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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Bestimmung, vorzugsweise in einem lebenden
Organismus oder funktionierenden Organ, des Blutflusses durch ein
ausgewähltes
Blutgefäß, insbesondere
zur qualitativen Beurteilung des Blutflusses sowie zur numerischen
Bestimmung der Blutdurchflussrate, sowie zur Bestimmung der Perfusion in
einem ausgewählten
Gewebebereich, insbesondere zur qualitativen Beurteilung der Perfusion
sowie zur numerischen Bestimmung der relativen Perfusionsrate.
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Bilder sind Informationsträger mit
großer
unmittelbarer Wirkung. Betrachtet man die Armaturenbretter kommerzieller
Flugzeuge, stellt man fest, dass Echtzeitdaten und Rückmeldungen
von Flugkontrollinstrumenten überwiegend
visualisiert und graphisch angezeigt werden, nicht als Zahlenwerte. Überall dort,
wo die unmittelbare Interpretation von Daten ausschlaggebend ist,
hat die visuelle Übermittlung
von Informationen einen hohen Stellenwert. Andererseits ist die
Auswertung numerischer Daten eine notwendige Ergänzung eines derartigen Kontrollsystems,
wenn visuelle Informationen nicht eindeutig oder nicht genau genug
sind, um Schlussfolgerungen daraus zu ziehen, d.h. Entscheidungen
zu treffen bzw. zu korrigieren.
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Es gibt bereits Geräte, die
dynamische Parameter des Blutflusses durch Gefäße bestimmen. Dies sind Geräte, die
im allgemeinen als Strömungs-Sonden
bezeichnet werden und mit Ultraschallsignalen arbeiten. Hauptsächlich stellen
sie durch indirekte Messung gewonnene, numerische Daten bereit,
liefern jedoch kein Bild des Blutgefäßes, kein direktes dynamisches
Bild des Strömungsprozesses
und keine elektronische Datenbank, womit die aufgezeichneten Daten
bequem gespeichert, analysiert, später – postoperativ – überprüft, kopiert und
archiviert werden können.
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Eine Methode und ein Apparat zur
Durchführung
intraoperativer Angiographie werden in WO 01/22870 offenbart. In
dieser Patentanmeldung wird auf die Eignung der Vorrichtung zur
Aufnahme und Wiedergabe von Bildern von Blutgefäßen hingewiesen. Die Möglichkeit,
mit der Vorrichtung numerische Daten aus Messungen zu gewinnen oder
dynamische Parameter des Blutflusses durch einzelne Blutgefäße zu analysieren,
wird nicht erwähnt.
Es wird erwähnt,
dass diese offenbarte Vorrichtung dafür geeignet ist, den Durchmesser
eines Blutgefäßes – einen
konstanten Wert – zu
berechnen, indem sie die Anzahl der Pixel, die dem Blutgefäßdurchmesser entspricht,
in Beziehung setzt zur Anzahl der Pixel, die einer vorher definierten
Maßeinheit
entspricht (vergl. Anspruch 39 und Beschreibung Seite 4, Zeilen 18-26).
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In bestimmten Fällen mag die Bestimmung von
Blutgefäßdurchmessern
allein ausreichend sein, in der Regel jedoch ist die Berechnung
dieser nicht das, woran praktizierende Mediziner der Chirurgie – dem Gebiet,
auf dem die vorliegende Erfindung in erster Linie Anwendung sucht – interessiert
sind. Der Durchmesser eines Blutgefäßes kann generell als unveränderliche
Größe betrachtet
und während
eines Eingriffes mit hinreichender Genauigkeit direkt und visuell
bestimmt werden, d.h. vom Chirurgen gesehen werden, zum Beispiel
durch standardisierte, optische Vergrößerungsgläser.
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Das jedoch, was vom menschlichen
Auge nicht wahrgenommen werden kann, sind die dynamische Rate des
Blutflusses durch ein einzelnes Blutgefäß und die periodischen Parameter,
die den Blutfluss kennzeichnen. Es ist gegenwärtig keine Vorrichtung bekannt,
die in Verbindung mit bestimmten Verfahren als ein System funktioniert,
welches sowohl die visuellen Daten als auch die korrespondierenden quantitativen
Kalkulationen liefert, die zu den dynamischen Daten des Blutflusses
durch einem einzelnen definierten Abschnitt eines Blutgefäßes gehören und
das darüber
hinaus über
ein Softwareprogramm verfügt,
das eine Datenbank zur Bildverarbeitung und -archivierung einrichtet,
die auch für
spätere,
postoperative Untersuchungen und für Forschungszwecke geeignet
ist.
