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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes mittels elektronischer Stimulation. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zum Optimieren der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge beim Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale eines Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen Weiterhin betrifft die Erfindung ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Instruktionen zum Optimieren der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge beim Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale eines Gewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen sowie eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes.
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Im Rahmen von neurochirurgischen Eingriffen zur Resektion von Tumorgewebe ist das Ziel des Chirurgen die komplette Entfernung des malignen Gewebes bei gleichzeitiger Erzhaltung und gezielter Schonung von gesundem, funktionstragendem Gewebe. Nach der Öffnung des Schädels und der Freilegung der Hirnoberfläche lassen sich diese verschiedenen Gewebetypen im freigelegten Gehirngewebeabschnitt rein visuell in vielen Fällen nicht voneinander unterscheiden, was das Erreichen der genannten Eingriffsziele erschwert. Eine Möglichkeit, den Chirurgen bei der Unterscheidung der Gewebetypen zu unterstützen, stellt die Verbindung von optischer Bildgebung und direkter kortikaler Stimulation dar. Bei dieser Methode wird der freigelegte Kortex (eine dünne Schicht aus Nervenzellen am äußeren Rand des Gehirns) punktuell mit Bipolarelektroden elektrisch stimuliert. Gleichzeitig werden die Antworten auf die Stimulation in Form von Änderungen der optischen Eigenschaften des kortikalen Gewebes zum Beispiel mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. Anhand der so erfassten Änderungen der optischen Eigenschaften des kortikalen Gewebes wird auf den funktionellen Zustand und/oder den Gewebetyp im Bereich der Stimulation geschlossen. Verfahren, bei denen vor und/oder während einer Stimulation Bilder aufgenommen und die funktionstragenden Gehirnareale durch Auswerten der aufgenommenen Bilder ermittelt werden, sind beispielsweise in Oelschlägel et al. „Intraoperative optical imaging of metabolic changes after a direct cortical simulation - a clinical tool for guidance during tumor resection?“ in Biomed. Eng. Biomed. Tech. 2018, online erschienen am 05.02.2018, erhältlich unter https://doi.org/10.1515/bmt-2017-0156, in
US 9,095,255 B2 und in
US 9,801,549 B2 beschrieben.
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Die oben beschriebene Prozedur muss mehrfach lokal verteilt wiederholt werden, um den gesamten freigelegten Hirngewebeabschnitt zu erfassen, um somit eine ganzheitliche Aussage über den gesamten freigelegten Hirngewebeabschnitt treffen zu können. Bei den herkömmlichen Verfahren werden die Stimulationen einzeln und nacheinander durchgeführt. Beispielsweise ist in Oelschlägel et al. „Intraoperative optical imaging of metabolic changes after a direct cortical simulation - a clinical tool for guidance during tumor resection?“ in Biomed. Eng. Biomed. Tech. 2018, online erschienen am 05.02.2018, erhältlich unter https://doi.org/10.1515/bmt-2017-0156 beschrieben, dass am Stimulationsort Bilddaten einer 30-sekündigen Ruheperiode, einer 5-sekündigen Stimulationsperiode und einer 85-sekündigen Poststimulationsperiode aufgenommen werden, was für jede Stimulation in einer Länge des Datensatzes von 120 Sekunden resultiert. Dieses Vorgehen findet in der Praxis bspw. Anwendung beim Mapping der Sprachfunktionalität am Wachpatienten. Im Falle von beispielsweise zehn verschiedenen Stimulationen würde dieses Vorgehen eine Dauer von mindestens 20 Minuten erfordern. Der Abfrageprozess dauert somit mehrere Minuten, und bei vielen Stimulationen besteht die Gefahr, dass der Chirurg den Überblick über die bereits abgefragten Stimulationsorte verliert. Dadurch besteht das Risiko, dass nicht der gesamte freigelegte Hirngewebeabschnitt untersucht wird. Zudem unterbricht die lange Untersuchungsdauer durch die nacheinander durchgeführten Stimulationen den therapeutischen Eingriff, und das Ergebnis ist nicht zwingend vollständig aussagekräftig.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe zur Verfügung zu stellen, welches weniger Zeit als die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfordert.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein computerimplementiertes Verfahren zum Optimieren der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge beim Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale eines Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen zur Verfügung zu stellen, das eine rasche Durchführung der Stimulationsprozedur ermöglicht.
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Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Instruktionen zum Optimieren der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge beim Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale eines Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen zur Verfügung zu stellen, das eine derartige Optimierung der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge ermöglicht, dass die Stimulationsprozedur rasch durchgeführt werden kann.
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Schließlich ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes mittels elektrischer Stimulation zur Verfügung zu stellen, mit der eine rasche Durchführung der Stimulationsprozedur möglich ist.
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Die genannten Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe nach Anspruch 1, durch ein computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 12, durch ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 16 sowie eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe nach Anspruch 17 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes mittels elektrischer Stimulation umfasst die Schritte:
- - Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale des Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen des Gehirngewebeabschnittes, insbesondere kortikalen Gehirngewebebereichen des Gehirngewebeabschnittes, wobei ein aktivierter Gehirngewebebereich funktionstragendes Gehirngewebe des Gehirngewebeabschnittes kennzeichnet;
- - Aufnehmen wenigstens eines Bildes oder einer Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation; und
- - Vergleich eines während und/oder nach wenigstens einer Stimulation aufgenommenen Bildes bzw. einer während und/oder nach wenigstens einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz mit einem Referenzbild bzw. einer Referenzvideosequenz des Gehirngewebeabschnittes ohne Stimulation, um die Lage wenigstens eines bei der Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches im Gehirngewebeabschnitt zu ermitteln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei Stimulationen aus der Anzahl von elektrischen Stimulationen unmittelbar nacheinander oder gleichzeitig durchgeführt werden und das Aufnehmen eines Bildes oder einer Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach jedem Durchführen einer der wenigstens zwei Stimulationen oder während und/oder nach dem gleichzeitigen Durchführen der wenigstens zwei Stimulationen erfolgt.
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Mit anderen Worten, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nicht vor jeder Stimulation ein Referenzbild aufgenommen, sondern es erfolgen wenigstens zwei Stimulationen gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander, ohne dass dazwischen ein Referenzbild aufgenommen wird. Dadurch kann die von Oelschlägel et al. beschriebene Aufnahme von Bilddaten einer 30-sekündigen Ruhephase zwischen den zwei Stimulationen entfallen, wodurch die für die Durchführung der Stimulationsprozedur erforderliche Zeitdauer reduziert werden kann.
