DE102014005407A1

DE102014005407A1 - Vorrichtung zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich

Info

Publication number: DE102014005407A1
Application number: DE102014005407.1A
Authority: DE
Inventors: Gerald Panitz; Christoph Hauger; Marco Wilzbach; Roland Guckler; Tobias Meyer; Martin Oelschlägel; Ute Morgenstern; Stephan B. Sobottka; Gabriele Schackert
Original assignee: Tech Universitat Dresden Inst fur Biomedizinische Technik; Tech Universitat Dresden Klinik und Poliklinik fur Neurochirurgie; Technische Universitat Dresden Institut fur Biomedizinische Technik; Technische Universitat Dresden Klinik und Poliklinik fur Neurochirurgie; Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Tech Universitat Dresden Inst fur Biomedizinische Technik; Tech Universitat Dresden Klinik und Poliklinik fur Neurochirurgie; Technische Universitat Dresden Institut fur Biomedizinische Technik; Technische Universitat Dresden Klinik und Poliklinik fur Neurochirurgie; Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2015-10-15
Also published as: US9801549B2; US20150289765A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich, aufweisend: – eine Messbeleuchtungsvorrichtung, welche geeignet ist, auf den Gewebebereich eine Messbeleuchtung abzugeben, – eine Kamera, mit welcher sich von dem Gewebebereich reflektiertes Licht erfassen lässt, wobei die Kamera einen Grünkanal und/oder einen Blaukanal aufweist, wobei bei einer mindestens zeitweise vorgenommenen Stimulation des Gewebebereiches eine Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebereich reflektierten Lichtes erfolgt, – eine Auswerteeinheit, welche die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft mittels eines Signals des Grünkanals und/oder Blaukanals der Kamera erfasst, – und eine Anzeigeeinheit, mit welcher sich für das funktionstragende Gewebeareal in dem Gewebebereich ein Ausgangssignal der Auswerteeinheit das anzeigen lässt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebereich, insbesondere in einem Gehirngewebereich. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebereich und ein Operationsmikroskop mit einer oben genannten Vorrichtung.
Bei einer Tumoroperation im Gehirn mit einem Tumor in der Nähe eloquenter Gehirnareale, das heißt funktionstragende Gehirnareale, wie zum Beispiel in der Nähe des Motorkortex, in der Nähe von sensomotorischen Zentren oder in der Nähe des Sprachzentrums, steht ein Chirurg vor dem Konflikt, den Tumor einerseits radikal zu entfernen, andererseits möglichst wenig Gewebe zu entfernen, das für eine gesunde Hirnfunktion wichtig ist. Ein möglichst genaues Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale ist daher von großer Bedeutung.
Eine Möglichkeit zum Auffinden funktionstragender Gehirnareale besteht darin, diese Areale elektrophysiologisch zu detektieren, zum Beispiel mittels einer elektrischen Stimulation von bestimmten Muskeln und einer nachfolgenden Potentialmessung auf der Hirnoberfläche durch aufgelegte Elektroden. Ein Nachteil besteht darin, dass die Elektrodengröße eine Auflösung beim Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale begrenzt. Ferner ist es prinzipiell nachteilig, dass das Gewebeareal mit einem gewebefremden Gegenstand, wie es eine Elektrode darstellt, in Kontakt kommt, sodass daraus Verletzungen resultieren können.
