DE102011002990A1

DE102011002990A1 - System zum Visualisieren von Gewebe in einem Operationsbereich

Info

Publication number: DE102011002990A1
Application number: DE102011002990A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hauger Christoph; Dr. Guckler Roland; Helge Jess; Dr. Steffen Joachim; Dr. Nahm Werner
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-01-22
Also published as: WO2012097924A1; US9727962B2; DE102011002990B4; US20130307953A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (150, 550) zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe mit Farbstoff in einem Operationsbereich (152). Das System (150) enthält eine Licht von wenigstens einem Objektpunkt (168) erfassende Detektionseinrichtung (170). Das System (150) hat eine mit der Detektionseinrichtung (170) verbundene Rechnereinheit (202) für das Ansteuern einer ein Bild eines Gebietes in dem Operationsbereich (152) anzeigenden Visualisierungseinrichtung (208, 210). Erfindungemäß ermittelt die Rechnereinheit (202) zu dem Licht aus einem Punkt von dem wenigstens einen Objektpunkt im Operationsbereich (152) den Farbort in einem Farbraum. Sie berechnet in Abhängigkeit der Lage des zu dem Objektpunkt (168) ermittelten Farborts durch Vergleich von Information zu dem ermittelten Farbort des Objektpunkts (168) mit Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort eine Farbortinformation („0”, „1”) für das Steuern der Visualisierungseinrichtung (208).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Visualisieren von Gewebe in einem Operationsbereich mit einer Licht von wenigstens einem Objektpunkt erfassenden Detektionseinrichtung und mit einer mit der Detektionseinrichtung verbundenen Rechnereinheit für das Ansteuern einer ein Bild eines Gebietes in dem Operationsbereich anzeigenden Visualisierungseinrichtung.
Ein derartiges System ist in der EP 2 074 933 A1 beschrieben. Dieses System umfasst ein Operationsmikroskop, das für eine Beobachtung des Operationsbereichs mit Fluoreszenzlicht ausgelegt ist. Das Operationsmikroskop hat eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Xenonlampe als Lichtquelle. In der Beleuchtungseinrichtung gibt es ein schmalbandiges Filter. Dieses Filter ist für Licht im Wellenlängenbereich zwischen 390 nm und 410 nm durchlässig. Mit Licht dieser Wellenlänge lässt sich der Farbstoff Protoporphyrin IX (PPIX) zu Fluoreszenz anregen. Der Farbstoff PPIX kann in pathologisch veränderten tumorkranken Zellen selektiv angelagert werden. Das Operationsmikroskop umfasst eine Detektionseinrichtung, die eine Farbkamera enthält. Mit dieser Farbkamera kann das Fluoreszenzlicht von PPIX erfasst werden. Die Farbkamera ist mit einer Rechnereinheit für Bildverarbeitung verbunden. In dieser Rechnereinheit wird das dem roten Farbkanal entsprechende Signal der Farbkamera in ein Graustufenbild gewandelt. Anschließend wird die Intensität eines jeden Bildpunkts in dem Graustufenbild mit einem Schwellwert verglichen. Aus diesem Vergleich werden dann Grenzintensitätslinien berechnet. Diese Grenzintensitätslinien werden an einer Visualisierungseinrichtung mit Bildschirm zusammen mit dem Operationsbereich angezeigt. Die Grenzintensitätslinien umschließen tumorerkranktes Gewebe. Damit erleichtern die Grenzintensitätslinien einem Operateur das Erkennen von Tumorgewebe in einem Operationsgebiet.
Die Erfahrung zeigt, dass mit dem in der EP 2 074 933 A1 beschriebenen System die Lage der Randbereiche von Gewebe mit Tumorbefall mittels der Grenzintensitätslinien nicht immer zuverlässig visualisiert werden kann.
Aus „R. Ishihara et al., Quantitative Spectroscopic Analysis of 5-ALA-induced Protoporphyrin IX Flourescence Intensity in Diffusely Infiltrating Astrocytomas, Neuro Med Chir (Tokyo) 47, 53 (2007)” ist bekannt, dass über das Auswerten von Intensitätspeaks, die bei charakteristischen Wellenlängen im Fluoreszenzspektrum von Protoporphyrin IX auftreten, in Gewebe des menschlichen Gehirns, das mit der Substanz PPIX angereichert ist, gesunde Gebiete von Gebieten mit Tumorbefall unterschieden werden können. Dieses Verfahren erfordert einen hohen Mess- und Rechenaufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Visualisierungssystem bereitzustellen, das einer Beobachtungsperson die genaue und zuverlässige Unterscheidung von pathologisch unterschiedlichem Körpergewebe in einem Operationsbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein System zum Visualisieren von Gewebe der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Rechnereinheit für das Steuern der Visualisierungseinrichtung zu dem Licht von dem wenigstens einen Objektpunkt im Operationsbereich den Farbort in einem Farbraum ermittelt und in Abhängigkeit der Lage des zu dem Objektpunkt ermittelten Farborts für das Steuern der Visualisierungseinrichtung durch Vergleich von Information des zu dem Objektpunkt ermittelten Farborts mit Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort eine Farbortinformation berechnet.
Unter einem Farbort in einem Farbraum im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der durch die Definition CIE 1931 der Comission Internationale de L'Eclairage festgelegte RGB-Farbraum oder ein weiterer hierzu äquivalenter Farbraum zu verstehen, der durch eine vorzugsweise umkehrbare Transformation ohne oder mit nur wenig Informationsverlust in den RGB-Farbraum umgerechnet werden kann.
Farbort in einem Farbraum im Sinne der Erfindung ist außerdem auch der durch ein Zahlentupel (x, y) definierte Ort in dem durch die Definition CIE 1931 der Commision Internationale de L'Éclairage festgelegten CIE-xyY-Farbraum. Dieser Farbraum ist in der Publikation von Charles Poynton „A Guided Tour of Coulor Space", in den New Foundations for Video Technology, Proceedings of the SMPTE Advanced Televison and Electronic Imaging Conference, San Fransisco, Feb. 1995, S. 167–180 beschrieben. Der CIE xyY-Farbraum ist dort als CIE-Chromazitäts-Farbraum bezeichnet. Die Definition dieses Farbraums ist auf der S. 6 und S. 7 der vorgenannten Publikation angegeben. Ein Farbort im CIE xyY-Farbraum ist von der Luminanz bzw. Intensität des dem Farbort zugrunde liegenden Lichts unabhängig. Ein Farbraum im Sinne der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus auch jeder Farbraum, in den der CIE xyY-Farbraum durch umkehrbare Transformation ohne Informationsverlust umgerechnet werden kann und der deshalb den gleichen Informationsgehalt hat wie der CIE xyY-Farbraum. Ein solcher Farbraum ist z. B. der in Teil 3 der DIN 5033 definierte L*a*b* Farbraum CIE 1976, der dort definierte L*u*v*-Farbraum CIE 1976, oder auch ein Gebiet im RGB-Farbraum mit Farborten, die auf Licht von Objektpunkten basieren, deren Luminanz oder Intensität gleich ist. Ein Farbraum im Sinne der vorliegenden Erfindung mit dem gleichen Informationsgehalt wie der CIE xyY-Farbraum ist darüber hinaus auch der XYZ-Farbraum, der LCH_ab-Farbraum und der LCN_uv-Farbraum, die z. B. auf der Internetseite www.brucelindbloom.com angegeben sind und die mit einer dort hinterlegten Rechenvorschrift ineinander und insbesondere in den CIE xyY-Farbraum umgerechnet werden können.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch systematisches Auswerten von Objektpunkt-Farbinformation der Randbereich von Tumorgewebe im menschlichen Gehirn, in dem Tumorzellen in gesundes Gewebe infiltriert sind, deutlich von dem übrigen Gewebe des Tumors und von gesundem Gewebe unterschieden werden kann. Erkenntnis der Erfindung ist insbesondere, dass eine zuverlässige Unterscheidung für Tumorgewebe in einem Operationsbereich möglich ist, wenn das Gewebe im Operationsbereich, wie vorstehend beschrieben, mit dem Farbstoff PPIX markiert und durch Beleuchten mit blauem Licht im Wellenlängenbereich zwischen 390 nm und 410 nm zu Fluoreszenz angeregt wird. Es zeigt sich, dass insbesondere das Auswerten von Objektpunkt-Farbinformation, die gegenüber der Luminanz bzw. Helligkeit des Lichts von einem Objektpunkt invariant ist, über die gesamte Dauer eines chirurgischen Eingriffs in das Gehirn eines Patienten eine genaue Unterscheidung von gesundem Gewebe, Tumorgewebe und Gewebe in den Randbereichen eines Tumors ermöglicht.