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Die für die Durchführung der Stimulationsprozedur benötigte Zeitdauer kann besonders effektiv reduziert werden, wenn lediglich ein einziges Referenzbild oder eine einzige Referenzvideosequenz des Gehirngewebeabschnittes vor dem Durchführen der Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale des Gehirngewebeabschnittes aufgenommen wird. Insbesondere besteht dabei die Möglichkeit, dass jeder Vergleich eines während und/oder nach wenigstens einer Stimulation aufgenommenen Bildes bzw. einer während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz mit demselben einzigen Referenzbild bzw. derselben einzigen Referenzvideosequenz erfolgt. In dem eingangs beschriebenen Beispiel, indem für zehn Stimulationsorte 20 Minuten benötigt werden, wäre dann nur ein Referenzbild nötig, so dass nur einmal ein Bild von einer 30-sekündigen Ruhephase aufgenommen werden müsste. Die weiteren 9 Referenzbilder können entfallen, so dass 9 x 30 Sekunden, also 4,5 Minuten eingespart werden. Die für die Stimulationsprozedur benötigte Zeit ist daher gegenüber dem eingangs genannten Beispiel mit 15,5 Minuten um fast ein Viertel reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass die Anzahl der Stimulationen, die zugehörigen Stimulationsorte im Gehirngewebeabschnitt und die Reihenfolge der elektrischen Stimulationen derart optimiert sind, dass sich die durch die unterschiedlichen Stimulationen aktivierten Gehirngewebebereiche einander räumlich nicht überlappen und/oder sich durch unterschiedliche Stimulation hervorgerufene einander räumlich überlappende Aktivierungen der Gehirngebewebereiche zeitlich nicht überlappen. Das Ergebnis der Optimierung kann dann abgespeichert werden und während der Stimulationsprozedur abgerufen werden, um die Stimulationsprozedur mit der optimierten Anzahl an Stimulationen, den optimierten Stimulationsorten im Gehirngewebeabschnitt und der optimierten Reihenfolge der elektrischen Stimulationen durchzuführen. Die Optimierung ermöglicht es, eine Simulationsprozedur zur Verfügung zu stellen, die besonders rasch durchzuführen ist.
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Das Optimieren der Anzahl der Stimulationen, der zugehörigen Stimulationsorte im Gehirngewebeabschnitt und der Reihenfolge der elektrischen Stimulationen kann dabei insbesondere die Schritte umfassen:
- - Ermitteln einer bei einer Stimulation eines Areals des Gehirngewebeabschnittes zur erwartenden Flächenausdehnung des durch die Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches;
- - Ermitteln einer zum Abdecken der Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes benötigten Anzahl an Stimulationen und der zugehörigen Stimulationsorte aus der Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes und der ermittelten zu erwartenden Flächenausdehnung des aktivierten Gehirngewebebereiches;
- - Festlegen einer Reihenfolge der Stimulationen mit den jeweiligen Stimulationsorten im Gehirngewebeabschnitt unter Berücksichtigung der Abklingdauer einer durch eine Stimulation verursachten Aktivierung eines Gehirngewebebereiches für die ermittelte Anzahl an Stimulationen derart, dass aufeinanderfolge Stimulationsorte räumlich so weit voneinander entfernt sind, dass die durch die jeweilige Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander nicht überlappen und/oder die Stimulationen an räumlich nahe beieinanderliegenden Stimulationsorten in einem so langen zeitlichen Abstand erfolgen, dass die aus der Stimulation des einen der räumlichen nahe beieinanderliegenden Stimulationsorte resultierende Aktivierung abgeklungen ist, wenn die Stimulation des anderen der räumlich nahe beieinanderliegenden Stimulationsorte erfolgt.
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Typische Abklingdauern sind dabei 30 bis 60 Sekunden. Mit der beschriebenen Optimierung wird somit eine Stimulationsreihenfolge ermittelt, in der räumlich nahe beieinanderliegende Stimulationsorte in größerem zeitlichen Abstand zur Stimulation herangezogen werden als räumlich weit voneinander entfernte Stimulationsorte. Dabei ist es sogar möglich, dass räumlich weit genug voneinander entfernte Stimulationsorte gleichzeitig stimuliert werden, wenn die durch die Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander räumlich nicht überlappen. Durch die gleichzeitige Stimulation ist eine weitere Reduzierung der für die Durchführung des Stimulationsprozesses benötigten Zeit möglich.
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Das Ermitteln der bei einer Stimulation eines Areals des Gehirngewebeabschnittes zu erwartenden Flächenausdehnung des aktivierten Gehirngewebebereiches kann beispielsweise anhand eines während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Kalibrierungsbildes oder einer während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Kalibrierungsvideosequenz erfolgen. Die Flächenaktivierung des aktivierten Gehirngewebebereiches kann dann beispielsweise durch Vergleich des Kalibrierungsbildes bzw. der Kalibrierungsvideosequenz mit einem Referenzbild bzw. einer Referenzvideosequenz, die das Gehirnareal ohne Stimulation zeigt, ermittelt werden. Typischerweise sind die Flächenausdehnungen der aktivierten Gehirngewebebereiche weitgehend unabhängig von dem Stimulationsort, so dass die für die Stimulationsprozedur benötigte Anzahl an Stimulationen im einfachsten Fall dadurch ermittelt werden kann, dass die Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes durch die Flächenausdehnung des aktivierten Gehirngewebebereiches dividiert wird. Ausgefeiltere Verfahren können Maximalabstände zwischen den Stimulationsorten und/oder erhöhte Mindestabstände zwischen den Stimulationsorten aufeinanderfolgender Stimulationen berücksichtigen. Durch die Maximalabstände wird zwar die Anzahl der Stimulationsorte, und damit die Anzahl der benötigten Stimulationen, gegebenenfalls etwas erhöht, jedoch wird das Risiko, dass ein Teil des Gehirngewebeabschnitts aufgrund einer überschätzten zu erwartenden Flächenausdehnung durch die Stimulationsprozedur nicht abgedeckt ist, vermindert. Die Maximalabstände zwischen den einzelnen Stimulationsorten ermöglichen es daher, sicherzustellen, dass der gesamte Gehirngewebeabschnitt in der Stimulationsprozedur abgedeckt ist, selbst wenn einzelne aktivierte Gehirngewebebereiche eine kleinere Flächenausdehnung als die zu erwartende Flächenausdehnung aufweisen. Die erhöhten Mindestabstände zwischen den Stimulationsorten aufeinanderfolgender Stimulationen ermöglichen es, einen unbeabsichtigten Überlapp der durch die aufeinanderfolgenden Stimulationen aktivierten Gehirngewebebereiche aufgrund einer Varianz der Flächenausdehnung unterschiedlicher aktivierter Gehirngewebebereiche zu vermeiden.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem die Position und/oder die Orientierung einer zur Stimulation verwendeten Elektroden unter Berücksichtigung der Richtung, unter der das Aufnehmen des wenigstens einen Bildes oder der Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation erfolgt, derart optimiert sein, dass von den Elektroden verursachte Überdeckungen des aktivierten Gehirngewebebereiches in dem während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Bild oder in der während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz minimiert sind. Zusätzlich oder alternativ kann die Position und/oder Orientierung der zur Stimulation verwendeten Elektroden unter Berücksichtigung der Beleuchtungsrichtung derart optimiert sein, dass von den Elektroden verursachten Schattenwürfe im Gehirngewebeabschnitt in dem während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Bild oder in der während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz minimiert sind. Durch geeignetes Aufeinanderabstimmen der Beleuchtungsrichtung und der Richtung, unter der das Aufnehmen des wenigstens einen Bildes oder der Videosequenz erfolgt, wird es möglich, eine erhebliche Minimierung der Schattenwürfe unter gleichzeitiger deutlichen Minimierung der Überdeckungen zu erreichen.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zum Aufnehmen eines Bildes oder einer Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation eine einzige Videosequenz aufgenommen werden, welche die gesamte Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale des Gehirngewebeabschnittes erfasst, so dass die gesamte Stimulationsprozedur in einer einzigen Videosequenz wiedergegeben werden kann. Bei Bedarf können aus dieser Videosequenz Einzelbilder, die bestimmte aktivierte Gehirngewebebereiche zeigen, extrahiert werden.