In US 6,196,226 B1 oder in US 5,215,095 wird vorgeschlagen, funktionstragende Gehirnareale mittels einer optischen Abbildung darzustellen. In den in diesen Druckschriften beschriebenen Verfahren erfolgt eine Aufnahme des Gewebebereichs während einer Stimulation, welche zu einer Änderung der physiologischen Eigenschaften der funktionstragenden Areale führen. Die Änderung in den physiologischen Eigenschaften führt wiederrum zu einer Änderung in den optischen Eigenschaften von reflektiertem Licht. Zum Darstellen der funktionstragenden Areale wird daher die Differenz eines während der Stimulation aufgenommenen Stimulationsbildes und eines ohne Stimulation aufgenommen Vergleichsbildes gebildet und die funktionstragenden Areale anhand der Differenz aufgefunden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sie relativ schwierig durchzuführen sind, da die mit den funktionalen Stimulationen verbundenen Änderungen im reflektierten Licht intensitätsschwach sind. Ferner kommt eine relativ teure monochrome Kamera (Schwarz-Weiß Kamera) mit einer hohen Graustufenauflösung und einer relativ langen Integrationszeit zum Einsatz. Das Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen ist damit relativ zeitaufwendig und teuer. Zusätzlich bedeutet dies eine relativ lange Operationsdauer, was für einen Patienten grundsätzlich unerwünscht ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich zu schaffen, welche kostengünstig ist und in kurzer Zeit eine kontraststarke Abbildung des funktionstragenden Gewebeareals ermöglicht. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich zu schaffen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Operationsmikroskop mit einer solchen Vorrichtung zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich weist auf:

– eine Messbeleuchtungsvorrichtung, welche geeignet ist, auf den Gewebebereich eine Messbeleuchtung abzugeben,
– eine Kamera, mit welcher sich von dem Gewebebereich reflektiertes Licht erfassen lässt, wobei die Kamera einen Grünkanal und/oder einen Blaukanal aufweist, wobei bei einer mindestens zeitweise vorgenommenen Stimulation des Gewebebereichs eine Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebebereich reflektierten Lichtes erfolgt,
– einen Auswerteeinheit, welche die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft mittels eines Signals des Grünkanals und/oder des Blaukanals der Kamera erfasst,
– und eine Anzeigeeinheit, mit welcher sich für das funktionstragende Gewebeareal in dem Gewebebereich ein Ausgangssignal der Auswerteeinheit das anzeigen lässt.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine teure monochrome Kamera mit einem zugehörigen Farbfilter nicht zwingend erforderlich ist, um ein funktionstragendes Gewebeareal in einem Gewebebereich auffinden zu können. Vielmehr genügt es, wenn eine Farbbildkamera mit einem Grünkanal und/oder einem Blaukanal mit einem Farbsensor für einen Grünbereich und einen Blaubereich zum Einsatz kommt. Im Grünbereich, das heißt in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 470 Nanometer und 600 Nanometer, oder im Blaubereich, das heißt im Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 Nanometer und 520 Nanometer, kann nach einer vorgenommenen zeitweisen Stimulation eines Gewebebereiches eine ausreichende Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebebereich reflektierten Lichtes erfasst werden. Wenn in dem relativ weiten Wellenlängenbereich zwischen 470 Nanometer und 600 Nanometer (Grünbereich) oder zwischen 400 Nanometer und 520 Nanometer (Blaubereich) das von dem stimulierten Gewebebereich reflektierte Licht erfasst wird, kann diese Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft einer Auswerteeinheit zugeführt werden. Das Ausgangssignal einer solchen Auswerteeinheit lässt sich gemäß der Erfindung einer nachgeschalteten Anzeigeeinheit zuführen, mit der ein funktionstragendes Gewebeareal in dem Gewebebereich darstellbar ist.
Vorzugsweise ist die mindestens eine optische Eigenschaft eine Intensität oder Wellenlänge des reflektierten Lichtes. Eine Stimulation des Gewebebereiches führt zu einer neuronalen Aktivität und somit zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch. Dies resultiert in einer Erweiterung von Arteriolen und somit zu einem höheren Blutfluss mit einem höheren Blutvolumen in dem entsprechenden Gewebebereich. Neben einer solchen Blutvolumenänderung erfolgt zudem eine Veränderung der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins im Blut. Der erhöhte Sauerstoffbedarf bewirkt einen Anstieg des desoxygenierten Hämoglobins und oxygenierten Hämoglobins. Wenn ein solcher Gewebebereich beleuchtet wird, führt dies zu einer Änderung in der Absorption des reflektierten Lichtes. Damit geht also eine Änderung der Intensität des reflektierten Lichtes einher, die von einer Kamera erfasst werden kann. Wenn die Kamera eine solche Änderung der Intensität in einem Wellenlängenbereich zwischen 400 Nanometer und 520 Nanometer und/oder in einem Wellenlängenbereich zwischen 470 Nanometer und 600 Nanometer erfasst, genügt dies, um eine funktionstragendes Gewebeareal in dem Gewebebereich zu identifizieren.
