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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung einer Nahinfrarotspektroskopiekarte und eines Anatomiebilddatensatzes eines Zielbereichs des menschlichen Körpers, insbesondere eines Kopfes, sowie eine Röntgeneinrichtung.
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Die Nahinfrarotspektroskopie ist ein spektroskopisches Verfahren, das im Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet, also bei Wellenlängen von etwa 800 nm bis 2500 nm. Einer der Vorteile der verwendeten Nahinfrarotstrahlung ist, dass sie recht weit in ein zu vermessendes Objekt eindringt. In der ursprünglichen Nutzung wurde die Nahinfrarotspektroskopie hauptsächlich zur Prüfung von Werkstoffen eingesetzt. Inzwischen wurde jedoch vorgeschlagen, die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) auch zur Vermessung des menschlichen Körpers einzusetzen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Transmission und Absorption des Nahinfrarotlichts in Geweben des menschlichen Körpers Information über die Hämoglobin-Konzentration bzw. deren Veränderung enthält. Besonders bevorzugt wird die Nahinfrarotspektroskopie dabei eingesetzt, um Oxygenierungskarten des menschlichen Gehirns zu erstellen, die mithin die Durchblutung beschreiben können, oder um anderweitig nicht invasiv die Gehirnfunktion zu überprüfen, nachdem das Nahinfrarotlicht problemlos den menschlichen Schädel durchdringen und mithin die Durchblutung im Gehirn vermessen kann. Um auch eine örtliche Auflösung zu erhalten, wurde zudem die Mehrkanalnahinfrarotspektroskopie (MNIRS) vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von Sensorelementen mit einem Sender und einem Empfänger in einer Sensoranordnung beinhaltet. Jedes Sensorelement kann dabei einem bestimmten Bereich des menschlichen Gehirns (bzw. sonstigen Zielgebiets im Menschen) zugeordnet werden, so dass sich beispielsweise die regionale Oxygenierung oberflächlich gelegener Hirnareale detektieren lässt.
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Diese nichtinvasive Technologie erweitert das Spektrum funktioneller Diagnostik in der Neurologie und eignet sich auch unter klinischen Bedingungen und in Kombination mit anderen, bereits etablierten Untersuchungsmethoden, beispielsweise Ultraschall, zur Charakterisierung von Störungen der zerebralen Durchblutung. So sind bereits Forschungsprojekte bekannt, die die Mehrkanalinfrarotspektroskopie nutzen, um Landkarten der kortikalen Hirndurchblutung für häufig vorkommende, typische Gefäßpathologien zu erstellen, um therapierelevante Minderdurchblutungen bei Patienten zu erkennen und gegebenenfalls einer entsprechenden Therapie zuzuführen.
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Die Aufbereitung von Nahinfrarotspektroskopiedaten in eine Nahinfrarotspektroskopiekarte, die zweidimensional oder dreidimensional sein kann, ist immer dann problemlos möglich, wenn die relativen Positionen der Sensorelemente, die Daten empfangen, zueinander bekannt sind. Dann kann den einzelnen Sensorelementen ein Bereich zugeordnet werden, in dem seine Daten gelten, wobei durchaus auch Verfahren denkbar sind, die eine Interpolation zwischen Sensorelementen erlauben. Eine zweidimensionale Nahinfrarotspektroskopiekarte entsteht, indem die bei Gehirnuntersuchungen häufig in Form einer Haube vorgesehenen Sensoranordnungen bezüglich der Messfläche betrachtet werden; es sind selbstverständlich auch dreidimensionale Nahinfrarotspektroskopiekarten denkbar, die die komplette dreidimensionale Anordnung der Sensorelemente zueinander berücksichtigen.
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Problematisch bei der Nahinfrarotspektroskopie ist, dass diese keinerlei anatomische Strukturen zeigt. Das bedeutet, die Zuordnung zu anatomischen Strukturen kann allenfalls anhand der noch bekannten Position des Sensorelements am Patienten grob beurteilt werden. Genauere anatomische Zuordnungen sind jedoch nicht möglich. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Nahinfrarotspektroskopie funktional zur Überwachung von chirurgischen Eingriffen, insbesondere minimalinvasiven Eingriffen am Gehirn, eingesetzt werden soll. Es ist dann äußerst schwierig, die gemessenen Nahinfrarotspektroskopiedaten konkreten anatomischen Bereichen oder Strukturen zuzuordnen. Mithin werden, insbesondere bei minimalinvasiven Eingriffen im menschlichen Gehirn, heute häufig Röntgen-Perfusionsmessungen zur Überwachung und Kontrolle des Therapieerfolgs eingesetzt. Diese belasten allerdings den Patienten, was die Strahlung angeht, enorm, und fordern eine Unterbrechung des Eingriffs. Zwar würde die Nahinfrarotspektroskopie funktional als ein Surrogat für die Perfusionsmessung gelten, jedoch erweist sich der Mangel an anatomischem Bezug als Problem.
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Aus der Publikation Jolanda J. Wentzel u. a., In Vivo 3D Distribution of Lipid-Core Plaque in Human Coronary Artery as Assessed by Fusion of Near Infrared Spectroscopy-Intravascular Ultrasound and Multislice Computed Tomography Scan, In. American Heart Association, 2010, DOI: 10.1161/CIRCIMAGING.110.958850 ist die überlagerte Darstellung von intravaskulären Ultraschall-Bildern und Computertomographie-Bildern bekannt. Die gegenseitige Registrierung wird jedoch nicht näher erläutert.