In den nachfolgenden Tabellen 1 und 2 ist der Farbort im CIE xyY-Farbraum und im CIE RGB-Farbraum für das Licht von Objektpunkten angegeben. Diese Objektpunkte liegen jeweils in einem Operationsbereich mit Tumorbefall. Die Objektpunkte gehen teilweise auf unterschiedliche Patienten zurück. Den Patienten wurde das Medikament Gliolan präoperativ oral verabreicht. Dieses Medikament enthält die Substanz 5ALA. Die Einnahme dieses Medikaments bewirkt, dass in tumorerkranktem Gewebe der Farbstoff PPIX angereichert wird. Bei Beleuchten mit Licht der Wellenlänge λ = 400 nm fluoresziert dieser Farbstoff im roten Spektralbereich. Für eine Beobachtungsperson hat gesundes Gewebe im menschlichen Gehirn bei dieser Beleuchtungsart eine blaue Farbe. Der Randbereich eines Tumors, in dem es Tumorzellen gibt, die in gesundes Gewebe infiltriert sind, erscheint hier Lachsfarben. Tabelle 1

Ort im Operationsgebiet laufende Nummer	Gewebeart	Farbort im CIE xyY-Farbraum
		x	y	Y
1	gesund	0,19	0,08	7,7
2	gesund	0,19	0,12	4,59
3	gesund	0,17	0,09	1,37
4	gesund	0,20	0,10	5,22
5	gesund	0,19	0,09	8,08
	Mittelwert:	0,19	0,09
	Standardabweichung:	0,01	0,01

6	Tumor	0,36	0,18	5,08
7	Tumor	0,40	0,20	18,59
8	Tumor	0,34	0,17	15,84
9	Tumor	0,32	0,15	8,04
10	Tumor	0,41	0,21	7,14
11	Tumor	0,32	0,15	9,5
12	Tumor	0,39	0,20	19,19
13	Tumor	0,45	0,23	20,19
14	Tumor	0,38	0,19	8,5
15	Tumor	0,40	0,20	15,44
16	Tumor	0,40	0,20	15,14
	Mittelwert:	0,38	0,19
	Standardabweichung:	0,04	0,02

17	Randbereich	0,27	0,13	2,37
18	Randbereich	0,23	0,10	3,18
19	Randbereich	0,21	0,10	3,97
	Mittelwert:	0,24	0,11
	Standardabweichung:	0,03	0,02

Tabelle 2

Ort im Operationsgebiet laufende Nummer	Gewebeart	Farbort im CIE RGB-Farbraum
		Lum	R	G	B	R/B
1	gesund	57	93	17	219	0,42
2	gesund	61	56	47	146	0.38
3	gesund	33	29	21	99	0,89
4	gesund	57	82	26	170	0,48
5	gesund	67	97	25	217	0,45
	Mittelwert:					0,40
	Standardabweichung:					0,07

6	Tumor	59	116	18	182	1,14
7	Tumor	95	217	18	167	1,30
8	Tumor	89	193	21	185	1,04
9	Tumor	63	139	15	145	0,96
10	Tumor	63	141	15	163	1,37
11	Tumor	71	150	15	157	0,96
12	Tumor	94	220	17	171	1,29
13	Tumor	95	231	19	146	1,58
14	Tumor	71	150	18	122	1,23
15	Tumor	90	199	23	150	1,33
16	Tumor	86	198	20	148	1,34
		Mittelwert:				1,23
		Standardabweichung:				0,19

17	Randbereich	35	75	6	97	0,77
18	Randbereich	44	77	9	127	0,60
19	Randbereich	49	79	16	147	0,54
		Mittelwert:				0,64
		Standardabweichung:				0,12

Die Grundidee der Erfindung macht von dieser Erkenntnis Gebrauch. Sie besteht darin, die in der spektralen Intensitätsverteilung des Lichts von einem Objektpunkt enthaltene, von der Intensität bzw. Luminanz unabhängige Farbortinformation zu erfassen, um den Randbereich eines Tumors dann über diese Farbinformation präzise zu lokalisieren. Hierzu berechnet die Rechnereinheit in Abhängigkeit der Lage des zu dem Objektpunkt ermittelten Farborts in einem vorzugsweise von der Luminanz bzw. Intensität unabhängigen Farbraum für das Steuern der Visualisierungsvorrichtung eine Farbortinformation. Diese Farbortinformation bestimmt die Rechnereinheit durch Vergleich von Information des zu dem Objektpunkt ermittelten Farborts mit Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort.
Die Rechnereinheit berechnet hierfür z. B. zu dem Licht von dem wenigstens einen etwa im RGB-Farbraum aufgenommenen Objektpunkt aus dem Signal von Bildsensoren in der Detektionseinrichtung die Koordinaten des Farborts in einem Arbeitsraum, etwa dem CIE xyY-Farbraum oder dem L*a*b* Farbraum CIE 1976. Dabei liegt das Signal der Bildsensoren in Form von Koordinaten in einem Arbeitsraum vor. Bei diesem Farbraum kann es sich z. B. um den in der Video-Technik verbreitet eingesetzten Video-Farbraum Y*u*v* handeln. Die Koordinaten des Farborts in dem Arbeitsraum sind Information zu dem für einen Objektpunkt ermittelten Farbort. Die Rechnereinheit bestimmt daraus eine Farbortinformation („0”, „1”), mit der die Visualisierungsvorrichtung gesteuert wird. Z. B. kann die Rechnereinheit die Farbinformation („0”, „1”) aus einer Abstandsnorm über den Farbabstand der Farbe des zu dem Objektpunkt ermittelten Farborts (x, y) zu einem charakteristischen Referenz-Farbort mit den Koordinaten (x_c, y_c) berechnen. Hier sind die Koordinaten (x_c, y_c) die Information zu dem charakteristischen Referenz-Farbort.
Alternativ hierzu kann die Rechnereinheit auch zu dem Licht von dem wenigstens einen Objektpunkt die Koordinaten des Farborts (R, G, B) im RGB-Farbraum ermitteln und die Farbortinformation („0”, „1”) aus einer Abweichung des zu den Koordinaten des Farborts (R, G, B) ermittelten Quotienten R/B von dem Quotient R_c/B_c eines charakteristischen Referenz-Farborts (R_c, G_c, B_c) berechnen. Hier ist der Quotient R/B dann die Information des zu einem Objektpunkt ermittelten Farborts und der Quotient R_c/B_c die Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort. Bevorzugt ist der Referenzfarbort für gesundes Gewebe, für krankes, tumorbefallenes Gewebe und für den Randbereich von tumorbefallenem Gewebe in einem Datenspeicher der Rechnereinheit abgelegt.