Vorzugsweise erfolgt die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft gepulst. Dies lässt sich dadurch erreichen, indem die Stimulation gepulst erfolgt. Es findet also ein periodischer Wechsel zwischen einer kortikalen Stimulation und keiner Stimulation statt, welches durch eine Steuerungstechnik einfach realisierbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Messbeleuchtungsvorrichtung eingerichtet, eine gepulste Messbeleuchtung abzugeben. Wenn eine Messbeleuchtung nicht eingeschaltet ist, bedeutet das erfasste Signal von der Kamera einen Wert, der durch das Streulicht oder Umgebungslicht induziert wurde. Dieser Wert kann von den bei eingeschalteter Messbeleuchtung erzielten Messergebnissen subtrahiert werden.
Vorzugsweise erfasst die Auswerteeinheit die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft ausschließlich mittels des Signals des Grünkanals und/oder des Blaukanals. Damit kann eine hohe Messempfindlichkeit erreicht werden. Signale eines Rotkanals werden somit bewusst ausgeblendet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

– Beleuchten des Gewebebereichs mittels einer Messbeleuchtungsvorrichtung,
– mindestens zeitweises Stimulieren des Gewebebereichs, um eine Änderung von mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebebereich reflektierten Lichtes zu bewirken,
– mittels einer Auswerteeinheit Erfassen der Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft mittels eines Signals eines Grünkanals und/oder eines Blaukanals einer Kamera, welche den Grünkanal und/oder den Blaukanal aufweist,
– und Ausgeben eines Ausgangssignals der Auswerteeinheit an eine Anzeigeeinheit.

Mit diesem Verfahren kann kostengünstig und schnell sowie mit wenig Aufwand eine kontraststarke Abbildung eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich erzielt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in welchen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines Stimulationsmusters zur Stimulation eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufzufindenden Gewebebereiches; und
3 ein Diagramm, welches die spektrale Empfindlichkeit eines Rotkanals, Grünkanals und Blaukanals einer Farbkamera sowie einen Absorptionskoeffizienten von oxygeniertem Hämoglobin und desoxygeniertem Hämoglobin illustriert.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich 3 gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 100 weist eine Messbeleuchtungsvorrichtung 1 auf, welche eine Xenonlampe oder Halogenlampe aufweisen kann. Dies Messbeleuchtungsvorrichtung 1 sendet Weißlicht 2 auf ein Gewebeareal in einem Gewebebereich 3, welcher zum Beispiel eine Blutbahn 31 aufweist. Das von der Blutbahn 31 reflektierte Licht 4 gelangt in einem ersten Strahlengang 5 zu einem Objektiv 6 und von dort zu einem Vergrößerungswechsler 8. Von dort erreicht das Licht einen ersten Strahlteiler 9, von wo das Licht zu einem Okular 11 und zu einer Kamera 13 gelangt. Die Kamera 13 weist einen Grünkanal G und einen Blaukanal B auf, welche beide mit einer Auswerteeinheit 14 gekoppelt sind. Wenn das Gewebeareal in dem Gewebebereich 3 stimuliert wird, sodass es zu einer Änderung in der Konzentration von oxygeniertem oder desoxygeniertem Hämoglobin kommt, bewirkt dies eine Änderung der Absorption des reflektierten Lichtes 4, welches als Änderung der Intensität durch den Grünkanal und/oder Blaukanal der kamera erfasst werden kann. Diese Änderung der Intensität wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung von der Auswerteeinheit 14 erfasst und nachfolgend an einer Anzeigeeinheit 15 dargestellt.