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Aus der Druckschrift
US 2014/0051975 A1 ist die Überlagerung von Magnetresonanztomographie-Bildern mit ersten und zweiten optischen Bildern bekannt.
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Aus der Druckschrift
US 2010/0240971 A1 ist eine Vorrichtung zur graphischen Darstellung der Funktion des Nervensystems und des Sauerstoffgehalts im Hirn bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu realisierende, insbesondere im Rahmen von minimalinvasiven Eingriffen am Gehirn einsetzbare Möglichkeit anzugeben, anatomische Informationen und Nahinfrarotspektroskopiekarten zueinander in Beziehung zu setzen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit einer Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung mit mehreren Sensorelementen einer Sensoranordnung ein Nahinfrarotspektroskopiedatensatz des Zielbereichs aufgenommen wird und unter Verwendung einer Ortsinformation der Sensorelemente und einer Zuordnung von Nahinfrarotspektroskopiedaten zu dem Sensorelement, mit dem diese aufgenommen wurden, zu einer Nahinfrarotspektroskopiekarte ausgewertet wird und bei im Vergleich zur Aufnahme des Nahinfrarotspektroskopiedatensatzes unbewegter Sensoranordnung und unbewegtem Zielbereich mit einer Röntgeneinrichtung ein dreidimensionaler Anatomiebilddatensatz aufgenommen wird, in dem wenigstens ein Teil der Sensorelemente sichtbar ist, wonach die Sensorelemente in dem Anatomiebilddatensatz segmentiert und lokalisiert werden und die Nahinfrarotspektroskopiekarte und der Anatomiebilddatensatz auf Grundlage der bekannten Positionen der Sensorelemente bezüglich der Nahinfrarotspektroskopiekarte und in dem Anatomiebilddatensatz registriert werden.
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Es werden mithin die hochaufgelöste Röntgenbildgebung und die funktionelle Mehrkanalnahinfrarotspektroskopie kombiniert, um die funktionellen Nahinfrarotspektroskopiedaten in einen Zusammenhang zu anatomischen Merkmalen setzen zu können. Während die Nahinfrarotspektroskopie keine hochauflösende Darstellung von anatomischen Strukturen erlauben kann, bietet die zweidimensionale und dreidimensionale Röntgenbildgebung genau diese Möglichkeit, gemeinsam mit der vorteilhaften Erkenntnis, dass die weiterhin am Zielbereich angeordneten Sensorelemente in der Röntgenbildgebung hervorragend und somit segmentierbar abgebildet werden. Nachdem die Positionen der Sensorelemente aber zum einen die Konstruktion der Nahinfrarotspektroskopiekarte bestimmen, zum anderen aber auch in dem Anatomiebilddatensatz zu erkennen sind, ist es mithin möglich, diese Positionen einander zuzuordnen und eine Registrierung zwischen dem Koordinatensystem der Nahinfrarotspektroskopiekarte und der Röntgeneinrichtung zu erhalten. Aufgrund der anderen geometrischen Darstellung, die für Mehrkanalinfrarotspektroskopiedaten häufig verwendet wird, wird es sich in den meisten Fällen um eine nichtstarre Registrierung handeln, das bedeutet, es liegt eine nicht rigide Transformation zwischen dem Koordinatensystem der Nahinfrarotspektroskopiekarten und der Röntgeneinrichtung vor. Vorteilhaft im Rahmen der Registrierung ist zudem, dass für die Mehrkanalnahinfrarotspektroskopie eine große Anzahl von Sensorelementen verwendet wird, die meist in einer bestimmten Anordnung zueinander stehen, beispielsweise bei Verwendung einer Haube oder dergleichen, was die Registrierung aufgrund der vielen für beide Koordinatensysteme bekannten Positionen weiter vereinfacht.
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Damit ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise, einen Kombinationsdatensatz durch wenigstens teilweise Fusion der Nahinfrarotspektroskopiekarte und des Anatomiebilddatensatzes zu ermitteln und darzustellen. Auf diese Weise können mithin Darstellungen erzeugt werden, die die Nahinfrarotspektroskopiedaten im anatomischen Kontext anzeigen.
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Besonders zweckmäßig lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen eines chirurgischen Eingriffs, insbesondere also auch der Überwachung eines chirurgischen Eingriffs, einsetzen, worauf im Folgenden hinsichtlich einer Fluoroskopieüberwachung noch näher eingegangen werden wird. Werden nämlich insbesondere wiederholt Mehrkanalnahinfrarotspektroskopieaufnahmen durchgeführt, entsteht eine Methode, um in Echtzeit den Einfluss der Intervention auf den Zielbereich nachvollziehen zu können. Das bedeutet, insbesondere bei unbewegter Sensoranordnung relativ zum Zielbereich lassen sich auch während des Eingriffs wiederholt und unkompliziert aktuelle funktionelle Daten aus dem Zielbereich gewinnen, die aufgrund der Registrierung mit dem Anatomiebilddatensatz relativ zur Anatomie, beispielsweise in der Kombinationsdarstellung, angezeigt werden können. Es ist mithin zweckmäßig, während und/oder nach dem chirurgischen Eingriff wenigstens eine weitere aktuelle Nahinfrarotspektroskopiekarte zu ermitteln und den Kombinationsdatensatz anhand der aktuellen Nahinfrarotspektroskopiekarte zu aktualisieren. Auf diese Weise stellt die Nahinfrarotspektroskopie ein echtes Surrogat für eine Röntgen-Perfusionsmessung dar, die in einen laufenden Eingriff nicht sinnvoll integriert werden konnte. Somit wird der durchführenden Person eine Echtzeit-Steuerung des chirurgischen Eingriffs durch Feedback zur Funktion (Nahinfrarotspektroskopiekarte) gegeben.