Von Vorteil ist es, wenn bei dem System eine Eingabeeinheit für das Eingeben des charakteristischen Referenz-Farborts vorgesehen ist. Diese Maßnahme ermöglicht es einem Operateur, dass er zu unterschiedlichen Gewebearten in einem Operationsgebiet den Farbort einer charakteristischen Referenzfarbe ermitteln kann, die den Erfahrungen des Operateurs entspricht.
Das System kann eine Detektionseinrichtung für das Erfassen des Farborts des Lichts von dem wenigstens einen Objektpunkt mit einem Spektrometer für das spektrale Zerlegen von Licht enthalten. Es ist aber auch möglich, in der Detektionseinrichtung eine für die Farbe Rot (R), Grün (G) und Blau (B) empfindliche digitale Farbkamera, insbesondere eine Videokamera vorzusehen. Darüber hinaus ist es möglich, das System mit einer Beleuchtungseinrichtung für zeitsequentielle RGB-Beleuchtung auszubilden. Dann ist es möglich, als Detektionseinrichtung für das Erfassen des Farbortes des Lichts von dem wenigstens einen Objektpunkt einen lichtempfindlichen flächigen elektronischen Schwarz-Weiß-Bildsensor einzusetzen, d. h. einen Bildsensor, der nur die Intensität von Licht, nicht aber dessen Farbe erfassen kann.
Das System kann eine Beleuchtungseinrichtung aufweisen, die Beleuchtungslicht in einem Wellenlängenbereich bereitstellt, der es ermöglicht, einen Farbstoff im Operationsbereich zur Fluoreszenz anzuregen. Bevorzugt ermöglicht der Wellenlängenbereich des Beleuchtungslichts die Fluoreszenzanregung des Farbstoffs PPIX und/oder Natrium-Fluoreszein und/oder Hypericin.
Die resultierende spektrale Transmission der optischen Elemente in der Beleuchtungseinrichtung und der Detektionseinrichtung, die ein Beobachtungsfilter umfassen, sind dabei günstigerweise so gewählt, dass praktisch kein Licht mit einer Wellenlänge λ aus dem zur Anregung der Fluoreszenz verwendeten Licht mit der Detektionseinrichtung erfasst wird. Licht mit einer Wellenlänge λ aus dem Wellenlängenbereich, in dem Fluoreszenz auftritt, gelangt dagegen in die Detektionseinrichtung. Von Vorteil ist es, wenn die spektrale Transmission der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung und der Detektionseinrichtung mit dem Beobachtungsfilter so ausgelegt ist, dass der beleuchtete Gewebebereich intensitätsstark mit Licht einer Wellenlänge beleuchtet werden kann, die weder im Bereich des Anregungs- noch im Bereich des Fluoreszenzpektrums eines geeigneten Farbstoffs liegt. Dies ermöglicht nämlich, dass eine Beobachtungsperson aufgrund des in diesem Wellenlängenbereich direkt reflektierten Lichts die Einzelheiten des beleuchteten Gewebebereichs unabhängig von der Fluoreszenzstrahlung wahrnehmen kann.
Von Vorteil ist es, wenn die Beleuchtungseinrichtung Licht in dem Wellenlängenbereich von wenigstens 380 nm bis 680 nm erzeugt. Es ist günstig, wenn das mit der Beleuchtungseinrichtung in diesem Wellenlängenbereich erzeugte Licht inkohärent ist. Das von der Detektionseinrichtung erfasste Licht aus dem Operationsbereich wird dann über ein passendes Beobachtungsfilter geführt. Dabei ist die resultierende spektrale Transmission der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung dem Fluoreszenzanregungsspektrum des Farbstoffs angepasst. Von Vorteil ist insbesondere, wenn die resultierende spektrale Transmission des aus der Beleuchtungseinrichtung und dem Beobachtungsfilter bestehenden Gesamtsystems nur in einem Wellenlängenbereich, der sich maximal über 50 nm erstreckt, einen spektralen Transmissionsgrad von mehr als 5% aufweist und ansonsten in dem gesamten Wellenlängenbereich kleiner als 5% ist.
Alternativ ist es auch möglich, den Operationsbereich mit einer Beleuchtungseinrichtung zu beleuchten, die optische Elemente hat, deren resultierende spektrale Transmission einen ersten Durchlassbereich aufweist, der an das Fluoreszenzanregungsspektrum des Farbstoffs angepasst ist, und einen zweiten Durchlassbereich für Wellenlängen umfasst, die zwischen den Wellenlängen des Fluoreszenzanregungsspektrums und den Wellenlängen des Fluoreszenzspektrums liegen. Die spektrale Transmission des Beobachtungsfilters muss dann einen ersten Durchlassbereich haben, der an das Fluoreszenzspektrum des Farbstoffs angepasst ist, und einen zweiten Durchlassbereich aufweisen, der in dem gleichen Wellenlängenbereich wie der zweiter Durchlassbereich der Beleuchtungseinrichtung liegt. Auch hier ist es von Vorteil, wenn die resultierende spektrale Transmission des aus der Beleuchtungseinrichtung und dem Beobachtungsfilter bestehenden Gesamtsystems nur in einem schmalen Wellenlängenbereich, der maximal über 50 nm beträgt, einen spektralen Transmissionsgrad von mehr als 5% aufweist, ansonsten jedoch in dem gesamten Wellenlängenbereich kleiner als 5% ist.
Es ist also günstig, wenn die Beleuchtungseinrichtung wenigstens in einem Wellenlängenbereich der Fluoreszenzbande des Farbstoffs kein Beleuchtungslicht oder nur wenig Beleuchtungslicht bereitstellt. Insbesondere ist es günstig, wenn die Beleuchtungseinrichtung für das Einstellen des Wellenlängenbereichs für die Fluoreszenzanregung des Farbstoffs wenigstens ein Filter enthält. Von Vorteil ist es, wenn dieses Filter Licht, dessen Wellenlänge außerhalb der Fluoreszenzbande des Farbstoffs liegt, wenigstens teilweise ausfiltert. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn das Filter Licht mit einer auf der Fluoreszenzbande des Farbstoffs PPIX und/oder Natrium-Fluoreszein und/oder Hypericin liegenden Wellenlänge wenigstens teilweise ausfiltert. Bevorzugt enthält die das Licht von wenigstens einem Objektpunkt erfassende elektronische Detektionseinrichtung ein Filter, das Licht im Wellenlängebereich der Anregungsbande des Farbstoffs wenigstens teilweise ausfiltert. Es ist günstig, wenn für das Ausfiltern ein Filter vorgesehen ist, das für Licht im Wellenlängebereich der Anregungsbande des Farbstoffs PPIX und/oder Natrium-Fluoreszein und/oder Hypericin nicht durchlässig ist. Das System kann z. B. in ein Operationsmikroskop integriert werden.
