werden.
Der zeitliche Ablauf von elektrophysiologischen Stimulationen kann zeitgenau mit den Wärmebildern 101, 102, 103, 104, 105, 106 dargestellt und beliebig oft wiederholbar gezeigt werden.
In der 4 ist ein Beispiel für die Lokalisierung von epileptischen Anfallsarealen dargestellt. Die in 4 dargestellten Temperatur-Zeit-Kurven als Aufnahmebilder von Oberflächenregionen 18, 19 des Gehirnareals 1, zeigen in 4a eine Oberflächenregion 18 mit erhöhter Temperatur und zugehörigem Temperaturverlauf und in 4b eine Oberflächenregion 19 mit normaler Temperatur und zugehörigem Temperaturverlauf. Die in dem berechneten Bild 13 dunkel hervortretenden Regionen 18 weisen eine erhöhte Aktivität aus, was in dem zeitlichen Verlauf 6' deutlich wird. Dagegen weisen die hellen Regionen 19 in dem Bild 13 eine deutlich geringere Aktivität aus, was sich ebenso in dem zeitlichen Verlauf 6' erkennen lässt.
Die 5 zeigt den Ablauf der Bilddatenanalyse von Wärmebildern des Datenkubus 10. In einem ersten Schritt 30 werden alle Wärmebilder mit offensichtlichen Störungen herausgefiltert. Solche Störungen können durch Spülen der Gehirnoberfläche 1 oder durch kurzzeitige operative Eingriffe auftreten. In einem zweiten Schritt 31 werden pixelweise die zeitlichen Sequenzen einer Datenvorbehandlung unterzogen. Das umfasst zum Beispiel die Korrektur des Untergrundes bzw. der Basislinie oder die Normierung und Zentrierung auf einen bestimmten Parameter. Der dritte Schritt 32 umfasst die eigentliche multivariate Auswertung und Klassifizierung der Bilddaten. Dabei kann zwischen einem Verfahrenschritt mit überwachter Klassifizierung 32a und einem Verfahrensschritt mit nichtüberwachter Klassifizierung 32b gewählt werden. Es ist ebenso zweckmäßig, dass für bestimmte Anwendungen beide Verfahrensschritte 32a und 32b zum Einsatz kommen. Die ausgewerteten Daten werden dann in einem vierten Schritt 33 zu einem Bild zusammengesetzt und schließlich in einem fünften Schritt 34 durch eine elektronische Kontrastverstärkung, zum Beispiel durch „digital staining”, bearbeitet und im sechsten Schritt 35 angezeigt.
Die Bildverarbeitungseinheit 5 kann einen Prozessor und zugehörige Speicher aufweisen, in denen die in der Bildanalyse vorgesehenen Schritte 30 bis 35 programmtechnisch unterstützt werden und die dazu eingesetzten Algorithmen als programmtechnische Mittel ausgeführt sind, die zur Durchführung des Berechnungsverfahrens der ausgegebenen/angezeigten und beobachtbaren Bilder 13 vorgesehen sind.
Eine Übersicht der derzeit möglichen Indikationen zur intraoperativen Thermographie führt für den speziellen Fall der Epilepsie auf:
Die therapieresistente Epilepsie bezeichnet ein Krankheitsbild, dass durch wiederholte, pharmakologisch nicht beherrschbare, äußerlich spontan auftretende Krampfanfälle gekennzeichnet ist. Häufig können mit den derzeitigen Möglich keiten in diesen Fällen keine eindeutigen Läsionen zugeordnet werden. In solchen Fällen kann eine epilepsiechirurgische Operation sinnvoll sein, in der zur weiteren Abklärung des Anfallsursprungs und der Anfallsausbreitung Gitter- und Streifenelektroden auf die Gehirnoberfläche gelegt werden, damit über mehrere Tage ein kortikales EEG (Elektroenzephalogramm) abgeleitet werden kann.
Ein epileptischer Krampfanfall ist die Folge paroxysmaler synchroner Entladungen von Neuronengruppen im Gehirn, die zu plötzlichen unwillkürlichen stereotypen Verhaltens- oder Befindensstörungen führen. Die Entladungen sind vermutlich von einer erhöhten metabolischen und vaskulären Antwort des betroffenen Areals begleitet, die in einer veränderten Wärmeleistung, wie z. B. in der Oberflächenregion 18 des Gehirnareals 1 in 4, resultieren können und mit einer thermographisch und örtlich hochauflösenden Kamera gemessen werden können.
Es besteht aber bisher kein Verfahren, um den epileptogenen Focus und die durch Fortleitung übererregten Areale sichtbar zu machen, ohne dass gleichzeitig eine Anregung des Areals notwendig wäre, sei es durch sichtbare, UV- oder IR-Strahlung oder durch direkte Stimulation des Kortex.