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Besonders vorteilhaft lassen sich derartige Kombinationsdatensätze oder auch die Echtzeit-Überwachung eines Eingriffs hinsichtlich der Funktionalität anwenden, wenn der Zielbereich das Gehirn eines Patienten umfasst und als Nahinfrarotspektroskopiekarte eine Oxygenierungskarte bestimmt wird. Wie bereits erwähnt wurde, bietet die Mehrkanalnahinfrarotspektroskopie eine Methode, um in Echtzeit die Hirnoxygenierung und somit auch den Einfluss eines Eingriffs auf die Hirnoxygenierung, mithin Durchblutung, zu bestimmen. Die Nahinfrarotspektroskopiekarte zeigt in diesem Fall die kortikale Oxygenierung als Surrogat für eine Perfusionsmessung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Segmentierung der Sensorelemente schwellwertbasiert und/oder unter Verwendung von Vorwissen, insbesondere bezüglich der Geometrie und/oder Schwächungseigenschaften und/oder der relativen Anordnung der Sensorelemente, erfolgt. Nachdem Sensorelemente meist sehr stark schwächende Materialien, beispielsweise metallische Bestandteile, enthalten, zeichnen sie sich deutlich im Anatomiebilddatensatz ab, so dass eine schwellwertbasierte Segmentierung, die einfach zu realisieren ist, vorteilhaft einsetzbar ist. Dabei kann ferner Vorwissen berücksichtigt werden, nicht nur bezüglich der eben erwähnten Schwächungseigenschaften, sondern auch bezüglich der Geometrie und/oder der relativen Anordnung der Sensorelemente, was auch im Rahmen einer Plausibilitätsüberprüfung innerhalb der Segmentierung Anwendung finden kann. Vorwissen kann genutzt werden, um den Schwellwert anzupassen, den Suchbereich einzuschränken und dergleichen. Verwendbare konkrete Segmentierungsalgorithmen sind im Stand der Technik bereits bekannt und müssen hier nicht näher dargelegt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn eine Bildüberwachung eines insbesondere minimalinvasiven Eingriffes an dem Patienten erfolgt, wobei mit der Röntgeneinrichtung zweidimensionale Fluoroskopiebilder des Zielbereichs aufgenommen werden und unter Berücksichtigung der Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz und der Nahinfrarotspektroskopiekarte eine Registrierung zwischen der Nahinfrarotspektroskopiekarte und den Fluoroskopiebildern zum Zweck der gemeinsamen Informationsdarstellung ermittelt wird, insbesondere wenigstens ein Teil der Nahinfrarotspektroskopiedaten dem Fluoroskopiebild überlagert dargestellt wird. Wird mithin dieselbe räumliche Anordnung und dieselbe Röntgeneinrichtung zur Aufnahme von Fluoroskopiebildern zur Überwachung der Intervention genutzt, lässt sich die Registrierung problemlos auf die Fluoroskopiebilder der Röntgeneinrichtung übertragen, wobei es zudem auch denkbar ist, zunächst eine Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz und den Fluoroskopiebildern zu errechnen, welche dann dennoch die Herleitung einer Transformation aus dem Koordinatensystem der Nahinfrarotspektroskopiekarte in das Koordinatensystem der Fluoroskopiebilder, mithin das aktuelle Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung, erlaubt. Dadurch ist nun die Möglichkeit gegeben, den Fluoroskopiebildern, die beispielsweise ein bei dem Eingriff verwendetes Instrument zeigen, Nahinfrarotspektroskopiedaten zu überlagern, um diese Informationen in konkreten Kontext zu dem Eingriff zu setzen.
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Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung in diesem Zusammenhang sieht vor, dass wiederholt weitere Aufnahmen weiterer, aktueller Nahinfrarotspektroskopiedaten mit der Sensoranordnung erfolgen und jeweils die aktuellen Nahinfrarotspektroskopiedaten in der Informationsdarstellung verwendet werden. Werden mithin die Live-Fluoroskopiebilder mit Live-Nahinfrarotspektroskopiekarten bzw. Teilen davon dargestellt, kann die den Eingriff durchführende Person in Echtzeit den Einfluss seiner Maßnahmen, beispielsweise einer Gefäßrekanalisation, auf die lokale Durchblutung beobachten. Beispielsweise kann bei einem Eingriff am Gehirn die aktuelle kortikale Oxygenierung gemessen werden und auf die aktuellen Fluoroskopiebilder überlagert dargestellt werden.
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Zweckmäßigerweise können auch wenigstens ein Teil der Anatomiedaten in der Informationsdarstellung verwendet werden. Das bedeutet, es kann auch das grundsätzlich im Stand der Technik bekannte Vorgehen hier zusätzlich eingesetzt werden, in den Fluoroskopiebildern gegebenenfalls nicht deutlich genug sichtbare anatomische Strukturen in die Informationsdarstellung einzubinden, insbesondere, indem wenigstens ein Teil der Anatomiebilddaten bzw. daraus abgeleitete Daten dem Fluoroskopiebild überlagert dargestellt werden.