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Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zum Optimieren der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge beim Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale eines Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen des Gehirngewebeabschnittes umfasst die Schritte:
- - Ermitteln einer bei einer Stimulation eines Areals des Gehirngewebeabschnittes zur erwartenden Flächenausdehnung des durch die Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches;
- - Ermitteln einer zum Abdecken der Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes benötigten Anzahl an Stimulationen und der zugehörigen Stimulationsorte aus der Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes und der ermittelten zu erwartenden Flächenausdehnung des aktivierten Gehirngewebebereiches;
- - Festlegen einer Reihenfolge der Stimulationen mit den jeweiligen Stimulationsorten im Gehirngewebeabschnitt unter Berücksichtigung der Abklingdauer einer durch eine Stimulation verursachten Aktivierung eines Gehirngewebebereiches für die ermittelte Anzahl an Stimulationen derart, dass aufeinanderfolge Stimulationsorte räumlich derart weit voneinander entfernt sind, dass die durch die jeweilige Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander nicht überlappen und/oder die Stimulation an räumlich nahe beieinanderliegenden Stimulationsorten in einem derart langen zeitlichen Abstand erfolgen, dass die aus der Stimulation des einen der räumlichen nahe beieinanderliegenden Stimulationsorte resultierende Aktivierung abgeklungen ist, wenn die Stimulation des anderen der räumlich nahe beieinanderliegenden Stimulationsorte erfolgt.
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Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren ermöglicht die Optimierung der Stimulationsreihenfolge für das erfindungsgemäße Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe auf einem Computer.
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Im erfindungsgemäßen computerimplementierten Verfahren kann die bei einer Stimulation eines Areals des Gehirngewebeabschnittes zu erwartende Flächenausdehnung des aktivierten Gehirngewebebereiches anhand eines während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Kalibrierungsbildes oder einer während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Kalibrierungsvideosequenz ermittelt werden. Hierzu reicht in der Regel eine einzelne Stimulation eines einzigen Areals des Gehirngewebeabschnittes, d. h. eine einzige Stimulation an einem einzigen Stimulationsort des Gehirngewebeabschnittes, aus.
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Zudem kann das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren derart ausgestaltet sein, dass die Position und/oder Orientierung der zur Stimulation verwendeten Elektroden unter Berücksichtigung der Richtung, unter der das Aufnehmen des wenigstens einen Bildes oder der Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation erfolgt, derart optimiert wird, dass von Elektroden verursachte Überdeckungen des Gehirngewebeabschnittes in dem während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Bild oder der während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz minimiert sind. Zusätzlich oder alternativ kann das computerimplementierte Verfahren derart ausgestaltet sein, dass die Position und/oder Orientierung der zur Stimulation verwendeten Elektroden unter Berücksichtigung der Beleuchtungsrichtung derart optimiert wird bzw. werden, dass von den Elektroden verursachte Schattenwürfe in dem während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Bild oder in der während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz minimiert sind.
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Soweit zuvor im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe mit Bezug auf die Optimierung der Anzahl der Stimulationen, die gehörigen Stimulationsorte oder der Reihenfolge der Stimulationen weitere Einzelheiten beschrieben worden sind, gelten diese Einzelheiten für das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren entsprechend.
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Erfindungsgemäß wird zudem ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Instruktionen zum Optimieren der Stimulationsorte und der Stimulationsreihenfolge beim Durchführen einer Anzahl von elektrischen Stimulationen verschiedener Areale eines Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen des Gehirngewebeabschnittes zur Verfügung gestellt. Wenn die Instruktionen auf einem Computer ausgeführt werden, veranlassen sie den Computer dazu, die folgenden Schritte auszuführen:
- - Ermitteln der bei einer Stimulation eines Areals des Gehirngewebeabschnittes zur erwartenden Flächenausdehnung des durch die Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches;
- - Ermitteln der zum Abdecken der Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes benötigten Anzahl an Stimulationen und der zugehörigen Stimulationsorte aus der Gesamtfläche des Gehirngewebeabschnittes und der ermittelten zu erwartenden Flächenausdehnung des aktivierten Gehirngewebebereiches;
- - Festlegen der Reihenfolge der Stimulationen mit den jeweiligen Stimulationsorten im Gehirngewebeabschnitt unter Berücksichtigung der Abklingdauer einer durch eine Stimulation verursachten Aktivierung eines Gehirngewebebereiches für die ermittelte Anzahl an Stimulationen der Art, dass aufeinanderfolgende Stimulationsorte räumlich derart weit voneinander entfernt sind, dass die durch die jeweilige Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander nicht überlappen und/oder die Stimulationen an räumlich derart nahe beieinanderliegenden Stimulationsorten, dass die bei den jeweiligen Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander räumlich überlappen, in einem derart langen zeitlichen Abstand erfolgen, dass die aus der Stimulation des einen der räumlichen nahe beieinanderliegenden Stimulationsorte resultierende Aktivierung abgeklungen ist, wenn die Stimulation des anderen der räumlich nahe beieinanderliegenden Stimulationsorte erfolgt.