Das Thermographie-Verfahren stellt damit ein Verfahren dar, das – wie das EEG – allein auf den Unterschied von normalem Gewebe zu pathologischem Gewebe aufbaut und nicht auf zusätzliche Anregungen angewiesen ist, wie z. B. Fluorophor-basierten Darstellungen oder das vorgenannte Optical Imaging.
Mit der Erfindung wird ein labelfreies, anregungsfreies, berührungsloses und rückwirkungsfreies Verfahren etabliert, das mit seiner technischen Ausführung übergangslos in den Ablauf einer neurochirurgischen Operation eingebettet werden kann.

1: Gehirnareal
2: Wärmestrahlungsbündel/Wärmestrahlung
3: Wärmebildkamera
4: Halterungsvorrichtung zur Befestigung und Führung der Wärmebildkamera
5: Bildverarbeitungseinheit der Wärmebilder
6: Videomonitor des Operationsmikroskops und der Warmbilder
6': zeitliche Darstellung der Wärmestrahlung
7: Operationsmikroskop
8: EEG-Elektroden auf dem Gehirnareal
9: EEG-Gerät
10: Datenkubus von Wärmebildern
101: Wärmebild
102: Wärmebild
103: Wärmebild
104: Wärmebild
105: Wärmebild
106: Wärmebild
11: Einheit zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus
12: Einheit zur multivariaten Analyse des Datenkubus
13: berechnetes Bild mit Informationen aus dem Datenkubus
14: sichtbares Licht
15: dichroitischer Teilerspiegel für sichtbares Licht und Wärmestrahlung
16: Spiegel für Wärmestrahlung
17: Einheit zur multivariaten Bildauswertung
18: Oberflächenregion mit höherer Temperatur
19: Oberrflächenregion mit normaler Temperatur
20: erfindungsgemäße Einrichtung
21: Linse
22: Linse
23: Spiegelsystem
30: erster Schritt: Herausfilterung von offensichtlichen Störungen aus den Wärmebildern des Datenkubus
31: zweiter Schritt: pixelweise Datenvorbehandlung von zeitlichen Sequenzen
32: dritter Schritt: Auswahl und Durchführung der multivariaten Auswertung und Klassifizierung der Bilddaten
32a: Verfahrensschritt mit überwachter Klassifizierung
32b: Verfahrensschritt mit nichtüberwachter Klassifizierung
33: vierter Schritt: Bildrekonstruktion
34: fünfter Schritt: Kontrastverstärkung
35: sechster Schritt: Ausgabe/Anzeige des ausgewerteten Bildes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/014736 A2 [0013]
- GB 2311368 A [0014]
- US 005215095 A [0015]
- US 2004/0082862 A1 [0016]
- WO 02/29700 A2 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Shevelev et al.: Thermoimaging of the brain, Journal of Neuroscience Methods, 46, 1993, S. 49–57 [0007]
- Gorbach et al.: Intraoperative Infrared Functional Imaging of Human Brain, Annals of Neurology, 2003, 54, S. 297–309 [0011]
- Nakagawa et al.: Use of Intraoperative Dynamic Infrared Imaging with Detection Wavelength of 7–14 μm in the Surgical Obliteration of Spinal Arteriovenous Fistula: Case Report and Technical Considerations, Minim Invas Neurosurg, 2004, 47, S. 136–139, Georg Thieme Verlag KG Stuttgart, New York [0012]

Claims

Verfahren zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen (1), durch folgende Schritte gekennzeichnet: – die Oberfläche eines Gehirnareals (1) wird mittels einer Wärmebildkamera (3) bildhaft erfasst, – die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) werden einige Sekunden bis wenige Minuten kontinuierlich als Bildsequenz aufgenommen, – die Bildsequenz wird einer Einheit (17) zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und dort als Datenkubus (10) einer multivariaten Auswertung unterzogen, – temperaturunterschiedliche Bereiche (18, 19) des Gehirnareals (1) werden herausgehoben, – die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) werden wahlweise in das jeweils zutreffende mikroskopische Bild eingespiegelt und/oder mit den präoperativen Bilddaten gemeinsam registriert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebildkamera (3) eingesetzt wird, die den Spektralbereich von 800 nm bis 2500 nm erfasst und zugleich unempfindlich für sichtbares Licht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) oberhalb des abzubildenden Gehirnareals (1) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) so angebracht wird, dass sie unter Aufrechterhaltung der Sterilität in allen Raumrichtungen frei positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) separat an Haltevorrichtungen (4) oder an weiteren intraoperativen Instrumenten, z. B. Navigationseinheit oder am Operationsmikroskop (7) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) in das Operationsmikroskop (7) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die hirneigene Wärmestrahlung der Wärmebildkamera (3) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Abtastfrequenz zwischen 0,5 HZ und 50 Hz kontinuierlich Bilder von der Gehirnoberfläche aufgenommen und gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Wärmebildkamera (3) und dem Gehirnareal (1) zwischen 0,3 m und 1 m beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) sofort nach Abschluss der Aufnahmesequenz in einer Einheit (17) zur multivariaten Bildauswertung ausgewertet werden und das berechnete Bild (13) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der multivariaten Bildauswertung Störungen der Aufnahmen erkannt und die gestörten Wärmebilder aus dem Datenkubus (10) eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen in der Grundlinie automatisch korrigiert durch eine lineare oder nichtlineare Basislinienkorrektur kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) einer Hauptkomponentenanalyse, einem Verfahren der Clusteranalyse oder einem anderen statistischen Klassifikationsverfahren zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Gehirnareale (1) in einem Falschfarbenbild deutlich hervortreten.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmebild (101, 102, 103, 104, 105, 106) einzeln oder fusioniert mit dem mikroskopischen Bild oder mit präoperativen Bilddaten dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsequenz der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) in zeitlicher Abfolge sichtbar gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen werden: – die aufgenommenen Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) werden in einer Einheit (17) zur multivariaten Bildauswertung zugeführt und einem multivariaten Auswerteverfahren unterworfen, wobei ein Datenkubus (10) von Wärmebildern (101, 102, 103, 104, 105, 106) erstellt wird, – Auswertung der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) nach Abschluss der Wärmebildsequenz, – Berechnung der auszugebenden Bilder (13), wobei in einem ersten Schritt Störungen in der Aufnahme erkannt werden und die gestörten Wärmebilder aus dem Datenkubus (10) entfernt werden, – Korrektur der Änderungen in der Grundlinie, – Kompensation der Änderungen durch eine lineare oder nichtlineare Basislinienkorrektur, wobei das Wärmebild (101, 102, 103, 104, 105, 106) einzeln oder fusioniert mit dem mikroskopischen Bild oder mit präoperativen Bilddaten dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass aufgezeichnete elektrophysiologische Messungen am abzubildenden Gehirnareal (1) in die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) zeitgenau eingespiegelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ablauf von elektrophysiologischen Stimulationen zeitgenau mit den Wärmebildern (101, 102, 103, 104, 105, 106) dargestellt und beliebig oft wiederholbar gezeigt werden kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der Wärmebildanalyse nach Erstellung des Datenkubus (10) von Wärmebildern (101, 102, 103, 104, 105, 106) folgende Schritte vorgesehen werden: – Herausfilterung von offensichtlichen Störungen aus den Wärmebildern (101, 102, 103, 104, 105, 106) des Datenkubus (10) in einem ersten Schritt (30), – pixelweise Datenvorbehandlung von zeitlichen Sequenzen in einem zweiten Schritt (31), – Auswahl und Durchführung der multivariaten Auswertung und Klassifizierung der Bilddaten in einem dritten Schritt (32), – Bildrekonstruktion in einem vierten Schritt (33), – Kontrastverstärkung in einem fünften Schritt (34) und – Ausgabe/Anzeige des ausgewerteten Bildes (13) in einem sechsten Schritt (35).
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmebildanalyse im dritten Schritt (32) der Auswertung und Klassifizierung eine überwachte Klassifizierung (32a) der Bilddaten mittels Trainingsdaten und/oder eine nichtüberwachte Klassifizierung (32b) durchgeführt werden.
Einrichtung (20) zur intraoperativen Bildgebung von Gehirnarealen (1), deren abgestrahlte Wärmestrahlung (2) mittels einer Detektion unter Einsatz des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 21 erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Baugruppen zur Erfassung der Wärmestrahlung (2) vorhanden sind – eine Wärmebildkamera (3) zur Aufnahme der vom Gehirnareal (1) abgestrahlten Wärmestrahlung in Form eines Wärmestrahlenbündels (2), – eine Bildverarbeitungseinheit (5), die der Wärmebildkamera (3) nachgeordnet ist und in der die aufgenommenen Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) in einem Datenkubus (10) stapelartig gespeichert sind, wobei in der Bildverarbeitungseinheit (5) eine Einheit zur multivariaten Bildauswertung vorhanden ist, die – eine Einheit (11) zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus (10) und – eine Einheit (12) zur multivariaten Analyse des Datenkubus (10) enthält, wobei von der Bildverarbeitungseinheit (5) berechnete Bilder (13) und Informationen aus dem Datenkubus (10) der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) zur Visualisierung erstellt werden, und – Ausgabevorrichtungen (6, 6') für das Beobachten der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106).