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Im Idealzustand werden die Fluoroskopiebilder aufgenommen, ohne dass eine Bewegung der Sensoranordnung relativ zum Patienten oder eine Bewegung des Patienten relativ zu der Röntgeneinrichtung auftritt, so dass die Gültigkeit der ursprünglichen Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz und dem Koordinatensystem, das durch die Sensoranordnung definiert wird, erhalten bleibt. In der Realität kann es jedoch auftreten, dass es zu, meist kleineren, Relativbewegungen kommt.
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In diesem Zusammenhang sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass die Sensorelemente auch in den Fluoroskopiebildern segmentiert und im Hinblick auf Registrierungsfehler, insbesondere durch Bewegung, ausgewertet werden. Nachdem die Sensorelemente bereits in der Röntgenbildgebung des Anatomiebilddatensatzes deutlich zu erkennen waren, ist davon auszugehen, dass sie auch innerhalb der Fluoroskopiebilder leicht zu erkennen sind und daher dort ebenso segmentiert werden können. Aufgrund der Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz und der Nahinfrarotspektroskopiekarte, also des Koordinatensystems der Röntgeneinrichtung zur Aufnahme des Anatomiebilddatensatzes und dem Koordinatensystem, das durch die Sensoranordnung definiert wird und der Nahinfrarotspektroskopiekarte zugrunde liegt, existieren Erwartungswerte, wo die Sensorelemente in den Fluoroskopiebildern zu sehen sein sollten. Abweichungen von diesen Soll-Positionen stellen mithin einen Hinweis auf einen Registrierungsfehler dar, der üblicherweise aufgrund einer Bewegung eintritt, und können entsprechend ausgewertet werden. In diesem Sinne dient die Position der Sensorelemente letztlich als „Bewegungs-Tracker”, so dass mithin Registrierungsfehler als Indikatoren für eine Bewegung, insbesondere des Patienten, dienen.
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Dabei ist es in diesem Zusammenhang besonders zweckmäßig, wenn eine automatische Nachführung der Registrierungen anhand der in dem Fluoroskopiebild segmentierten Sensorelemente erfolgt und/oder bei einer einen Schwellwert überschreitenden Abweichung von der Registrierung eine Warninformation an einen Benutzer ausgegeben wird. Die Positionen der Sensorelemente in dem Fluoroskopiebild, konkret deren Abweichung von der aufgrund der Registrierung erwarteten Position, können mithin genutzt werden, um die Registrierung zu aktualisieren, mithin nachzuführen. Auf diese Weise kann durch das Nachverfolgen der Sensorelemente in den Fluoroskopiebildern eine Bewegungskompensation erreicht werden. Sind die Abweichungen zu groß, als dass noch eine verlässliche Nachführung der Registrierung möglich wäre, kann dies über eine Warninformation einem Benutzer mitgeteilt werden, welcher dann gegebenenfalls einen neuen dreidimensionalen Anatomiebilddatensatz aufnehmen kann, um die Registrierung zu aktualisieren oder dergleichen.
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Vorzugsweise kann der Anatomiebilddatensatz mit wenigstens einem weiteren Bilddatensatz, insbesondere einem zuvor aufgenommenen Bilddatensatz oder einem mit einer anderen Modalität aufgenommenen Bilddatensatz, registriert sein oder werden, wobei unter Verwendung der Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz und der Nahinfrarotspektroskopiekarte eine Registrierung zwischen dem weiteren Bilddatensatz und der Nahinfrarotspektroskopiekarte ermittelt wird. Neben Fluoroskopiebildern lässt sich über den Anatomiebilddatensatz mithin auch mit einer Vielzahl weiterer Bilddatensätze eine Registrierung herstellen, um die darin enthaltenen Informationen mit den Informationen der Nahinfrarotspektroskopiekarte in Beziehung setzen zu können, mithin beispielsweise, um insbesondere überlagerte Darstellungen zu erzeugen und/oder zu ergänzen. Bei den weiteren Bilddatensätzen kann es sich im Falle eines Eingriffs beispielsweise um präoperative Planungs- und/oder Diagnosebilddatensätze handeln; auch weitere, während eines Eingriffs genutzte Datenquellen können jedoch eingehen.
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Konkret kann als weiterer Bilddatensatz ein Bilddatensatz der digitalen Subtraktionsangiographie und/oder ein Perfusionsbilddatensatz verwendet werden, die insbesondere mit der Röntgeneinrichtung aufgenommen wurden. Insbesondere bei Eingriff im Blutgefäßsystem eines Patienten kann es zweckmäßig sein, auch digitale Subtraktionsangiographie zu betreiben, mithin ein anatomisch möglichst korrektes Abbild des Blutgefäßsystems zu erhalten, welches dann mit der Durchblutung in Verbindung gesetzt werden kann, wenn eine Registrierung mit aufgenommenen Nahinfrarotspektroskopiekarten vorliegt. Perfusionsmessungen, insbesondere mit derselben Röntgeneinrichtung, mit der auch der Anatomiebilddatensatz aufgenommen wurde, können die funktionalen Daten der Nahinfrarotspektroskopiekarte vorteilhaft ergänzen, wenn nicht ohnehin die Nahinfrarotspektroskopie als alleiniges Surrogat für die Perfusionsmessung genutzt wird.