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Das erfindungsgemäße computerlesbare Speichermedium ermöglicht es, das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren in einen Computer zur Ausführung durch den Computer zu laden.
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Ausführungen, die hinsichtlich der Optimierung der Anzahl an Stimulationen, der Stimulationsorte oder der Stimulationsreihenfolge mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe und/oder mit Bezug auf das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren gemacht worden sind, gelten für die auf dem computerlesbaren Speichermedium gespeicherten Instruktionen bzw. die durch die Instruktionen veranlassten Schritte entsprechend.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes mittels elektrischer Stimulation umfasst:
- - wenigstens zwei Stimulationselektroden zum Stimulieren von Arealen des Gehirngewebeabschnittes zum Aktivieren von Gehirngewebebereichen des Gehirngewebeabschnittes, wobei ein aktivierter Gehirngewebebereich des Gehirngewebeabschnittes funktionstragendes Gehirngewebe des Gehirngewebeabschnittes kennzeichnet;
- - wenigstens eine Kamera zum Aufnehmen wenigstens eines Referenzbildes bzw. einer Referenzvideosequenz des Gehirngewebeabschnittes ohne Stimulation und wenigstens eines Bildes oder einer Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation; und
- - eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand des Vergleichs eines während und/oder nach wenigstens einer Stimulation aufgenommenen Bildes bzw. einer während und/oder nach wenigstens einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz mit einem Referenzbild bzw. einer Referenzvideosequenz des Gehirngewebeabschnittes ohne Stimulation die Lage wenigstens eines bei einer Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches im Gehirngewebeabschnitt zu ermitteln.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine Optimierungseinheit zum Optimieren der Anzahl der Stimulationen der zugehörigen Stimulationsorte und der Reihenfolge der Stimulationen aus.
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Mit Hilfe der Optimierungseinheit wird es möglich, die Stimulationsprozedur so zu optimieren, dass die zum Durchführen der Stimulationsprozedur benötigte Zeit minimiert wird. Die von der Optimierungseinheit durchgeführte Optimierung entspricht der mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe, mit Bezug auf das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren und mit Bezug auf das erfindungsgemäße computerlesbare Speichermedium beschriebenen Optimierung. Auf die entsprechenden Abschnitte wird daher verwiesen. In allen Fällen kann während der Durchführung der Stimulationsprozedur eine weitere Optimierung erfolgen, wobei dann beispielsweise eine Neuberechnung der Anzahl der Stimulationen und/oder der Stimulationsorte im Gehirngewebeabschnitt und/oder der Reihenfolge der elektrischen Stimulationen stattfindet. Insbesondere kann eine derartige Neuberechnung nach jeder Stimulation der Stimulationsprozedur erfolgen, so dass eine laufende Optimierung erfolgt.
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Als die wenigstens eine Kamera zum Aufnehmen wenigstens eines Referenzbildes bzw. einer Referenzvideosequenz des Gehirngewebeabschnittes ohne Stimulation und wenigstens eines Bildes oder einer Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation kann insbesondere eine in ein Operationsmikroskop integrierte Kamera dienen. Kameras sind in modernen Operationsmikroskopen in der Regel sowieso vorhanden und können für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, so dass eine zusätzliche Kamera zum Aufnehmen wenigstens eines Referenzbildes bzw. einer Referenzvideosequenz des Gehirngewebeabschnittes ohne Stimulation und wenigstens eines Bildes oder einer Videosequenz des Gehirngewebeabschnittes während und/oder nach einer Stimulation nicht nötig ist.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
- 1 zeigt eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes mittels elektrischer Stimulation in einer schematischen Darstellung.
- 2 zeigt ein Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines Gehirngewebeabschnittes mittels elektrischer Stimulation in Form eines Blockdiagrammes.
- 3 zeigt eine Darstellung, in der die Stimulationsorte und die Stimulationsreihenfolge bei der Stimulation eines Gehirngewebeabschnittes eingezeichnet ist.
- 4 zeigt das Optimieren der Anzahl der Stimulationen, der zugehörigen Stimulationsorte und der Reihenfolge der Stimulationen anhand eines Flussdiagramms.
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Eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe eines freigelegten Gehirngewebeabschnittes mittels elektrischer Stimulation wird nachfolgend mit Bezug auf die schematische Darstellung in 1 erläutert. Die Vorrichtung umfasst eine Aufnahmeeinheit für Bild- oder Videodaten, die im vorliegenden Beispiel als Farbkamera (RGB-Kamera) 1 ausgebildet ist. Sie kann jedoch auch als monochrome Kamera ausgebildet sein, der ein Spektralfilter vorgeschaltet ist, der bspw. so ausgestaltet sein kann, dass er einen schmalen Wellenlängenbereich, z. B. einen um 568 nm, 600 nm oder eine andere Wellenlänge zentreiten Bereich, passieren lässt. Bei Verwendung einer RGB-Kamera kann zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe der Grünkanal der Kamera Verwendung finden. Als Kamera 1 kann eine Kamera mit einem CCD-Sensor oder eine Kamera mit einem CMOS-Sensor Verwendung finden. Die Kamera 1 kann zudem Teil eines Operationsmikroskops sein, mit dem der freigelegte Gehirngewebeabschnitt 4 betrachtet wird.
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Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Beleuchtungseinrichtung, die im vorliegenden Beispiel eine Halogenglühlampe 2 als Weißlichtquelle und eine Beleuchtungsoptik 3 zum Herbeiführen einer homogenen Beleuchtung des freigelegten Gehirngewebeabschnittes 4, in dem funktionstragendes Gehirngewebe aufgefunden werden soll. Auch die Beleuchtungseinrichtung kann Teil des Operationsmikroskops sein, mit dem der freigelegte Gehirngewebeabschnitt 4 betrachtet wird.
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Zur Stimulation des Gehirngewebes im freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 ist eine bipolare Stimulationselektrode 5 vorhanden Die Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 befinden sich jeweils am Ende eines biegsamen Abschnitts 6A, 6B, so dass der Abstand zwischen den Polen 5A, 5B eingestellt werden kann. Die Steuerung der Stromstärke des zwischen den Polen 5A, 5B fließenden Stroms sowie die Dauer des Stromflusses werden von einer Stimulationssteuereinheit 7 gesteuert.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Optimierungseinheit 8, die dazu dient, zumindest die Anzahl der Stimulationen, die zugehörigen Stimulationsorte im freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 und die Reihenfolge der elektrischen Stimulationen zu optimieren. Daneben besteht auch die Möglichkeit, dass die Optimierungseinheit 8 einen optimierten Stimulationsstrom und/oder eine optimierte Stimulationsdauer ermittelt, welche dann an die Stimulationssteuereinheit 7 ausgegeben wird, die zu diesem Zweck mit der Optimierungseinheit 8 verbunden ist. Die Optimierungseinheit 8 ist darüber hinaus mit der Kamera 1 verbunden, um Bilddaten von der Kamera 1 zu empfangen, die im Rahmen einer Kalibrierungsmessung aufgenommen werden.