Eine Idee der Erfindung ist auch, mit der Rechnereinheit die berechnete Farbortinformation („0”, „1”) mit präoperativ gewonnenen Patientendaten ortsrichtig zu korrelieren.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogramm für eine Rechnereinheit zum Steuern der Visualisierungseinrichtung in einem erfindungsgemäßen System. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe in einem Operationsbereich, bei dem der Farbort des Lichts von wenigstens einem Objektpunkt in einem Farbraum ermittelt wird, bei dem der ermittelte Farbort mit einem Referenz-Farbort in dem Farbraum verglichen wird, und bei dem aus dem Vergleich des ermittelten Farbraums mit dem Referenz-Farbort eine an einer Visualisierungsvorrichtung anzeigbare Farbinformation berechnet wird. Insbesondere kann diese Farbinformation für das Steuern einer mittels der Visualisierungsvorrichtung visualisierten Anzeigeinformation eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Operationsmikroskop mit einem System für das Visualisieren von Gewebe in einem Operationsbereich;
2 die spektralen Transmissionen TI_B1 (λ) und TI_D1 (λ) der optischen Elemente einer Beleuchtungseinrichtung und eines Beobachtungsfilters in dem Operationsmikroskop;
3 die resultierenden spektralen Transmission TI_G1 (λ) des von der Beleuchtungseinrichtung und dem Beobachtungsfilter in dem Operationsmikroskop gebildeten Gesamtsystems;
4 eine alternative Ausführung der spektralen Transmissionen TI_B2 (λ) und TI_D2 (λ) der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung und des Beobachtungsfilters in dem Operationsmikroskop;
5 die resultierende spektrale Transmission TI_G2 (λ) des bei der alternativen Ausführung von der Beleuchtungseinrichtung und dem Beobachtungsfilter in dem Operationsmikroskop gebildeten Gesamtsystems;
6 das Bild eines Operationsbereichs mit Tumorgewebe im Operationsmikroskop;
7 eine mittels einer Detektionseinrichtung im Operationsmikroskop erfasste spektrale Intensitätsverteilung des von einem Objektpunkt herrührenden Lichts im Operationsbereich;
8 den mit einer Rechnereinheit im Operationsmikroskop berechneten Farbort in dem Farbraum CIE D₆₅ von Objektpunkten;
9 ein weiteres Operationsmikroskop mit einem System für das Visualisieren von Gewebe in einem Operationsbereich; und
10 den Farbort im RGB-Farbraum von Objektpunkten in einem mit dem Operationsmikroskop visualisierten Objektbereich.
Die 1 zeigt ein Operationsmikroskop 100 mit einem System 150 zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe in einem Operationsbereich 152. Das Operationsmikroskop 100 ist für neurochirurgische Operationen ausgelegt. Das Operationsmikroskop 100 hat ein Mikroskop-Hauptobjektiv 102. Das Mikroskop-Hauptobjektiv 102 ist in einem Mikroskop-Grundkörper 104 aufgenommen. Der Mikroskop-Grundkörper 104 enthält ein einstellbares Vergrößerungssystem 106. Das Mikroskop-Hauptobjektiv 102 ist mit einem linken und einem rechten Beobachtungsstrahlengang 108, 110 durchsetzt. An einem Mikroskop-Grundkörper 104 ist ein Binokulartubus 112 angeschlossen. Der Binokulartubus 112 enthält in dem linken und rechten Beobachtungsstrahlengang 108, 110 eine Okularlinse 114, 116 und eine Tubuslinse 118, 120. Über den Binokulartubus 112 kann eine Beobachtungsperson ein Gebiet 151 in dem Operationsbereich 152 mit einem linken und rechten Beobachterauge 122, 124 stereoskopisch betrachten.
Das Visualisierungssystem 150 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 154. Die Beleuchtungsvorrichtung 154 stellt mit einem Beleuchtungsstrahlengang 155 Beleuchtungslicht für den Operationsbereich 152 bereit. Die Beleuchtungseinrichtung 152 hat eine Xenon-Lichtquelle 156. Die Beleuchtungseinrichtung 152 enthält weitere optische Elemente in Form eines Linsensystems 158, eines Lichtleiters 160 und eines Beleuchtungsobjektivs 161. Das Licht der Xenon-Lichtquelle 156 wird über ein Linsensystem 158 in einen Lichtleiter 160 eingekoppelt. Aus dem Lichtleiter 160 gelangt Beleuchtungslicht durch ein Beleuchtungsobjektiv 161 mit Linsen 162, 164 zu dem Operationsbereich 152.
Für das Einstellen der spektralen Zusammensetzung des Beleuchtungslichts enthält die Beleuchtungseinrichtung 154 eine Filterbaugruppe 165. Die Filterbaugruppe 165 kann geschaltet werden. Sie enthält ein erstes Beleuchtungsfilter 157 und ein zweites Beleuchtungsfilter 169. Die Beleuchtungsfilter 167, 169 können entsprechend dem Pfeil 171 in den und aus dem Beleuchtungsstrahlengang 155 bewegt werden.
Das Beleuchtungsfilter 167 ist ein Bandpassfilter. Es ist für Licht aus der Xenon-Lichtquelle 156 im Spektralbereich zwischen 390 nm und 410 nm, vorzugsweise im Spektralbereich zwischen 390 nm und 430 nm durchlässig. Licht im Spektralbereich unterhalb von 390 nm und oberhalb von 410 nm wird dagegen mit dem Beleuchtungsfilter 167 ausgefiltert bzw. stark unterdrückt.
Das Beleuchtungsfilter 169 ist ein Wärmeschutzfilter. Dieses Wärmeschutzfilter ist für Licht aus der Xenon-Lichtquelle 156 im wesentlichen undurchlässig, dessen Wellenlänge größer ist als 800 nm. Dieses Filter transmittiert Licht im sichtbaren Spektralbereich, dessen Wellenlänge unterhalb von 800 nm liegt.
In dem Mikroskop-Grundkörper 104 befindet sich auf der dem Mikroskop-Hauptobjektiv 102 abgewandten Seite des Vergrößerungssystems 106 ein Beobachtungsfilter 107 für den linken Beobachtungsstrahlengang 108 und ein Beobachtungsfilter 109 für den rechten Beobachtungsstrahlengang 110. Die Beobachtungsfilter 107, 109 können entsprechend der Doppelpfeile 111, 113 in den bzw. aus dem Beobachtungsstrahlengang 108, 110 bewegt werden. Das Beobachtungsfilter 167 einerseits und die Beobachtungsfilter 107, 109 andererseits haben eine Filtercharakteristik, die aufeinander abgestimmt ist. Für das Beobachten des Operationsbereichs 152 mit Fluoreszenzlicht werden das Beleuchtungsfilter 167 in den Beleuchtungsstrahlengang 155 geschaltet und die Beobachtungsfilter 107, 109 in den Beobachtungsstrahlengängen 108, 110 angeordnet.
Die 2 zeigt mit der Kurve 201 die resultierende spektrale Transmission TI_B1 (λ) der optischen Elemente in der Beleuchtungseinrichtung 154, mit der das Beleuchtungslicht bereitgestellt wird, wenn sich das Beleuchtungsfilter 167 im Beleuchtungsstrahlengang befindet. Die resultierende spektrale Transmission TI_B1 (λ) der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung 154 ist an das Fluoreszenzanregungsspektrum eines Farbstoffs angepasst, mit dem das Körpergewebe im Operationsbereich angereichert werden kann. Die in der 2 mit der Kurve 201 gezeigte resultierende spektrale Transmission TI_B1 (λ) der optischen Elemente in der Beleuchtungseinrichtung 154 eignet sich für die Fluoreszenzbeobachtung unter Verwendung des Farbstoffs PPIX.
Die optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung 154 können natürlich auch für eine resultierenden spektralen Transmission TI_B1 (λ) ausgelegt werden, die sich für die Fluoreszenzbeobachtung unter Einsatz von anderen Farbstoffen eignet, etwa für die Fluoreszenzbeobachtung mit Natrium-Fluorescin oder Hypericin.
Das Beleuchtungsfilter 167 dominiert den Verlauf der resultierenden spektralen Transmission TI_B1 (λ) der optischen Elemente in der Beleuchtungseinrichtung 154. Es gewährleistet, dass die Beleuchtungseinrichtung 154 den Operationsbereich 152 nur mit Licht beleuchtet, aus dem der Wellenlängenbereich 207 des entsprechenden für den Farbstoff spezifischen Fluoreszenzlichts ausgefiltert ist.