Die Vorrichtung 100 weist ferner einen zweiten Strahlengang 7 auf, in dem das reflektierte Licht 4 dem Objektiv 6 zugeführt wird und von dort zum Vergrößerungswechsler 8 gelangt. Das Licht kann entlang dieses zweiten Strahlenganges 7 anschließend einen zweiten Strahlteiler 10 erreichen, von wo das Licht zum Einen zu einem zweiten Okular 12 und zum Anderen zu einer optischen Komponente 16 gelangen kann. Die optische Komponente 16 kann eine zusätzliche Kamera sein oder eine Anzeigeeinheit sein, mit der eine Information in den zweiten Strahlengang eingekoppelt wird. Der zweite Strahlteiler 10 kann also dazu dienen, entweder eine zusätzliche Information in den Strahlengang einzukoppeln oder das reflektierte Licht 4 einer optischen Komponente 16 zuzuführen.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Stimulationsablaufes dargestellt. Das Diagramm 21 zeigt eine Folge von Stimulationsreizen, welche zum Beispiel jeweils während einer Zeitdauer von 0,3 Millisekunden anliegen. Dies kann zum Beispiel durch einen Lichtblitz erzielt werden. Nach einem solchen ersten Lichtblitz folgt einer längere Pause, sodass sich nach Ablauf einer Periodendauer von 196 Millisekunden ein zweiter Lichtblitz mit einer Zeitdauer von 0,3 Millisekunden anschließt. Dieses Muster aus Lichtblitz und Pause wiederholt sich 153 mal, sodass nach 30 Sekunden eine Stimulationsphase S abgeschlossen ist. Daraufhin folgt eine 30 Sekunden lang dauernde Ruhephase R, in der keinerlei Lichtblitz, also keinerlei Stimulation eines Gewebeareals in einem Gewebebereich, erfolgt. Dieses Muster aus Stimulationsphase S und Ruhephase R wird neunmal wiederholt, sodass nach 540 Sekunden der Stimulationsablauf SA abgeschlossen ist.
Diagramm 22 in 2 zeigt die Reaktionen, welche aufgrund der Lichtblitze in dem zu untersuchenden funktionstragenden Gewebeareal feststellbar sind. Die Reaktion besteht in einer Änderung mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebebereich reflektieren Lichtes. Im vorliegenden Diagramm 22 handelt es sich um die Intensität des reflektierten Lichtes. Es ist ersichtlich, dass die Reaktion in dem funktionstragenden Gewebeareal nahezu verzögerungsfrei auf den Stimulationsreiz erfolgt. Nach Ende des gesamten Stimulationsablaufes gibt es somit eine genügend hohe Anzahl von Reaktionen in dem funktionstragenden Gewebeareal in dem zu untersuchenden Gewebebereich. Durch den Vergleich von Aufnahmen, in denen eine Stimulation erfolgte, mit Aufnahmen, in denen keine Stimulation erfolgte, lässt sich ein funktionstragendes Gewebeareal in einem Gewebebereich gut identifizieren. Wenn dabei festgestellt wird, dass in dem zu untersuchenden Gewebeareal eine unterschiedliche kortikale Durchblutung vorliegt, kann somit eine Aussage über den Zustand des Gewebebereiches getroffen werden. Dies erlaubt eine Unterscheidung zwischen einem gesungen Gewebebereich und einem kranken, zum Beispiel durch einen Tumor veränderten, Gewebebereich.