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Um dem Nutzer, das heißt dem behandelnden Chirurgen, die bei der Optimierung ermittelten Stimulationsorte sowie die ermittelte Stimulationsreihenfolge mitzuteilen, ist die Optimierungseinheit 8 mit einem Monitor 9 oder einer sonstigen Anzeigeeinheit verbunden, auf dem bzw. der die Stimulationsorte und die Stimulationsreihenfolge dargestellt wird. Zudem kann wenigstens eine der nachfolgenden Informationen auf dem Monitor 9 angezeigt werden: i) die Orientierung der zur Stimulation verwendeten Stimulationselektrode 5 bei der Stimulation; ii) die Richtung, aus der die Stimulationselektrode 5 an den jeweiligen Stimulationsort herangeführt werden soll; iii) die Stromstärke des Stroms, der während einer Stimulation zwischen den Polen 5A, 5B fließen soll; und iv) die Dauer des Stromflusses während einer Stimulation.
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Die Vorrichtung umfasst außerdem eine mit der Kamera verbundene Auswerteeinheit 10, mit der anhand von der Kamera während der Durführung der optimierten Stimulationsprozedur aufgenommener Videosequenzen funktionstragende Gehirngewebebereiche im freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 aufgefunden werden können. Die aufgefundenen funktionstragenden Gehirngewebebereiche werden nach Abschluss der Stimulationsprozedur auf dem Monitor 9 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Optimierungseinheit 8 und die Auswerteeinheit 10 in Form einer Software auf einem Computer 11 realisiert. Zudem kann auch die Stimulationssteuereinheit 7 in Form einer Software auf einem Computer 11 realisiert sein.
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Die gesamte Vorrichtung kann aus einzelnen Komponenten bestehen, wobei jedoch einzelne Komponenten auch gemeinsam in ein bestimmtes Gerät integriert werden können. Weiterhin besteht die Möglichkeit, alle Komponenten in ein einziges Gerät zu integrieren. Insbesondere können einige oder alle der Komponenten in ein Operationsmikroskop integriert sein. Die Optimierungseinheit 8 und/oder die Stimulationssteuereinheit 7 können zudem in einen Computer integriert sein, der mit den übrigen Komponenten, oder der Vorrichtung, in die die übrigen Komponenten integriert sind, verbunden ist. Beispielsweise können die Optimierungseinheit 8 und die Stimulationssteuereinheit 7 in einen mit einem Operationsmikroskop verbundenen Computer integriert sein, wobei die Beleuchtungsvorrichtung 2, 3 und die Kamera 1 in das Operationsmikroskop integriert sind. Die Stimulationselektrode 5 ist aber in allen Fällen ein eigenständiges Gerät, da sie vom Chirurgen unabhängig von den übrigen Komponenten gehandhabt werden muss, um sie an den angegebenen Stimulationsorten platzieren zu können.
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Das Verfahren zum Auffinden von funktionstragendem Gehirngewebe wird nachfolgend mit Bezug auf die 2 und 3 näher erläutert.
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Zu Beginn des Verfahrens können in einem optionalen Schritt S1 Kalibrierungs- und Datenerfassungsschritte durchgeführt werden, sofern die entsprechenden Daten nicht bereits mit Hilfe anderweitiger Kalibrierungs- und Datenerfassungsschritte erhalten wurden. Im Rahmen der Kalibrierungs- und Datenerfassungsschritte wird der Abstand zwischen den Polen 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 und/oder die komplette Geometrie der Stimulationselektrode 5 sowie die Abmessungen und der Abbildungsmaßstab des freigelegten Gehirngewebeabschnittes 4 erfasst. Diese Daten können entweder manuell eingegeben oder automatisiert erfasst werden. Manche dieser Daten können beispielsweise von einem Operationsmikroskop, das beim Durchführen der Operation Verwendung findet, übernommen werden. Beispielsweise können vom Operationsmikroskop die Abmessungen des freigelegten Gehirngewebeabschnittes und der Abbildungsmaßstab übernommen werden, sofern das Operationsmikroskop die Abmessungen des freigelegten Gehirngewebeabschnittes 4 und den Abbildungsmaßstab aus den gewonnenen Bilddaten ermittelt.
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Zudem kann im Rahmen der Kalibrierungs- und Datenerfassungsschritte von der Kamera 1 ein Bild des freigelegten Gehirngewebeabschnittes 4 aufgenommen werden, in dem bspw. mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware wichtige anatomische Bereiche, etwa einzelne Gyri (Gyrus: eine aus der Gehirnmasse hervortretende Gehirnwindungen) und/oder anatomische Landmarken, beispielsweise Sulci (Gräben), Gefäße etc. segmentiert werden. Dazu können unter anderem MRT-Daten (MRT: Magnetresonanztomografie), CT-Daten (CT: Computertomografie), interne Bildmerkmale, die anhand des aufgenommenen Bildes ermittelt werden, oder manuell durchgeführte Segmentierungen genutzt werden. Zudem besteht die Möglichkeit, für eine fakultative automatische Anpassung der Stimulationsstromstärke an anatomische und patientenindividuelle Gegebenheiten im Rahmen der Kalibrierung Kalibrierungsstimulationen durchzuführen.
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Im nachfolgenden Schritt S2 erfolgt zumindest eine Optimierung der Anzahl der in der Stimulationsprozedur zu verwendenden Stimulationen, der dazugehörigen Stimulationsorte im Gehirngewebeabschnitt und der Reihenfolge, in der die Stimulationen durchgeführt werden. Zusätzlich können auch die Orientierung der zur Stimulation verwendeten Stimulationselektrode 5 bei der Stimulation und/oder die Richtung, aus der die Stimulationselektrode 5 an den jeweiligen Stimulationsort herangeführt werden soll, optimiert werden. Das Optimierungsverfahren wird später mit Bezug auf 4 erläutert werden. Das Ergebnis der Optimierung wird dem Benutzer, also dem behandelnden Chirurgen, auf dem Monitor 9 visuell präsentiert, wie dies später beispielhaft mit Bezug auf 3 erläutert wird.