Die Kurve 205 in 2 zeigt die resultierende spektrale Transmission TI_D1 (λ) der optischen Elemente im Beobachtungsstrahlengang des Operationsmikroskops 100. Diese resultierende spektrale Transmission TI_D1 (λ) ist durch die Beobachtungsfilter 107, 109 definiert. Die spektrale Transmission TI_D1 (λ) der Beobachtungsfilter 107, 109 verläuft so, dass die mit der Kurve 301 in 3 gezeigte resultierende spektrale Transmission TI_G1 (λ) des aus der Beleuchtungseinrichtung 154 und dem Beobachtungsfilter 109 bestehenden Gesamtsystems nur in einem Wellenlängenbereich 303 einen spektralen Transmissionsgrad von mehr als 5% aufweist, der sich über maximal 50 nm erstreckt, und außerhalb dieses Wellenlängenbereichs kleiner als 5% ist.
Um Fluoreszenzbeobachtung zu ermöglichen, kann das Beleuchtungsfilter 167 in der Beleuchtungseinrichtung 154 auch so ausgeführt werden, dass die resultierende spektrale Transmission der optischen Elemente in der Beleuchtungseinrichtung der in der 4 gezeigten Kurve 401 entspricht, wenn sich das Beleuchtungsfilter 167 im Beleuchtungsstrahlengang befindet.
Die resultierende spektrale Transmission TI_B2 (λ) weist hier einen Durchlassbereich 403 auf. Der Durchlassbereich 403 ist an das Fluoreszenzanregungsspektrum von mit dem Farbstoff PPIX angereichertem Körpergewebe angepasst.
Die in der 4 mit der Kurve 401 gezeigte resultierende spektrale Transmission TI_B2 (λ) der optischen Elemente in der Beleuchtungseinrichtung 154 eignet sich ebenfalls für die Fluoreszenzbeobachtung unter Verwendung des Farbstoffs PPIX. Die optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung 154 können natürlich auch für eine resultierenden spektralen Transmission TI_B2 (λ) ausgelegt werden, die sich für die Fluoreszenzbeobachtung unter Einsatz von anderen Farbstoffen eignet, etwa für die Fluoreszenzbeobachtung mit Natrium-Fluorescin oder Hypericin.
Die resultierende spektrale Transmission TI_B2 (λ) hat einen zweiten Durchlassbereich 405, dessen Wellenlängen zwischen den Wellenlängen des Fluoreszenzanregungsspektrums und den Wellenlängen des Fluoreszenzspektrums des Farbstoffs PPIX liegen.
In diesem Fall haben auch die Beobachtungsfilter 107, 109, welche die resultierende spektrale Transmission der optischen Elemente in dem Beobachtungsstrahlengang festlegen, eine der Kurve 407 entsprechende spektrale Transmission TI_D2 (λ). Die spektrale Transmission TI_D2 (λ) hat einen ersten Durchlassbereich 409, der an das Fluoreszenzspektrum von mit dem Farbstoffs PPIX angereichertem Körpergewebe angepasst ist, das mit dem Operationsmikroskop 100 untersucht werden kann. Außerdem hat die spektrale Transmission TI_B2 (λ) einen zweiten Durchlassbereich 411, der in dem gleichen Wellenlängenbereich wie der zweite Durchlassbereich 405 der Beleuchtungseinrichtung 154 liegt. Auch hier verläuft die der Kurve 407 in 4 entsprechende spektrale Transmission TI_D2 (λ) der Beobachtungsfilter 107, 109 so, dass die mit der Kurve 501 in 5 gezeigte resultierende spektrale Transmission TI_G2 (λ) des aus der Beleuchtungseinrichtung 154 und dem Beobachtungsfilter 109 bestehenden Gesamtsystems nur in einem Wellenlängenbereich 503 einen spektralen Transmissionsgrad von mehr als 5% aufweist, der sich über 50 nm erstreckt, und außerhalb dieses Wellenlängenbereichs kleiner als 5% ist.
Bei einem Einsatz von anderen Fluoreszenzfarbstoffen in einem Operationsbereich ist eine entsprechende Anpassung dieses zweiten Durchlassbereichs 405 in der resultierenden spektralen Transmission TI_B2 (λ) der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung 154 und der Durchlassbereiche 409, 411 in der spektralen Transmission TI_D2 (λ) der Beobachtungsfilter 107, 109 an andere Wellenlängen erforderlich.
Für das Erfassen von Licht 166 aus einem Objektpunkt 168 im Operationsbereich 152 hat das Visualisierungssystem 150 in dem Operationsmikroskop 100 aus 1 eine Detektionseinrichtung 170. Der Detektionseinrichtung 170 kann Beobachtungslicht von dem Gebiet im Operationsbereich 152 durch das Beobachtungsfilter 109 über einen Auskopplungs-Strahlteiler 174 aus dem rechten Beobachtungsstrahlengang 110 mit einer optischen Achse 172 zugeführt werden. In der Detektionseinrichtung 170 gibt es einen Bildsensor 176. Dieser Bildsensor 175 erhält Beobachtungslicht mit einem Strahlengang 179, der durch eine Sammellinie 180 und einen Strahlteiler 178 geführt ist.
In der Detektionseinrichtung 170 gibt es ein Reflektionsgitter 182. Das Reflexionsgitter 182 wirkt als Spektrometer. Das Reflexionsgitter 182 erhält das Beobachtungslicht entlang der optischen Achse 172 mit einem parallelen Strahlengang, der den Strahlteiler 178 durchsetzt. Mittels des Reflexionsgitters 182 wird das Beleuchtungslicht in der Detektionseinrichtung 170 spektral zerlegt. Das Reflexionsgitter 182 reflektiert das Beobachtungslicht aus dem Beobachtungsstrahlengang 110 wellenlängenselektiv in unterschiedliche Richtungen entlang den optischen Achsen 195, 197, ... 199 zu einer Vielzahl von Bildsensoren 196, 198, ... 200. Das zu den Bildsensoren 196, 198, ... 200 reflektierte Beobachtungslicht wird dort mit Sammellinsen 190, 192, ... 194 gebündelt. Mittels der Bildsensoren 196, 198, ..., 200 kann damit das Bild des Gebiets 151 des Operationsbereichs 152 mit einem Objektpunkt 168 in unterschiedlichen Spektralbereichen erfasst werden.
Die Bildsensoren 196, 198, ... 200 der Detektionseinrichtung 170 sind mit einer Rechnereinheit 202 verbunden. Die Rechnereinheit 202 hat eine Eingabeeinheit 204 und enthält einen Programmspeicher 206. Die Rechnereinheit 202 ist an einen berührungssensitiven Bildschirm 208 angeschlossen. Die Rechnereinheit 202 steuert ein Display 210. Die Anzeige des Displays 210 wird dem Beobachtungslicht in dem rechten Beobachtungsstrahlengang 110 über eine Linse 212 mit einem Strahlengang 214 durch einen Strahlteiler 216 überlagert. Für eine Beobachtungsperson ist damit die Anzeige des Displays 210 gleichzeitig mit dem Gebiet 151 des Operationsbereichs 152 im rechten Okulareinblick des Binokulartubus sichtbar.
Wenn das Beleuchtungsfilter 167 in den Beleuchtungsstrahlengang 155 geschaltet ist, kann mit dem Licht aus der Beleuchtungseinrichtung 154 der Farbstoff PPIX mit zu Fluoreszenz angeregt werden. Dieser Farbstoff reichert sich in tumorbefallenem Gewebe im Gehirn eines Patienten an, wenn dem Patient das Medikament Gliolan verabreicht wird. Das Medikament Gliolan enthält den Stoff 5ALA.