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Die weiteren Bilddatensätze müssen jedoch nicht zwangsläufig mit der Röntgeneinrichtung aufgenommen werden, sondern es sind eine Vielzahl weiterer Bilddatensätze denkbar, die beispielsweise über anatomische Merkmale mit dem Anatomiebilddatensatz und darüber mit der Nahinfrarotspektroskopiekarte registriert werden können. Beispiele hierfür sind Magnetresonanzbilddatensätze, Ultraschallbilddatensätze, Computertomographiebilddatensätze und dergleichen.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass bei einer Aufnahme von Nahinfrarotspektroskopiedaten zu verschiedenen Zeitpunkten eine vierdimensionale Nahinfrarotspektroskopiekarte ermittelt wird. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, statische Röntgenaufnahmen, insbesondere den Anatomiebilddatensatz, mit einer vierdimensionalen funktionalen Information, insbesondere zur Perfusion, zu ergänzen. Auf diese Weise werden auch zeitliche Abläufe verdeutlicht und somit die Informationsbasis verbessert.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Röntgeneinrichtung mit einer integrierten Nahinfrarotspektroskopie-Sensoranordnung verwendet wird. Dabei kann zweckmäßigerweise auch die gesamte Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung in die Röntgeneinrichtung integriert sein. Somit ist eine Kombinationseinrichtung gegeben, die sowohl die Röntgenbildgebung als auch die Nahinfrarotspektroskopie erlaubt und aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Informationsfusion der jeweils aufgenommenen Daten ermöglicht, nachdem diese aufgrund der Registrierung im gleichen Koordinatensystem betrachtet werden können.
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In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, dass die Sensoranordnung in einer bekannten räumlichen Beziehung zu einem Röntgenstrahler und einem Röntgendetektor der Röntgeneinrichtung angeordnet wird, insbesondere mittels eines vorgesehenen Befestigungsmittels der Röntgeneinrichtung. Dann kann zweckmäßigerweise die Registrierung der Koordinatensysteme der Röntgeneinrichtung und mittels der Sensoranordnung bestimmter Nahinfrarotspektroskopiekarten im Rahmen einer Kalibrierungsmessung ermittelt und bei späteren diagnostischen Messungen verwendet werden. Der Anatomiebilddatensatz, der zur Herstellung der Registrierung verwendet wird, muss dann nicht zwangsläufig anatomische Merkmale eines Patienten enthalten, sondern es ist ausreichend, wenn dieser die Sensoranordnung zeigt. Da jedoch ein Anatomiebilddatensatz meist ohnehin aufgenommen wird, insbesondere durch eine Rotation eines C-Bogens um den Patienten, um die anatomischen Informationen auch für die Überlagerung bei der Fluoroskopiebildgebung oder dergleichen zur Verfügung zu haben, kann die beschriebene Kalibrierung selbstverständlich auch vorbereitend zu jeder Messung vorgenommen werden. Allerdings kann dann die bekannte räumliche Beziehung der Sensoranordnung zu dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor auch zweckmäßig genutzt werden, um den Registrierungsvorgang durch Einbeziehung dieses Wissens robuster zu gestalten.
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Dabei kann die Sensoranordnung der Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung beispielsweise in einer Kopfschale einer Patientenliege mit der Röntgeneinrichtung integriert werden. Ein Patient ist dabei so zu fixieren, dass er einen konstanten Kontakt mit dieser Kopfschale hat und die Signalübertragung nicht gestört wird. In Fällen, in denen die Sensorelemente der Sensoranordnung nicht im Röntgenbild sichtbar sind, beispielsweise in Fluoroskopiebildern, kann vorgesehen sein, dass diese Kopfschale selbst und/oder an der Kopfschale vorgesehene Marker so positioniert sind, dass sie in den Röntgenaufnahmen, hier des Gehirns, immer zu sehen sind, so dass das Koordinatensystem der Kopfschale und somit der Sensoranordnung immer überwacht werden kann, was für die Nachverfolgung der Patientenbewegung, wie sie dargelegt wurde, relevant sein kann. Es existiert also eine rigide Verbindung zwischen der Kopfschale, den Sensorelementen und den Markern.
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Es kann mithin vorgesehen sein, dass in fester geometrischer Beziehung zu den Sensorelementen, insbesondere an einem Träger für die Sensoranordnung, wenigstens ein in dem Anatomiebilddatensatz und/oder den Fluoroskopiebildern sichtbarer Marker angeordnet ist, der bei der Ermittlung der Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz und der Nahinfrarotspektroskopiekarte und/oder bei einer Prüfung auf Registrierungsfehler berücksichtigt wird. Dabei wird darauf hingewiesen, dass ein solcher Träger für die Sensoranordnung, beispielsweise die Kopfschale, es auch erlauben kann, dass für Untersuchungen, in denen die Nahinfrarotspektroskopie nicht benötigt wird, die Sensoranordnung, gegebenenfalls auch gemeinsam mit dem Träger, entfernt werden kann.
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Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Röntgeneinrichtung, aufweisend eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung.
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Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung übertragen, so dass auch mit dieser die bereits genannten Vorteile erhalten werden können. Mithin ist es besonders zweckmäßig, wenn die Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung mit der Sensoranordnung in die Röntgeneinrichtung integriert ist, wobei die Steuereinrichtung dann bevorzugt zur Steuerung des Aufnahmebetriebs sowohl der Röntgendaten als auch der Nahinfrarotspektroskopiedaten ausgebildet ist.