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In der in Schritt S2 optimierten Stimulationsreihenfolge erfolgen später die Stimulationen derart, dass bei der Abfolge der jeweiligen Stimulationen nachfolgende Stimulationen niemals die durch vorangehende Stimulationen hervorgerufenen optischen Antworten des jeweils aktivierten Gehirngewebebereiches beeinflussen (beispielsweise durch Schattenwurf, Verdeckungen durch Stimulationselektroden etc.). Die im Rahmen der Kalibrierung segmentierten anatomischen Bereiche werden im Rahmen der Optimierung S2 dabei dazu verwendet zu vermeiden, dass sich größere Gefäße oder Sulci zwischen den Polen einer Stimulationselektrode befinden.
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Die 3 zeigt den freigelegten Gehirngewebeabschnitt, der durch die Grenzlinie 12 markiert ist. Innerhalb der Grenzlinie 12 sind auf dem Monitor Stimulationsorte A1 bis A8 markiert, wobei die Nummerierung die Reihenfolge angibt, in der die einzelnen Stimulationen durchgeführt werden sollen. Die mit einer Linie miteinander verbundenen Kreise an den jeweiligen Stimulationsorten zeigen dabei die Platzierungen der Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 - und somit die Orientierung der Stimulationselektrode 5 bei der Stimulation an. Die Stimulationsorte A1 und A2, welche durch mit eng schraffierten Linien ausgefüllte Kreise dargestellt sind, repräsentieren in der vorliegenden Darstellung diejenigen Stimulationsorte, die bereits stimuliert worden sind. Der Stimulationsort A3, bei dem die Kreise mit weniger eng schraffierten Linien ausgefüllt sind, repräsentiert denjenigen Ort, an dem die aktuelle Stimulation durchzuführen ist, und die Stimulationsorte A4 bis A8 mit den nicht ausgefüllten Kreisen repräsentieren diejenigen Stimulationsorte, die noch nicht stimuliert worden sind bzw. nicht den aktuell zu stimulierenden Stimulationsort darstellen. Für den aktuell zu stimulierenden Stimulationsort sind neben der Nummer der Stimulation in der Stimulationsreihenfolge auch die Stromstärke, mit der die Stimulation durchzuführen ist, die Stimulationsdauer und der Zeitpunkt des Stimulationsbeginns angegeben. Daneben zeigt ein Richtungspfeil 13 an, aus welcher Richtung die Stimulationselektrode 5 angesetzt werden soll, um für möglichst wenig Überdeckung von Gehirngewebe durch die angesetzte Stimulationselektrode 5 und möglichst wenig Schattenwurf im freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 zu sorgen.
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Nachdem in Schritt S2 die Optimierung durchgeführt worden ist, erfolgt in Schritt S3 die Aufnahme einer Videosequenz des freigelegten Gehirngewebebereiches, ohne dass eine Stimulation stattfindet. Diese Videosequenz dient als Referenzvideosequenz, die anschließend mit Videosequenzen der einzelnen Stimulationen verglichen wird, um anhand der beim Vergleich aufgefundenen Unterschiede in den aufgenommenen Videosequenzen die durch die jeweilige Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche des freigelegten Gehirngewebeabschnitts 4 kenntlich zu machen. Zum Auffinden der Unterschiede werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Intensitäten im grünen Wellenlängenbereich verglichen. Die Stimulation führt zu einer erhöhten Durchblutung des aktivierten Gehirngewebebereiches, was wiederum zu einer erhöhten Absorption im grünen Wellenlängenbereich führt. Durch eine Differenzbildung zwischen der Referenzvideosequenz einerseits und einer während und/oder nach einer Stimulation aufgenommenen Videosequenz andererseits können die Stellen erhöhter Absorption im Gehirngewebeabschnitt als helle Stellen im Differenzbild kenntlich gemacht werden, welche dann den aktivierten Gehirngewebebereich kennzeichnen.
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Wenn nun in Schritt S4 nacheinander eine Stimulation der im Rahmen des Optimierungsverfahrens festgelegten Stimulationsorte in der ebenfalls festgelegten Stimulationsreihenfolge, wie sie in 3 dargestellt ist, durchgeführt wird, können anhand eines Vergleichs der während und/oder nach der jeweiligen Stimulation aufgenommenen Videosequenz mit der Referenzvideosequenz die durch die einzelnen Stimulationen jeweils aktivierten Gehirngewebebereiche des freigelegten Gehirngewebeabschnitts 4 festgestellt werden. Da die aktivierten Gehirngewebebereiche jeweils funktionstragendes Gehirngewebe repräsentieren, erhält der Chirurg einen Überblick darüber, wo sich das funktionstragende Gehirngewebe im freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 befindet.
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Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel für jede Stimulation eine eigene Videosequenz während und/oder nach der jeweiligen Stimulation aufgenommen wird, kann das Verfahren auch so durchgeführt werden, dass eine Gesamtvideosequenz aufgenommen wird, die alle Stimulationen umfasst. Die Differenzbildung aus der Gesamtvideosequenz und der Referenzvideosequenz führt dann dazu, dass die aktivierten Gehirngewebebereiche in der resultierenden Differenzvideosequenz nacheinander sichtbar werden.
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Insbesondere da im Rahmen des vorliegenden Verfahrens lediglich eine einzige Referenzvideosequenz aufgenommen werden muss, verkürzt sich die zur Durchführung der Stimulationsprozedur benötigte Zeit erheblich. Die beschriebene Differenzbildung erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren im Rahmen des Schrittes S5, der die Auswertung der aufgenommenen Videosequenzen repräsentiert.
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Das Optimieren der Anzahl der Stimulationen, der zugehörigen Stimulationsorte im freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 und der Reihenfolge der elektrischen Stimulationen wird nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben, die ein Flussdiagramm des Optimierungsverfahrens zeigt.
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Nachdem das Optimierungsverfahren in Schritt S201 gestartet worden ist, erfolgt in Schritt S202 ein Berechnen der zu erwartenden Flächenausdehnung eines durch eine Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches. Die Berechnung erfolgt auf der Basis eines Bildes, das bspw. im Rahmen der in Schritt S1 durchgeführten Kalibrierungs- und Datenerfassungsschritte vom freigelegten Gehirngewebeabschnitt 4 nach einer Stimulation an einem bestimmten Ort des Gehirngewebeabschnittes 4 aufgenommen worden ist, und das mit einem bspw. ebenfalls im Rahmen der in Schritt S1 durchgeführten Kalibrierungs- und Datenerfassungsschritte aufgenommenen Referenzbild ohne Stimulation verglichen wird. Typischerweise wird das für die Kalibrierung verwendete Bild an einem Ort des freigelegten Gewebeabschnittes 4 aufgenommen, an dem die kleinste Flächenausdehnung eines aktivierten Gehirngewebebereiches zu erwarten ist. Dadurch wird zwar ein Überlapp der aktivierten Gehirngewebebereiche in Kauf genommen, jedoch kann verhindert werden, dass aufgrund einer zu groß abgeschätzten Flächenausdehnung Teile des freigelegten Gewebeabschnittes 4 im Rahmen der Stimulationsprozedur nicht im Hinblick auf eine Aktivierung durch Stimulation überprüft werden.