Die 6 zeigt das Bild des Operationsbereichs 152 mit fluoreszierendem Tumorgewebe für eine Beobachtungsperson in dem Binokulartubus 112 des Operationsmikroskops 100. Bei Beleuchtung mit Licht der Wellenlänge λ = 400 nm fluoresziert in dem Operationsbereich 152 tumorerkranktes Gewebe 252 in roter Farbe. Gesundes Gewebe 254 wird von einer Beobachtungsperson im Okulareinblick des Binokulartubus 112 mit blauer Farbe wahrgenommen. Die Randbereiche 256 von turmorbefallenem Gewebe 252, in dem sich infiltrierte Tumorzellen befinden, haben für eine Beobachtungsperson üblicherweise eine Mischfarbe. Die Mischfarbe wird von sehr vielen Personen als lachsfarben oder auch rosa empfunden. Sie hat einen zwischen dem Farbton blau und dem Farbton rot liegenden Farbton.
Maßgeblich für den Heilungserfolg eines Patienten, der an einem Gehirntumor leidet, ist das vollständige Entfernen des Tumors in einer Tumoroperation. Hier ist es wichtig, dass ein Operateur auch die Randbereiche des Tumors zuverlässig erkennen kann. Das Erfassen von Randbereichen eines Tumors in einer neurochirurgischen Operation ist für den Operateur jedoch schwierig. Während der Resektion von Gewebematerial ist die Beleuchtung des Operationsgebiets mit weißem Beleuchtungslicht erforderlich. Unter weißem Beleuchtungslicht lassen sich insbesondere die Gefäße im Gewebe des menschlichen Gehirns erkennen. Fluoreszierendes Tumorgewebe ist unter weißem Beleuchtungslicht für einen Operateur jedoch nicht ohne weiteres sichtbar. Um tumorerkranktes Gewebe deutlich sehen zu können, muss der Operateur das Operationsgebiet mit Licht im Spektralbereich zwischen 390 nm und 410 nm beleuchten. Bei dieser Beleuchtungsart kann der Operateur in dem Operationsbereich jedoch keine Gefäße erkennen. In Folge dessen ist hier eine Resektion von Gewebe für den Patient mit großen Risiken verbunden.
Die 7 zeigt die mittels der Detektionseinrichtung 170 erfasste spektrale Intensitätsverteilung 270 für das Licht 166 eines Objektpunkts 151 in dem mit dem Operationsmikroskop 100 erfassten Gebiet 151 des Operationsbereichs 152. Mittels der Bildsensoren 196, 198, ..., 200 wird das Licht von den Objektpunkten im Gebiet 151 des Operationsbereichs 152 jeweils in unterschiedlichen Spektralbereichen 272, 274, ..., 276 erfasst. Die Spektralbereiche 272, 274 ..., 276 decken den Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 800 nm ab.
Die 4 zeigt den Farbraum CIE D₆₅. Der Farbraum CIE D₆₅ ist ein zweidimensionales Gebiet 400. Ein Farbort ist ein Punkt in dem zweidimensionalen Gebiet 400. Der Farbort in dem zweidimensionalen Gebiet 400 ist über ein Zahlentupel (x, y) exakt definiert. Das Gebiet 400 ist durch eine Randkurve 404 begrenzt. Die auf der Randkurve 404 liegenden Punkte 406, 408, 410 entsprechen Farborten für monochromatisches Licht. Farborte im Innern des Gebiets 400 basieren auf Licht mit einem Wellenlängengemisch. Der dem Zahlentupel (x_W, y_W) entsprechende Farbort CIE D₆₅ für den Weißpunkt 402 liegt im Innern des zweidimensionalen Gebiets 400.
In dem Farbraum CIE D₆₅ hat das von einer Beobachtungsperson als rötlich wahrgenommene Fluoreszenzlicht von Tumorzellen des menschlichen Gehirns, in denen der Farbstoff PPIX angereichert ist, den durch das Zahlentupel (x_T, y_T) definierten Farbort. Bereiche des menschlichen Gehirns, in denen es keine Tumorzellen gibt, haben bei Beleuchtung mit blauem Licht der Wellenlänge 400 nm den dem Zahlentupel (x_G, y_G) entsprechenden Farbort 414 in dem Farbraum CIE D₆₅. Das von vielen Personen als lachsfarben wahrgenommene Fluoreszenzlicht aus den Randbereichen eines Tumorgebiets im menschlichen Gehirn hat in dem Farbraum CIE D₆₅ einen Farbort 416, der durch das Zahlentupel (x_R, y_R) beschrieben ist.
In dem Farbraum CIE D₆₅ sind also die Farborte 412, 414 und 416, die gesundem Gewebe, tumorbefallenem Gewebe und Gewebe aus dem Randbereich eines Tumors entsprechen, weit voneinander getrennt und haben einen großen geometrischen Abstand.
Mit der Visualisierungsvorrichtung 150 in dem Operationsmikroskop 100 aus 1 ist einer Beobachtungsperson das zuverlässige Anzeigen von tumorbefallenem Gewebe an dem Bildschirm 208 und dem Display 210 möglich. Hierzu ermittelt die Rechnereinheit 202 zu einem jeden mittels der Bildsensoren 196, 198, ... 200 erfassten Bildpunkte eines Objektpunkts 168 die Koordinaten (x, y) des Farborts zu einem jeden der mittels der Bildsensoren 196, 198, ..., 200 erfassten Objektpunkte. Die Rechnereinheit vergleicht diese Farborte jeweils mit einem in der 8 gezeigten Referenz-Farbort 417, der die Koordinaten (x_c, y_c) eines für den Randbereich von Tumorgewebe typischen Farbort in dem Farbraum 400 hat. Überschreitet eine Abstandsnorm ΔE := ||(x, y); (x_c, y_c)|| über den in DIN 5033, Teil 2 definierten Farbabstand der Farbe eines Objektpunkts (x, y) zu der Farbe eines Referenzunkts (x_c, y_c) einen Schwellwert A_s, so wird diesem Objektpunkt die Farbortinformation „0” zugeordnet. Gilt jedoch ΔE ≤ A_S, so wird einem Bildpunkt die Farbortinformation „1” zugewiesen. Eine solche Abstandsnorm ||(x, y); (x_c, y_c)|| für die Farborte kann z. B. wie folgt definiert werden:
Diese Abstandsnorm entspricht der geometrischen Ablage des für einen Objektpunkt erfassten Farborts im Farbraum CIE D₆₅ von dem Referenz-Farbort 417.
Die mit der Farbortinformation „1” versehenen Bildpunkte werden bei dem Operationsmikroskop 100 in 1 mittels der Rechnereinheit 208 mit einer einheitlichen Markierungsfarbe an dem Display 210 und dem berührungssensitiven Bildschirm 202 zur Anzeige gebracht. Indem als Referenz-Farbort (x_c, y_c) der Farbort des Lichts gewählt wird, der auf Objektpunkte zurückgeht, die sich in dem Randbereich 450 eines Tumorgebiets befinden, kann so der Randbereich eines Gebiets mit tumorerkranktem Gewebe mit einem deutlich und gut sichtbaren Rand 452 als Anzeigeinformation 420 visualisiert werden.
Für das Einstellen eines Referenz-Farborts 417 mit den Koordinaten (x_c, y_c) ist bei dem Operationsmikroskop 100 in 1 ein Einstellmodus vorgesehen. Der Einstellmodus ermöglicht es einer Beobachtungsperson, durch Berühren eines Bereichs 418 an dem berührungssensitiven Bildschirm 208, den Farbort des diesem Bereich zugrunde liegenden Beobachtungslichts an der Bildschirmanzeige als Referenz-Farbort (x_c, y_c) auszuwählen, d. h. vorzugeben. In dem Einstellmodus ist die Auswahl von mehreren Referenz-Farborten möglich. Es kann z. B. ein Referenz-Farbort für Tumorgewebe, ein Referenz-Farbort für gesundes Gewebe, und ein Farbort für den Randbereich eines Tumors ausgewählt werden.