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Die Röntgeneinrichtung kann ferner als eine C-Bogen-Röntgeneinrichtung ausgebildet sein, so dass sie einen C-Bogen aufweist, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind. Derartige C-Bogen-Röntgeneinrichtungen lassen sich insbesondere im Umfeld eines minimalinvasiven Eingriffs hervorragend einsetzen, da durch die Bewegungsmöglichkeiten die aus dem Röntgendetektor und dem Röntgenstrahler gebildete Aufnahmeanordnung aus dem Eingriffsbereich entfernt werden kann. Ist die Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung in die Röntgeneinrichtung integriert, ergibt sich mit einer solchen Röntgeneinrichtung ein hervorragendes Hilfsmittel bei der Durchführung von minimalinvasiven Eingriffen im Blutgefäßsystem des Gehirns. Dreidimensionale Aufnahmen lassen sich mit einer derartigen Röntgeneinrichtung beispielsweise durch Rotation des C-Bogens um den Zielbereich erstellen, wobei zweidimensionale Projektionsbilder unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommen werden, aus denen auf bekannte Art und Weise ein dreidimensionaler Bilddatensatz rekonstruiert werden kann. Dieses Verfahren ist im Stand der Technik auch unter dem Schlagwort „DynaCT” bekannt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine schematische Darstellung eines Anatomiebilddatensatzes,
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3 eine schematische Darstellung einer Nahinfrarotspektroskopiekarte,
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4 eine schematische Darstellung eines Kombinationsdatensatzes,
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5 eine Informationsdarstellung während eines minimalinvasiven Eingriffs, und
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6 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll im Folgenden für den Anwendungsfall eines vorgesehenen minimalinvasiven Eingriffs am Blutgefäßsystem des Gehirns eines Patienten genauer dargelegt werden, das bedeutet, der Zielbereich ist hier das Gehirn bzw. der Teil eines Gehirns des Patienten. Bei der Vorbereitung des minimalinvasiven Eingriffs wird nun zunächst der Patient auf einem Patiententisch so positioniert, dass Sensorelemente einer Sensoranordnung einer Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung möglichst benachbart den interessierenden Bereichen des Gehirns des Patienten zu liegen kommen. Die Sensorelemente weisen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Sender und/oder Empfänger für Nahinfrarotstrahlung auf, wobei ein Sensorelement einen Sender und einen Empfänger enthalten kann oder ein Sensorelement jeweils nur einen Sender oder einen Empfänger enthält. Vorliegend sind die Sensorelemente in einer Kopfschale der Patientenliege eingebettet, so dass ihre relative geometrische Anordnung bekannt ist. Der Patient wird bevorzugt in der aktuellen Lage fixiert, um Bewegungen möglichst weitgehend zu vermeiden. Der Kopf des Patienten befindet sich nun nicht nur innerhalb der Kopfschale, sondern auch im Drehzentrum eines C-Bogens einer Röntgeneinrichtung, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgendetektor und ein Röntgenstrahler angeordnet sind.
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In einem Schritt S1 wird nun mit der Röntgeneinrichtung ein dreidimensionaler Anatomiebilddatensatz des Kopfes des Patienten aufgenommen. Hierzu wird der C-Bogen um den Patienten gedreht, so dass unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen zweidimensionale Projektionsbilder des Kopfes aufgenommen werden können, aus denen auf bekannter Art und Weise ein dreidimensionaler Anatomiebilddatensatz konstruiert werden kann, beispielsweise durch gefilterte Rückprojektion oder dergleichen. Nachdem die Sensorelemente selbst recht stark die Röntgenstrahlung schwächen, sind sie in den Projektionsbildern und mithin auch in dem Anatomiebilddatensatz zu erkennen. Ein Beispiel für einen solchen Anatomiebilddatensatz 1 zeigt 2 schematisch. Ersichtlich sind darin sowohl die Anatomie 2 des Kopfes des Patienten als auch die Sensorelemente 3 der Sensoranordnung 4 zu erkennen.
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Aufgrund der gut erkennbaren Sensorelemente 3 ist es in einem Schritt S2 nun möglich, mittels eines schwellwertbasierten Segmentierungsalgorithmus, der auch Vorwissen über die Sensorelemente 3 nutzt, konkret deren Schwächungseigenschaften, deren Geometrie und deren räumliche Anordnung zueinander, die Position der Sensorelemente 3 im Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung und somit auch des Anatomiebilddatensatzes zu bestimmen.
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Bei im Vergleich zur Aufnahme des Anatomiebilddatensatzes im Schritt S1 unverändert positioniertem Patienten und unverändert positionierter Sensoranordnung 4 wird nun in einem Schritt S3 auch eine Aufnahme von Nahinfrarotspektroskopiedaten mit der Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung unter Verwendung der Sensoranordnung 4 durchgeführt. Nachdem die empfangenen Nahinfrarotspektroskopiedaten den empfangenden Sensorelementen 3 zugeordnet werden können, stellen diese die räumlichen Bezugspunkte für eine Aufbereitung der Nahinfrarotspektroskopiedaten in einer Nahinfrarotspektroskopiekarte dar, was in einem Schritt S4 geschieht. Eine derartige Nahinfrarotspektroskopiekarte kann eindimensional oder zweidimensional sein, was insbesondere auch davon abhängig ist, wie genau die räumliche Anordnung der Sensorelemente 3 vorbekannt ist. Insbesondere jedoch deren Nachbarschaftsbeziehung und grobe Anordnung sollte bekannt sein, um die tatsächlich vorhandenen Sensorelemente im weiteren Verlauf auch den segmentierten Sensorelementen 3 des Anatomiebilddatensatzes 1 zuordnen zu können.