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Anhand der in Schritt S202 berechneten zu erwartenden (minimalen) Flächenausdehnung eines aktivierten Gehirngewebebereiches werden in Schritt S204 die benötigte Anzahl an Stimulationen und die zugehörigen Stimulationsorte berechnet, wobei bei der Wahl der Stimulationsorte noch keine anatomischen Gegebenheiten Berücksichtigung finden. Zum Berechnen der benötigten Anzahl an Stimulationen kann im einfachsten Fall die Gesamtfläche des freigelegten Gehirngewebeabschnittes 4 durch die zu erwartende Flächenausdehnung eines aktivierten Gehirngewebebereiches geteilt werden. Am Ende des Verfahrens kann die Anzahl der letztendlich benötigten Stimulationsorte höher sein als die durch die beschriebene Division erhaltene Anzahl, da bei der endgültigen Wahl der Stimulationsorte anatomische Gegebenheiten wie Sulci oder Gefäße berücksichtigt werden müssen. So sollen zwischen den Polen 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 möglichst keine Sulci oder große Gefäße verlaufen. Die Optimierung der Stimulationsorte im Hinblick auf die anatomischen Gegebenheiten erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel anhand der mit Bezug auf die Verfahrensschritte S205 bis S215 beschriebenen Optimierungsroutine.
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Schritt S205 markiert den Beginn der Optimierungsroutine, in der für jeden in Schritt S204 ermittelten Stimulationsort die Position und Orientierung der Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 optimiert werden.
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In Schritt S206 wird geprüft, ob ein Abbruchkriterium, welches anzeigt, dass eine Optimierung für einen der in Schritt S204 ermittelten Stimulationsorte nicht möglich ist, vorliegt. Als Abbruchkriterium kann bspw. eine vorgegebene Anzahl an erfolglosen Optimierungsversuchen für einen Stimulationsort dienen. Wenn das Abbruchkriterium erfüllt ist, d.h. wenn im genannten Beispiel die vorgegebene Anzahl an erfolglosen Optimierungsversuchen erreicht ist, wird die Optimierungsroutine beendet und das Verfahren kehrt zu Schritt S204 zurück, wo die Anzahl an Stimulationen und die zugehörigen Stimulationsorte unter Verwendung alternativer Parameter berechnet werden. Bspw. kann bei der Neuberechnung ein kleinerer Wert für die Flächenausdehnung eines aktivierten Gehirngewebebereiches angesetzt werden, so dass die Neuberechnung zu einer höheren Anzahl an Stimulationsorten führt.
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Falls in Schritt S206 dagegen festgestellt wird, dass das Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S207 fort, in dem beim ersten Durchlauf der erste Stimulationsort und in den darauffolgenden Durchläufen der nächste Stimulationsort ausgewählt wird. Für den ausgewählten Stimulationsort wird dann in Schritt S208 geprüft, ob die Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 auf verschiedenen Seiten des Gefäßes oder eines Sulcus angeordnet sind. Ist dies der Fall, schreitet das Verfahren zu Schritt S209 fort, in dem die Position der Stimulationselektrode 5 und/oder die Orientierung der Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 verändert wird bzw. werden. In Schritt S210 wird sodann geprüft, ob die in Schritt S209 vorgenommene Änderung dazu führt, dass die Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 nun nicht mehr auf verschiedenen Seiten eines großen Gefäßes oder eines Sulcus liegen. Wird dies bejaht, schreitet das Verfahren zu Schritt S211 fort. Andernfalls kehrt das Verfahren unter Angabe eines Abbruchkriteriums zu Schritt S206 zurück. In einer Variante der Optimierungsroutine wird die Position der Stimulationselektrode 5 und/oder die Orientierung der Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 mehrfach verändert, und es wird nach jeder Veränderung geprüft, ob die Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 nicht mehr auf verschiedenen Seiten eines großen Gefäßes oder eines Sulcus liegen. Erst wenn die Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 nach einer vorgebeben Anzahl an Veränderungen der Position der Stimulationselektrode 5 und/oder der Orientierung der Pole 5A, 5B noch immer auf verschiedenen Seiten des Gefäßes oder eines Sulcus angeordnet sind, kehrt das Verfahren unter Angabe des Abbruchkriterium zu Schritt 206 zurück. Falls in Schritt S208 dagegen festgestellt wird, dass die Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 nicht auf verschiedenen Seiten des Gefäßes oder eines Sulcus angeordnet sind, schreitet das Verfahren direkt zu Schritt 211 fort.
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In Schritt 211 erfolgt eine Überprüfung dahingehend, ob die in der aktuellen Optimierung gefundene Position der Stimulationselektrode 5 in der ebenfalls gefundenen Orientierung ihrer Pole 5A, 5B zu einem aktivierten Gehirngewebebereich führt, der mit einem anderen aktivierten Gehirngewebebereich überlappt. Ist dies der Fall, schreitet das Verfahren zu Schritt S212 fort, in dem die Position der Elektrode 5 und/oder die Orientierung ihrer Pole 5A, 5B verändert wird, um den Überlapp zu minimieren oder zu beseitigen. Wird in Schritt S213 dann festgestellt, dass der Überlapp minimiert oder beseitigt ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S214 fort. Andernfalls kehrt das Verfahren unter Angabe eines Abbruchkriteriums zu Schritt S206 zurück. Auch bei der Optimierung im Hinblick auf den Überlapp besteht die Möglichkeit, die Position der Stimulationselektrode 5 und/oder die Orientierung der Pole 5A, 5B der Stimulationselektrode 5 mehrfach zu verändern, und nach jeder Veränderung zu prüfen, ob der Überlapp minimiert oder beseitigt ist. Erst wenn der Überlapp nach einer vorgebeben Anzahl an Veränderungen der Position der Stimulationselektrode 5 und/oder der Orientierung der Pole 5A, 5B noch immer nicht beseitigt oder hinreichend minimiert ist, kehrt das Verfahren unter Angabe des Abbruchkriteriums zu Schritt 206 zurück. Falls in Schritt S211 dagegen festgestellt wird, dass kein Überlapp vorliegt, schreitet das Verfahren direkt zu Schritt 214 fort.