Die 9 zeigt ein Operationsmikroskop 500 mit einem System 550 zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe in einem Operationsbereich 552. Baugruppen im Operationsmikroskops 500, die zu Baugruppen des Operationsmikroskops 100 aus 1 identisch sind, haben hier Bezugszeichen, die in Vergleich zu 1 um die Zahl 400 erhöht sind.
Als Detektionseinrichtung 570 für das Erfassen von Licht 566 aus einem Objektpunkt 568 im Operationsbereich 552 enthält das Operationsmikroskop 500 eine Farbkamera. Die Farbkamera hat einen roten Farbkanal 571, einen blauen Farbkanal 573 und einen grünen Farbkanal 575. Das Signal (R, G, B) des roten, grünen, und blauen Farbkanals 571, 573, 575 der Farbkamera wird als RGB-Signaltripel der Rechnereinheit 602 für das Bestimmen des Farborts eines Objektpunkts 568 in dem Gebiet 551 des Operationsbereichs 552 zugeleitet, der mit dem Operationsmikroskop 500 erfasst werden kann.
Die Rechnereinheit 602 bestimmt zu einem jeden Objektpunkt in dem Gerät 551 des Operationsbereichs 552 den Farbort im CIE RGB-Farbraum. Sie berechnet dann zu dem RGB-Signaltripel (R, G, B) den Quotient R/B.
Die 6 zeigt den CIE RBG-Farbraum mit einem Farbort 802 zu dem Licht eines im Tumorgewebe lokalisierten Objektpunkts. Der Farbort 804 entspricht Licht von einem Objektpunkt in gesundem Gewebe. Der Farbort 806 greift auf das Licht von einem Objektpunkt zurück, der sich in einem Gebiet mit gesundem Bewege im Operationsbereich befindet, in das Tumorzellen infiltriert sind. Wie bei dem Operationsmikroskop 100 aus 1 sind auch in dem Farbraum 800 die Farborte 802, 804, 806 zu Licht aus dem Operationsbereich, das von Objektpunkten in pathologisch unterschiedlichem Gewebe herrührt, voneinander räumlich getrennt.
Zu dem Farbort eines Objektpunkts vergleicht die Rechnereinheit 602 den Quotient R/B als Information zum Farbort dieses Objektpunkts mit einem Schwellwert S_a. Hieraus bestimmt die Rechnereinheit 602 eine Farbortinformation für diesen Objektpunkt. Wenn der Quotient R/B den Schwellwert S_a überschreitet, wird der Objektpunkt die Farbortinformation „0” zugeordnet. Gilt für den Quotient R/B ≤ S_a, so wird dem Objektpunkt die Farbortinformation „1” zugewiesen. Der Schwellwert S_a ist über die Eingabeeinheit 604 der Rechnereinheit 602 von einer Beobachtungsperson einstellbar.
Um z. B. den Randbereich von tumorbefallenem Gewebe zu visualisieren, wird der Schwellwert S_a auf den Quotient R/B als Information zum Farbort für lachsfarbenes Licht eingestellt.
Das Operationsmikroskop 500 enthält eine Einrichtung 900, mittels der präoperativ gewonnene Patientendaten, z. B. Kernspintomographiedaten oder Röntgentomographiedaten dem Objektbild im Beobachtungsstrahlengang 508 und an dem Bildschirm 608 ortsrichtig überlagert werden kann. Die Einrichtung 900 enthält einen Positionssensor 902. Der Positionssensor 902 erfasst die räumliche Position des Operationsmikroskops 500 relativ zum Objektbereich 552. Der Positionssensor 902 ist mit einer Recheneinheit 907 in der Einrichtung 900 verbunden. Die Recheneinheit 907 steuert ein Display 906. Die Anzeige des Displays 906 ist über einen Strahlteiler 908 in den Beobachtungsstrahlengang 508 eingespiegelt. Aufgrund der über den Positionssensor 902 erfassten räumlichen Position des Operationsmikroskops 500 relativ zu dem Operationsbereich 552 berechnet die Recheneinheit 907 eine ortsrichtige Anzeige von Patientendaten aus einem Datenspeicher 910 an den Display 906. Die Einrichtung 900 ist über eine bidirektionale Datenleitung 905 an die Rechnereinheit 602 angeschlossen.
Im Verlauf einer chirurgischen Operation am menschlichen Gehirn kann sich die Position und die räumliche Ausdehnung von tumorerkranktem Gewebe verändern. In diesem Fall gibt es räumliche Abweichungen zwischen den mittels der Einrichtung 900 visualisierbaren präoperativ gewonnenen Patientendaten und der Struktur eines Tumors im Operationsbereich.
Die Rechnereinheit 602 enthält deshalb in dem Programmspeicher 606 ein Korrelationsprogramm. Dieses Korrelationsprogramm ermöglicht es, durch Korrelation des über die Bestimmung des Farborts in dem Farbraum 800 ermittelten Verlauf der den Bildpunkten zu Objektpunkten im Operationsbereich zugewiesenen Farbortinformation mit den präoperativ gewonnenen Patientendaten die Verlagerung und Verformung eines Tumorgebiets im Operationsbereich zu erfassen. Hierfür wird der Schwellwert S_a von einer Beobachtungsperson auf den Quotient R/B eingestellt, der bei der die typischen Farbe von Licht aus dem Randbereich eines Tumors bei dem Referenz-Farbort 807 in 6 gegeben ist. Das Korrelationsprogramm korreliert dann die dem Randbereich eines Tumors entsprechende Farbinformation mit den gewonnenen Patientendaten. Die präoperativ gewonnenen Daten werden daraufhin korrigiert und an dem Display 608 und dem Bildschirm 610 des Operationsmikroskops zusammen mit dem Bild des Objektbereichs 552 zur Anzeige gebracht.
Es sei bemerkt, dass das Bestimmen des Farborts für einen Objektpunkt in dem Operationsmikroskop grundsätzlich auch mit einer Schwarz-Weiss-Kamera möglich ist. Für das Bestimmen von Farborten in einem Farbraum zu dem Licht von Objektpunkten im Operationsbereich muss dann aber das Operationsgebiet zeitsequentiell beleuchtet werden, z. B. mit Licht in den Farben rot (R), grün (G) und blau (B).