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Ein Beispiel für eine Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 ist in 2 schematisch dargestellt. Die Nahinfrarotspektroskopiedaten, die darin aufgrund der aufnehmenden Sensorelemente 3 räumlich zugeordnet sind, beschreiben die kortikale Oxygenierung im Gehirn des Patienten, die beispielsweise farbcodiert abgebildet werden kann, was vorliegend durch die unterschiedlich schraffierten Bereiche 6 symbolisiert ist. Ersichtlich enthält die Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 keinerlei Informationen zur Anatomie 2.
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Um die Nahinfrarotspektroskopiekarte in Bezug zu dem Anatomiebilddatensatz 1 setzen zu können, mithin eine Registrierung zwischen dem Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung und dem gegebenenfalls auf Annahmen beruhenden Koordinatensystem der Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 herzustellen, wird eben diese Tatsache genutzt, dass Positionen der Sensorelemente 3 zum einen durch die Segmentierung in Schritt S2 in dem Anatomiebilddatensatz 1 bekannt sind, zum anderen aber auch die Grundlage der Erstellung der Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 darstellen, die Positionen der Sensorelemente 3 also in dem der Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 zugrundeliegenden Koordinatensystem bekannt sind. Können nun die segmentierten Sensorelemente 3 und die Nahinfrarotspektroskopiedaten aufnehmenden, der Karte 5 zugrundeliegenden Sensorelemente einander zugeordnet werden, lässt sich eine Transformationsvorschrift ableiten, die Daten aus dem Koordinatensystem der Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 in das des Anatomiebilddatensatzes 1 überführt und umgekehrt. Eine Registrierung ist somit gegeben, die insbesondere bei nicht exakt bekannter relativer Anordnung der Sensorelemente 3 seitens der Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung nicht rigide sein kann. Diese Zuordnung und Registrierung findet im Schritt S5 statt.
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Noch in Vorbereitung des minimalinvasiven Eingriffes kann die Registrierung in einem Schritt S6 genutzt werden, um einen Kombinationsdatensatz durch wenigstens teilweise Fusion der Nahinfrarotspektroskopiekarte 5 und des Anatomiebilddatensatzes 1 zu ermitteln und darzustellen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn, nachdem es häufig um die Zuordnung der Nahinfrarotspektroskopiedaten zu der Anatomie 2 gehen wird, auf bekannte Art und Weise der Anatomiebilddatensatz 1 vor der Fusion um die Sensorelemente 3 bereinigt wird, damit diese keinen störenden Einfluss haben können. Nachdem sich die Sensorelemente 3 außerhalb des Gehirns befinden, können zweckmäßigerweise diese Anteile für die Zwecke der Fusion einfach der Betrachtung entzogen werden. Der Kombinationsdatensatz kann auf einer geeigneten Anzeigevorrichtung, beispielsweise einem Monitor der Röntgeneinrichtung, zur Anzeige gebracht werden.
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4 zeigt ein Beispiel für einen derartigen Kombinationsdatensatz 7 schematisch. Zu erkennen ist ein Gefäßbaum 8 als Teil der Anatomie 2, überlagert von wiederum durch farbliche Codierung dargestellten Nahinfrarotspektroskopiedaten, vgl. die Bereiche 9. Beispielsweise kann hier erkannt werden, dass im rechts oben in 4 gelegenen Bereich eine geringere Oxygenierung, mithin eine geringere Durchblutung vorliegt. Dort könnte beispielsweise der zu beseitigende Gefäßverschluss vorliegen.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass, falls der Anatomiedatensatz 1 mit weiteren Bilddatensätzen, beispielsweise präoperativen Magnetresonanzbilddatensätzen, registriert ist oder werden kann, selbstverständlich auch Informationen aus diesen weiteren präoperativen Bilddatensätzen in den Kombinationsdatensatz 7 eingehen kann.
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Nun wird die Intervention begonnen und es soll eine Bildüberwachung dieses minimalinvasiven Eingriffs stattfinden, die idealerweise auch funktionale Informationen zur Durchblutung liefert. Hierzu ist in einem Schritt S7 vorgesehen, während des minimalinvasiven Eingriffs Fluoroskopiebilder, also zweidimensionale Röntgenbilder geringer Röntgendosis, mit der Röntgeneinrichtung aufzunehmen, gleichzeitig jedoch auch regelmäßig neue Nahinfrarotspektroskopiedaten und somit Nahinfrarotspektroskopiekarten aufzunehmen. Die Fluoroskopiebilder können dabei dazu dienen, die Position eines für den minimalinvasiven Eingriff benutzten Instruments, beispielsweise eines Katheters, anzuzeigen, während die aktuellen weiteren Nahinfrarotspektroskopiedaten eine Beobachtung des Behandlungsfortschritts in Echtzeit erlauben können. Dazu ist es zweckmäßig, eine Informationsdarstellung mit Nahinfrarotspektroskopiedaten und Daten der Fluoroskopiebilder zu erzeugen, in die zweckmäßigerweise auch Anatomiebilddaten des Anatomiebilddatensatzes 1 eingehen. Eine derartige Informationsdarstellung kann ermittelt werden, nachdem die Fluoroskopiebilder auch mit der Röntgeneinrichtung aufgenommen werden, mithin eine Registrierung der Fluoroskopiebilder zu dem Anatomiebilddatensatz 1 ohnehin gegeben ist und sich somit die Registrierung zwischen dem Anatomiebilddatensatz 1 und dem Koordinatensystem der Nahinfrarotspektroskopiekarten 5 auf die Fluoroskopiebilder übertragen lässt.