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In Schritt S214 wird geprüft wird, ob für alle in Schritt S204 ermittelten Stimulationsorte eine Optimierung der Position der Stimulationselektrode 5 und der Orientierung der Pole 5A, 5B stattgefunden hat. Ist dies der Fall, schreitet das Verfahren zu Schritt S215 fort, in dem die Optimierungsroutine beendet wird, bevor das Verfahren zu Schritt S216 fortschreitet. Andernfalls kehrt das Verfahren zu Schritt S207 zurück, und die Optimierungsroutine führt die Optimierung der Position der Stimulationselektrode 5 und der Orientierung ihrer Pole 5A, 5B für den nächsten in Schritt S204 ermittelten Stimulationsort durch.
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In Schritt S216 erfolgt schließlich eine Optimierung der Reihenfolge, mit der die ermittelten Stimulationsorte stimuliert werden, sowie der Richtung, aus der die Stimulationselektrode 5 an den jeweiligen Stimulationsort herangeführt wird. Dabei wird die Richtung, aus der die Stimulationselektrode 5 an den jeweiligen Stimulationsort herangeführt wird, unter Berücksichtigung der Beleuchtungsrichtung und der Aufnahmerichtung derart optimiert, dass möglichst keine Überdeckung des durch die Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiches erfolgt und der aktivierte Gehirngewebebereich auch nicht abgeschattet wird. Beim Optimieren der Stimulationsreihenfolge werden die Stimulationsorte zeitlich so sortiert, dass unter Berücksichtigung der Abklingdauer einer durch eine Stimulation verursachten Aktivierung eines Gehirngewebebereiches aufeinanderfolgende Stimulationsorte räumlich derart weit voneinander entfernt sind, dass die durch die jeweilige Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander nicht überlappen und/oder die Stimulationen an räumlich derart nahe beieinander liegenden Stimulationsorten, dass die durch die jeweilige Stimulation aktivierten Gehirngewebebereiche einander räumlich überlappen, in einem derart langen zeitlichen Abstand erfolgen, dass die aus der Stimulation des einen der räumlich nahe beieinander liegenden Stimulationsorte resultierende Aktivierung abgeklungen ist, wenn die Stimulation des anderen der räumlich nahe beieinander liegenden Stimulationsorte erfolgt.
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Nachdem die Reihenfolge, mit der die Stimulationsorte stimuliert werden, sowie die Richtung, aus der die Stimulationselektrode an die jeweiligen Stimulationsorte herangeführt wird, optimiert worden sind, schreitet das Verfahren zu Schritt S217 fort, in dem geprüft wird, ob ein vorgegebenes Qualitätskriterium für die ermittelte Reihenfolge erfüllt ist. Ist dies der Fall, wird das Optimierungsverfahren in Schritt S218 beendet, und die optimierte Anzahl der Stimulationen, die zugehörigen Stimulationsorte und die Reihenfolge der Stimulationen werden auf dem Monitor 9 ausgegeben, damit der behandelnde Chirurg die Stimulationen in der angegebenen Reihenfolge ausführen kann.
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Andernfalls kehrt das Verfahren zu Schritt S204 zurück, wo die Anzahl an Stimulationen und die zugehörigen Stimulationsorte unter Verwendung alternativer Parameter berechnet werden. Bspw. kann bei der Neuberechnung ein kleinerer Wert für die Flächenausdehnung eines aktivierten Gehirngewebebereiches angesetzt werden, so dass die Neuberechnung zu einer höheren Anzahl an Stimulationsorten führt.
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Das mit Bezug auf 4 beschriebene Optimierungsverfahren wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Computer 11 ausgeführt. Hierzu kann das erfindungsgemäße Verfahren in Form von Instruktionen vorliegen, die auf einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind und die, wenn sie in den Computer geladen sind und auf dem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, das Optimierungsverfahren auszuführen.
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Die mit dem Optimierungsverfahren vorgenommene Optimierung verhindert, dass die aus der Stimulation verschiedener Stimulationsorte resultierenden aktivierten Gehirngewebebereiche einander überlappen. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass alle Aktivierungen in einer einzigen Videosequenz aufgenommen werden und diese Videosequenz mit einer einzigen Referenzvideosequenz verglichen wird. Im Unterschied dazu wird im Stand der Technik für jede Stimulation eine eigene Videosequenz aufgenommen, die mit einer eigenen, vor der jeweiligen Stimulation aufgenommenen Referenzvideosequenz verglichen wird. Durch die beschriebene Optimierung kann daher die Dauer der Stimulationsprozedur im Vergleich zum Stand der Technik erheblich verkürzt werden. Im Rahmen der Auswertung der Videosequenzen können von der Vorrichtung die Stimulationszeitpunkte während der Stimulation erfasst oder aber im Nachhinein aus den Video-daten oder Zeitstempeln berechnet werden. Für jeden Stimulationsort kann dann separat eine Aktivierungskarte berechnet werden. Die einzelnen Aktivierungskarten können dann entsprechend der Lage der Stimulationsorte im Anschluss wieder zu einer Gesamtrate zusammengefügt werden. Als Ergebnis wird dem Benutzer am Ende die Änderung der optischen Eigenschaften des Gehirngewebes durch die Stimulation für alle Stimulationsorte synchronisiert visualisiert.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels zu Erläuterungszwecken im Detail beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass von dem Ausführungsbeispiel abgewichen werden kann. Beispielsweise werden im Ausführungsbeispiel die Stimulationen an verschiedenen Stimulationsorten strikt nacheinander ausgeführt. Es besteht aber grundsätzlich auch die Möglichkeit, Stimulationen gleichzeitig auszuführen, wenn im Optimierungsverfahren festgestellt wird, dass die durch die jeweiligen Stimulationen aktivierten Gehirngewebebereiche einander räumlich nicht überlappen, auch wenn dies in der gegenwärtigen OP-Praxis schwierig durchzuführen wäre. Hierzu kann die in 1 dargestellte Vorrichtung mehrere bipolare Stimulationselektroden umfassen. Durch die simultane Stimulation an verschiedenen Stimulationsorten kann die für die Stimulationsprozedur benötigte Zeit weiter verringert werden. Darüber hinaus kann das Optimierungsverfahren weitere Optimierungskriterien aufweisen. Beispielsweise kann im Rahmen der Optimierung nicht nur der Ort der Stimulationselektrode und die Orientierung ihrer Pole variiert werden, sondern auch die Verwendung einer Stimulationselektrode mit einer anderen Elektrodenform Berücksichtigung finden. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die in dem Ausführungsbeispiel beschriebene Ausführungsvariante beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9095255 B2 [0002]
- US 9801549 B2 [0002]