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Eine in
DE 100 59 070 C1 offenbarte
Vorrichtung erzeugt Bilder, die aus dem Blutfluss resultieren. Laut
Beschreibung dienen diese Bilder zur Beurteilung von Gewebeperfusionen
im Allgemeinen, nicht jedoch zur direkten numerischen Ermittlung
der relativen Pertusionsrate in einem Gewebebereich, zur Beobachtung
des Blutflusses in einem Blutgefäß oder gar
zur Berechnung der Blutdurchflussrate.
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Des weiteren beschreibt keines der
erwähnten
Systeme ein Computersystem, das eine ganze Reihe von Funktionen
automatisiert: das Aufzeichnen von Bildern mit dazugehörigen Daten,
das Einrichten einer Datenbank und das Verarbeiten und Speichern
der Daten im Kontext einer solchen Datenbank. Die Vorrichtung gemäß
DE 100 59 070 C1 bezieht
sich auf ein Bildverarbeitungs- und -auswertungs-System, das laut Beschreibung zum Messen der
Bildpixelintensität
in einem ausgewählten
Bereich der Gewebeperfusion geeignet ist. Der Gesamtwert der Intensität – wobei
davon ausgegangen wird, dass er der Konzentration des fluoreszierenden Mittels
im Blut entspricht – wird
verglichen mit einem Bereich mit normaler Perfusion oder einem externen Standard.
Keine weitergehende Funktion bzw. Anwendung eines elektronischen
Bildauswertungs-Systems wird beschrieben. Mit dieser Vorrichtung
wird die Perfusion in einem bestimmten Gewebebereich mit Hilfe der
Absorption eines Chromophors in diesem Gewebebereich und der Erfassung
der Pixelhelligkeit im Allgemeinen betrachtet, wohingegen die Erfassung
dynamischer Parameter bezogen auf dem Blutfluss in einzelnen Blutgefäßen nicht
möglich
ist.
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Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung
war die Überlegung,
dass bei medizinischen Eingriffen, wo aus dynamischen Echtzeitdaten
gewonnene Informationen über
den Blutfluss durch einzelne Gefäße hilfreich
oder notwendig sind, die Verfügbarkeit
unmittelbar visuell interpretierbarer Daten in Verbindung mit vom
Computer berechneten Daten, welche beide mit Hilfe einer einzelnen
Vorrichtung bzw. eines Systems gewonnen werden können, von großem Nutzen
wäre.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die sowohl
visuell erfassbare Informationen über den Blutfluss in einzelnen
Blutgefäßen als
auch die Blutdurchflussrate bezogen auf einzelne Blutgefäße in numerischer
und graphischer Form liefert, sowie eine Vorrichtung zu schaffen,
die sowohl visuell erfassbare Informationen über die Perfusion in einem
ausgewählten
Gewebebereich als auch die relative Perfusionsrate bezogen auf einen
ausgewählten
Gewebebereich in numerischer und graphischer Form liefert, und darüber hinaus
vom Benutzer einfach zu handhaben ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
gemäß Anspruch
1 bzw. 18 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Endung wird im Folgenden anhand
einer Vorrichtung zur Bestimmung des Blutflusses durch ein ausgewähltes Blutgefäß näher erläutert, wobei
als bevorzugtes Realisierungsmittel für die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Computersystem beschrieben ist. Ein solches Computersystem ist eine
Hardwarekonfiguration eines elektronischen Datenprozessors mit einem
oder mehreren integrierten Softwareprogrammen sowie mit peripherer
Ausrüstung
und Eingangs-/Ausgangsanschlüssen einschließlich Standardzubehör wie Monitor,
Tastatur, Zeigegerät
und Datenübertragungsverbindungen, die
zusammen als Teilsystem der Vorrichtung funktionieren. Die Erfindung
ist anwendbar in der praktischen Human- und Tiermedizin sowie im
Bereich der Forschung auf diesen beiden Gebieten.