In 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches die spektrale Empfindlichkeit eines Rotkanals, Blaukanals und Grünkanals einer Farbkamera in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt. Der Blaukanal, siehe Kurve „B”, besitzt eine Empfindlichkeit im Bereich von 400 Nanometer bis etwa 520 Nanometer, wobei der Grünkanal, siehe Kurve „G”, eine Empfindlichkeit etwa im Bereich von 470 Nanometer bis 600 Nanometer besitzt. Der Rotkanal deckt einen Wellenlängenbereich von etwa 560 Nanometer bis 760 Nanometer ab. Zusätzlich ist in 3 ein Absorptionskoeffizient von oxygeniertem Hämoglobin und desoxygeniertem Hämoglobin in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Der Absorptionskoeffizient für oxygeniertes Hämoglobin, siehe Kurvenverlauf mit Bezugszeichen 40, liegt im Bereich des Blaukanals und des Grünkanals einer Farbkamera relativ nahe bei dem Kurvenverlauf von desoxygeniertem Hämoglobin, siehe Kurvenverlauf 41. Im Bereich zwischen 400 Nanometer und 450 Nanometer liegt der Absorptionskoeffizient im Bereich von 200 bis 2000 1/cm. Im Bereich von 450 Nanometer bis etwa 580 Nanometer liegt der Absorptionskoeffizient für oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin zwischen etwa 90 und 200 1/cm. Oberhalb von etwa 570 Nanometer sinkt der Absorptionskoeffizient für oxygeniertes Hämoglobin stark ab auf etwa nur noch 2 1/cm, wobei der Absorptionskoeffizient für desoxygeniertes Hämoglobin auf etwa 5 1/cm absinkt. Der Verlauf der Kurven 40 und 41 zeigt deutlich, dass bei einer Wellenlänge von kleiner als 570 Nanometer ein relativ hoher Absorptionskoeffizient für oxygeniertes wie auch desoxygeniertes Hämoglobin vorliegt, sodass bei einer Stimulation eines funktionstragenden Gewebeareals in einem zu untersuchenden Gewebebereich eine deutliche Änderung der Absorption und damit der Intensität durch einen Grünkanal und Blaukanal erfassbar ist. Die Erfinder haben erkannt, dass auch in diesem relativ großen Wellenlängenbereich von 440 Nanometer bis etwa 570 Nanometer durch einen Grünkanal und/oder Blaukanal funktionstragende Gewebeareale in einem Gewebebereich gut identifizierbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6196226 B1 [0004]
US 5215095 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich, aufweisend: – eine Messbeleuchtungsvorrichtung, welche geeignet ist, auf den Gewebebereich eine Messbeleuchtung abzugeben, – eine Kamera, mit welcher sich von dem Gewebebereich reflektiertes Licht erfassen lässt, wobei die Kamera einen Grünkanal und/oder einen Blaukanal aufweist, wobei bei einer mindestens zeitweise vorgenommenen Stimulation des Gewebebereiches eine Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebereich reflektierten Lichtes erfolgt, – eine Auswerteeinheit, welche die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft mittels eines Signals des Grünkanals und/oder Blaukanals der Kamera erfasst, – und eine Anzeigeeinheit, mit welcher sich für das funktionstragende Gewebeareal in dem Gewebebereich ein Ausgangssignal der Auswerteeinheit das anzeigen lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine optische Eigenschaft eine Intensität oder eine Wellenlänge des reflektierten Lichtes ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft gepulst erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messbeleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, eine gepulste Messbeleuchtung abzugeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswerteeinheit die Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft ausschließlich mittels des Signals des Grünkanals und/oder des Blaukanals erfasst.
Verfahren zum Auffinden eines funktionstragenden Gewebeareals in einem Gewebebereich, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Beleuchten des Gewebebereiches mittels einer Messbeleuchtungsvorrichtung, – mindestens zeitweises Stimulieren des Gewebebereiches, um eine Änderung von mindestens einer optischen Eigenschaft des von dem Gewebebereich reflektierten Lichtes zu bewirken, – mittels einer Auswerteeinheit Erfassen der Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft mittels eines Signals eines Grünkanals und/oder eines Blaukanals einer Kamera, welche den Grünkanal und/oder den Blaukanal aufweist, – Ausgeben eines Ausgangssignals der Auswerteeinheit an eine Anzeigeeinheit.
Operationsmikroskop mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.