Zusammenfassend sind folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Ein System 150, 550 zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe mit Farbstoff in einem Operationsbereich 152, 552 enthält eine Licht von wenigstens einem Objektpunkt 168, 568 erfassende Detektionseinrichtung 170, 570. Das System 150, 550 hat eine mit der Detektionseinrichtung 170, 570 verbundene Rechnereinheit 202, 502 für das Ansteuern einer ein Bild eines Gebietes in dem Operationsbereich 152, 552 anzeigenden Visualisierungseinrichtung 208, 210, 508, 510. Die Rechnereinheit 202, 502 ermittelt zu dem Licht von dem wenigstens einen Objektpunkt 168, 568 im Operationsbereich 152, 552 den Farbort 412, 414, 416 in einem Farbraum 400. Sie berechnet in Abhängigkeit der Lage des zu dem Objektpunkt 168, 568 ermittelten Farborts 412, 414, 416, 802, 804, 806 durch Vergleich von Information zu dem ermittelten Farbort 412, 414, 416, 802, 804, 806 des Objektpunkts 168, 568 mit Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort eine Farbortinformation („0”, „1”) für das Steuern der Visualisierungseinrichtung 208, 210, 608, 610.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2074933 A1 [0002, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Ishihara et al., Quantitative Spectroscopic Analysis of 5-ALA-induced Protoporphyrin IX Flourescence Intensity in Diffusely Infiltrating Astrocytomas, Neuro Med Chir (Tokyo) 47, 53 (2007) [0004]
Charles Poynton „A Guided Tour of Coulor Space”, in den New Foundations for Video Technology, Proceedings of the SMPTE Advanced Televison and Electronic Imaging Conference, San Fransisco, Feb. 1995, S. 167–180 [0008]
DIN 5033 [0008]
DIN 5033 [0061]

Claims

System (150, 550) zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe in einem Operationsbereich (152, 552) mit einer Licht (166, 566) von wenigstens einem Objektpunkt (168, 568) erfassenden Detektionseinrichtung (170, 570); und mit einer mit der Detektionseinrichtung (170, 570) verbundenen Rechnereinheit (202, 602) für das Ansteuern einer ein Bild eines Gebietes in dem Operationsbereich (152, 552) anzeigenden Visualisierungseinrichtung (208, 210, 608, 610); dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (202, 602) zu dem Licht (166, 566) von dem wenigstens einen Objektpunkt (168, 568) im Operationsbereich (152, 552) den Farbort (412, 414, 416, 802, 804, 806) in einem Farbraum (400, 800) ermittelt und in Abhängigkeit der Lage des zu dem Objektpunkt (168, 568) ermittelten Farborts (412, 414, 416, 802, 804, 806) durch Vergleich von Information zu dem ermittelten Farbort (412, 414, 416, 802, 804, 806) des Objektpunkts (168, 568) mit Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort (417, 807) eine Farbortinformation („0”, „1”) für das Steuern der Visualisierungseinrichtung (208, 210, 608, 610) berechnet.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (202, 602) die Farbortinformation („0”, „1”) aus einem Farbabstand des zu dem Objektpunkt (168) ermittelten Farborts (412, 414, 416) zu einem charakteristischen Referenz-Farbort (417) berechnet.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (202, 502) zu dem Licht (166, 566) von dem wenigstens einen Objektpunkt (168, 568) die Koordinaten (R, G, B) des Farborts im RGB-Farbraum (802, 804, 806) ermittelt und die Farbortinformation aus einer Abweichung des zu den Koordinaten (R, G, B) des Farborts ermittelten Quotienten R/B von dem Quotient R_c/B_c zu den Koordinaten (R_c, G_c, B_c) eines charakteristischen Referenz-Farborts (807) berechnet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingabeeinheit (204, 604) für das Eingeben von Information zu einem charakteristischen Referenz-Farbort (417) vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (170) für das Erfassen des Farborts (412, 414, 416) des Lichts (166, 566) von dem wenigsten einen Objektpunkt (168, 568) ein Spektrometer (182) für das spektrale Zerlegen von Licht enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtungseinrichtung für zeitsequentielle RGB-Beleuchtung vorgesehen ist und die Detektionseinrichtung (170, 570) für das Erfassen des Farborts des Lichts zu dem wenigstens einen Objektpunkt einen lichtempfindlichen flächigen elektronischen Bildsensor aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtungseinrichtung (154, 554) Beleuchtungslicht in einem Wellenlängebereich bereitstellt, der es ermöglicht, einen Farbstoff im Operationsbereich (152, 552) zu Fluoreszenz anzuregen.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich des Beleuchtungslichts die Fluoreszenzanregung des Farbstoffs PPIX und/oder Natrium-Fluoreszein und/oder Hypericin ermöglicht.
System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (154, 554) Licht in dem Wellenlängenbereich von wenigstens 380 nm bis 680 nm erzeugt und das von der Detektionseinrichtung (170, 570) erfasste Licht (166, 566) aus dem Operationsbereich (152, 552) über ein Beobachtungsfilter (109, 509) geführt ist, wobei die resultierende spektrale Transmission (201) der optischen Elemente (565, 169, 561) der Beleuchtungseinrichtung (154, 554) dem Fluoreszenzanregungsspektrum (203) des Farbstoffs angepasst ist und die resultierende spektrale Transmission (301) des aus den optischen Elementen (565, 169, 561) der Beleuchtungseinrichtung (154, 554) und dem Beobachtungsfilter (109, 509) bestehenden Gesamtsystems nur in einem Wellenlängenbereich (303), der sich maximal über 50 nm erstreckt, einen spektralen Transmissionsgrad von mehr als 5% aufweist und ansonsten in dem gesamten Wellenlängenbereich kleiner als 5% ist.
System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (154, 554) Licht in dem Wellenlängenbereich von wenigstens 380 nm bis 680 nm erzeugt und das von der Detektionseinrichtung (170, 570) erfasste Licht (166, 566) aus dem Operationsbereich (152, 552) über ein Beobachtungsfilter (109, 509) geführt ist, wobei die resultierende spektrale Transmission (401) der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung (154, 554) einen ersten Durchlassbereich (403) aufweist, der an das Fluoreszenzanregungsspektrum des Farbstoffs angepasst ist, und einen zweiten Durchlassbereich (405) umfasst, dessen Wellenlängen zwischen den Wellenlängen des Fluoreszenzanregungsspektrums und den Wellenlängen des Fluoreszenzspektrums (203) liegen, und die spektrale Transmission des Beobachtungsfilters (109, 509) einen ersten Durchlassbereich (409) hat, der an das Fluoreszenzspektrum (203) des Farbstoffs angepasst ist, und einen zweiten Durchlassbereich (411) aufweist, der in dem gleichen Wellenlängenbereich wie der zweite Durchlassbereich (405) der Beleuchtungseinrichtung liegt, wobei die resultierende spektrale Transmission (301, 501) des aus der Beleuchtungseinrichtung (154, 554) und dem Beobachtungsfilter (109, 509) bestehenden Gesamtsystems nur in einem Wellenlängenbereich (303, 503), der sich maximal über 50 nm erstreckt, einen spektralen Transmissionsgrad von mehr als 5% aufweist und ansonsten in dem gesamten Wellenlängenbereich kleiner als 5% ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (602) für das ortsrichtige Visualisieren von präoperativ gewonnenen Patientendaten die berechnete Farbortinformation („0”, „1”) mit den präoperativ gewonnenen Patientendaten korreliert.
Operationsmikroskop (100, 500) mit einem System (150, 550) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Computerprogramm für eine Rechnereinheit (202, 502) zum Steuern der Visualisierungseinrichtung (208, 210, 608, 610) in einem System (150, 550) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zum Visualisieren von charakteristischem Gewebe in einem Operationsbereich (152, 552), dadurch gekennzeichnet, dass der Farbort (412, 414, 416, 802, 804) des von wenigstens einem Objektpunkt (151, 551) in einem Farbraum (400, 800) ermittelt und Information zu dem ermittelten Farbort (412, 414, 416, 802, 804, 806) mit Information zu einem Referenz-Farbort (407, 807) in dem Farbraum (500, 800) verglichen wird und aus dem Vergleich eine Farbortinformation („0”, „1”) für das Steuern der Visualisierungseinrichtung (208, 210, 608, 610) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Farbort (407, 807) vorgegeben wird und für das Steuern einer mittels der Visualisierungsvorrichtung (208, 210, 608, 610) visualisierten Anzeigeinformation (420) der Farbabstand des zu einem Objektpunkt (151, 551) ermittelten Farborts (412, 414, 416, 802, 804) zu dem vorgegebenen Referenz-Farbort (417, 807) berechnet wird.