Einrichtung (20) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Operationsmikroskop (7), das ein Linsensystem (21, 22) zur Abbildung eines vorgesehenen Gehirnareals (1) mittels eines sichtbaren Lichtstrahlenbündels (14), das die vom Gehirnareal (1) abgestrahlte Wärmestrahlung als Wärmestrahlenbündel (2) enthält, aufweist und folgende weitere Baugruppen vorhanden sind – ein Spiegelsystem (23) mit zumindest einem dichroitischen Teilerspiegel (15) zur Transmission des sichtbaren Lichtstrahlenbündels (14) und zur Ablenkung des im Strahlengang des sichtbaren Lichtstrahlenbündels (14) befindlichen Wärmestrahlenbündels (2), wobei mittels des dichroitischen Teilerspiegels (15) das Wärmestrahlenbündel (2) aus dem sichtbaren Lichtstrahlenbündel (14) abgelenkt wird, – eine Wärmebildkamera (3) zur Aufnahme des aus dem sichtbaren Lichtstrahlenbündel (14) abgelenkten Wärmestrahlenbündels (2), – eine Bildverarbeitungseinheit (5), die der Wärmebildkamera (3) nachgeordnet ist und in der die aufgenommenen Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) in einem Datenkubus (10) stapelartig gespeichert sind, wobei in der Bildverarbeitungseinheit (5) eine Einheit zur multivariaten Bildauswertung vorhanden ist, die – eine Einheit (11) zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus (10) und – eine Einheit (12) zur multivariaten Analyse des Datenkubus (10) enthält, wobei von der Bildverarbeitungseinheit (5) berechnete Bilder (13) und Informationen aus dem Datenkubus (10) der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) zur Beobachtung erstellt werden, und – Ausgabevorrichtungen (6, 6') für das Beobachten der Bilder des Operationsmikroskops (7) und für das Beobachten der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106).
Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem (23) mit dem die Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) ablenkenden dichroitischen Teilerspiegel (15) mindestens einen weiteren Spiegel (16) zur nachfolgenden Umlenkung des Wärmestrahlenbündels (2) zur Empfangsfläche der Wärmebildkamera (3) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein EEG-Gerät (9) für elektrophysiologische Messungen eingebunden ist, wobei Elektroden des EEG-Gerätes (9) im Bereich des abzubildenden Gehirnareals (1) angebracht sind, mit denen der zugehörige EEG-Verlauf aufgezeichnet wird.
Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabevorrichtungen (6, 6') zeitliche Darstellungen der Wärmebilder (101, 102, 103, 104, 105, 106) anzeigt.
Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenkubus (10) von Wärmebildern eine Folge von zeitlich aufeinander folgend registrierten Wärmebildern (101, 102, 103, 104, 105, 106) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (11) zur Entfernung von Störungen und Bildfehlern aus dem Datenkubus (10) aus folgenden Funktionseinheiten besteht: – einer Clusteranalyse zur Trennung von gestörten und nichtgestörten Bildern, – einem Filteralgorithmus, der Bilder mit einer physiologisch nicht möglichen schnellen Änderung in der Wärmestrahlung als Artefakt klassifiziert und eliminiert, – einem Filter, der sämtliche Pixel eines Bildes unterhalb einer einzustellenden oder automatisch gewählten Temperaturgrenze aus dem Wärmebilddatensatz eliminiert, – einem Rekonstruktionsalgorithmus, der vor allem flächenmäßig keine Bildfehler durch mathematische Operationen, wie zum Beispiel Faltung, ausgleicht.
Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (12) zur multivariaten Analyse des Datenkubus (10) aus folgenden Funktionseinheiten besteht: – einer Hauptkomponentenanalyse, – einer Koeffizientenanalyse, – einer hierarchischen oder nichthierachischen Clusteranalyse, – einer linearen Diskriminanzanalyse und einem Algorithmus zur Selektion relevanter Sequenzen, – einer gestützten Klassifizierung unter Zuhilfenahme von Trainingsdaten die in dem Algorithmus bereits gespeichert sind.
Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebildkamera (3) eingesetzt ist, die den Spektralbereich von 800 nm bis 2500 nm erfasst und zugleich unempfindlich für sichtbares Licht ist.
Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) separat an Haltevorrichtungen (4) oder an weiteren intraoperativen Instrumenten, an einer Navigationseinheit oder am Operationsmikroskop fixiert ist.
Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (3) in das Operationsmikroskop (7) integriert ist.
Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Wärmebildkamera (3) und dem Gehirnareal (1) einen Dimensionierungsbereich zwischen 0,3 m und 1 m umfasst.