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Eine beispielhafte Informationsdarstellung 10 ist in 5 schematisch dargestellt. Diese zeigt das Instrument 11 aus den Fluoroskopiebildern, eine Gefäßstruktur 12 als Teil der Anatomie 2 aus dem Anatomiebilddatensatz 1 sowie farblich überlagert, wie durch die Bereiche 13 angedeutet, Nahinfrarotspektroskopiedaten.
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Für die Informationsdarstellung 10 der 5 wurde als Grundlage das Fluoroskopiebild selbst verwendet. Die anderen Strukturen/Farbcodierungen sind überlagert. Mithin ist 5 auch zu sehen, dass im dargestellten Ausschnitt der Informationsdarstellung 10 ein Sensorelement 3 aus dem Fluoroskopiebild zu erkennen ist. Nachdem aufgrund der Registrierung die Sensorelemente 3 an einer bestimmten Position im Fluoroskopiebild erwartet werden, bietet sich hier die Möglichkeit, eine Überprüfung auf mögliche Registrierungsfehler aufgrund von Bewegungen, insbesondere Bewegungen des Patienten, vorzunehmen, was im Schritt S8 geschieht. Dort werden die Sensorelemente 3 auch in den Fluoroskopiebildern segmentiert und ein Vergleich mit den Soll-Positionen aufgrund der Registrierung vorgenommen. Tritt eine einen Schwellwert überschreitende Abweichung auf, wird mit Schritt S9 fortgefahren, in dem die Registrierung der Bewegung nachgeführt wird. Das bedeutet, die Registrierung wird aufgrund der aktuellen Daten über die Position der Sensorelemente 3 aktuell gehalten. Es kann auch ein zweiter Schwellwert vorgesehen sein, was hier nicht näher dargestellt ist, der eine zu große Abweichung beschreibt und für die Ausgabe einer Warninformation an einen Benutzer sorgt.
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Ist eine Aktualisierung der Registrierung nach der Überprüfung in Schritt S8 nicht notwendig, wird mit Schritt S10 fortgefahren. Dort wird überprüft, ob die Bildüberwachung des minimalinvasiven Eingriffs beendet werden soll. Ist dies nicht der Fall, wird gemäß Pfeil 14 im Schritt S7 mit der Aufnahme neuer Daten fortgefahren, um die Informationsdarstellung 10 aktuell zu halten.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass durchaus Fälle denkbar sind, in denen die Sensorelemente 3 in den Fluoroskopiebildern nicht sichtbar sind. Hierzu kann vorgesehen sein, dass an einem Träger für die Sensoranordnung, vorliegend beispielsweise der Kopfschale, in einem aufgenommenen Bereich wenigstens ein schematisch auch in 5 dargestellter Marker 15 vorgesehen ist, der in einer festen räumlichen Beziehung zu der Sensoranordnung steht. Dann kann die Überprüfung im Schritt S8 auch auf Grundlage der erwarteten Position dieses wenigstens einen Markers 15 erfolgen.
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In einem Schritt S11 kann nach Beendigung des minimalinvasiven Eingriffs noch eine Abschlussbetrachtung durchgeführt werden. Beispielsweise ist es denkbar, als Kontrollaufnahmen weitere Bilddatensätze mit der Röntgeneinrichtung aufzunehmen und Kombinationsdarstellungen mit Nahinfrarotspektroskopiedaten zu erzeugen. Derartige Kontrollaufnahmen können beispielsweise in Form von Perfusionsmessungen und/oder Aufnahmen der digitalen Subtraktionsangiographie erfolgen.
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6 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 17, in die die Mehrkanal-Nahinfrarotspektroskopieeinrichtung integriert ist. Die Röntgeneinrichtung 17 weist einen C-Bogen 18 auf, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 19 und ein Röntgendetektor 20 angeordnet sind. Der C-Bogen 18 ist um eine Patientenliege 21 schwenkbar ausgebildet, um Röntgenbilder unter verschiedenen Projektionsrichtungen aufnehmen zu können. Er wird von einem geeigneten Stativ 22 getragen, an dem auch die Drehlagerung realisiert ist. Mit dem Röntgendetektor 20 aufgenommene Daten werden an eine hier nur schematisch dargestellte Steuereinrichtung 23 übermittelt, wo die entsprechenden Bilddatensätze erstellt werden, welche dann beispielsweise an einer Anzeigevorrichtung 24 dargestellt werden können.
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An der Patientenliege 21 ist als Träger für die Sensoranordnung 4 eine Kopfschale 25 vorgesehen. Daten der Sensorelemente 3 der Sensoranordnung 4 werden ebenso an die Steuereinrichtung 23 übermittelt, welche mithin auch zur Ermittlung von Nahinfrarotspektroskopiekarten ausgebildet ist. Damit ist die beschriebene Integration gegeben. An der Kopfschale 25 können im Übrigen auch die erwähnten Marker 15 vorgesehen sein.
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Die Steuereinrichtung 23 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, das bedeutet, sie kann die Komponenten der Röntgeneinrichtung 17 zur Aufnahme von Röntgenbilddaten bzw. Nahinfrarotspektroskopiedaten ansteuern, Bilddatensätze und Nahinfrarotspektroskopiekarten hieraus ermitteln, eine Registrierung aufgrund der Positionen der Sensorelemente 3 vornehmen, Informationsdarstellungen und Kombinationsdatensätze ermitteln und dergleichen. Hierfür können geeignete Rekonstruktionseinheiten, Registrierungseinheiten, Darstellungseinheiten und dergleichen vorgesehen sein.