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Wie bereits ausgeführt, schafft
die Erfindung ein medizinisches Bilddiagnosesystem, mit dem Bilddaten
mit numerischen Kontrolldaten kombiniert werden können, wobei
Bilder den Vorteil haben, vom Betrachter unmittelbar zur qualitativen
Beurteilung herangezogen werden zu können. Die vorliegende Erfindung
stellt ein komplexes System dar, das über die bloße Kombination dieser zwei
sich ergänzenden elektronischen
Datenformen hinausgeht.
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Was die Möglichkeit angeht, erzeugte
und aufgezeichnete digitale Bilder quantitativ zu analysieren, ermöglicht es
die vorliegende Erfindung, die Blutdurchflussrate (Volumen pro Zeiteinheit)
bezogen auf einen einzelnen ausgewählten Blutgefäßabschnitt
numerisch zu bestimmen. Dies geschieht – im Zusammenwirken mit dem
Benutzer – durch
die Vorrichtung in folgenden Schritten:
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- a) Im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs,
der die Beurteilung und/oder Behandlung von Blutgefäßen einschließt, wird
ein Mittel, das ein Chromophor enthält, als Bolus in den Blutkreislauf
eingebracht (beispielsweise eingespritzt). Zu den Eigenschaften
dieses Mittels gehört
es, im Wellenlängenbereich
von Infrarotlicht zu fluoreszieren, das sich dadurch auszeichnet,
dass es – bis
zu einem gewissen Grad – organisches
Gewebe wie Blutgefäßwände durchdringt
und von einer Videokamera aufgezeichnet werden kann. Wenn das Mittel
den zu behandelnden bzw. zu untersuchenden Bereich erreicht, wird
es von einem externen Bündel
Infrarotstrahlung angeregt zu fluoreszieren. Derartige Mittel sind
hinreichend bekannt und werden seit geraumer Zeit in der klinischen
Medizin eingesetzt.
- b) Eine Videoaufnahme (die bekanntlich eine Mehrzahl von Bildern
umfasst) wird von dem Bereich mit den Blutgefäßen gemacht, durch die das Fluoreszenzmittel
fließt.
Während – bzw. vorzugsweise
zu Beginn – der
Aufnahme wird für
kurze Zeit (Sekundenbruchteile) optisch eine vorbestimmte Maßeinteilung
auf den ausgewählten
Bereich (Behandlungs- oder Untersuchungsbereich) projiziert. Die
aufgezeichnete Projektion ermöglicht
es der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die wahren Abmessungen des Blutgefäßes aufgrund des variablen
Verhältnisses
zwischen Bildgröße in Pixeln
und realer Größe des Objekts
zu ermitteln, statt auf Methoden zurückzugreifen, die auf einer konstanten,
vorher bestimmten Maßeinheit
basieren. Ein variables Verhältnis
ist erforderlich, weil das optische System der Kamera einen beachtlichen
Brennweitenbereich hat und es darüber hinaus praktisch unmöglich ist,
die Kamera in jedem Fall exakt zu positionieren. Bilder erscheinen
größer oder
kleiner, je nach Abstand der Kamera vom Objekt. Die Projektion der
vorgenannten Maßeinteilung
ermöglicht
es, die Abmessungen der Blutgefäße zu bestimmen,
wenn Unterschiede in den Bildgrößen zwischen
den einzelnen Aufnahmen bestehen. Eine weitere Überlegung ist, dass jede externe
Kalibrierung zwischendurch – wie
sie bei der Verwendung einer konstanten, vorher bestimmten Maßeinheit
aufgrund der aus den unterschiedlichen Kameraabständen resultierenden unterschiedlichen
Bildgrößen erforderlich
wäre – zu zeitraubend
wäre, zudem
eine mögliche
Fehlerquelle darstellt und aus diesem Grund für die angestrebte Verwendung
der Erfindung nicht brauchbar ist.
- c) Wenn es erforderlich ist – in der Regel dann, wenn eine
Aufnahme während
eines Eingriffs am schlagenden Herzen gemacht wird – wird vom Programm
automatisch ein so genanntes Bildregistrierungsverfahren durchgeführt (image
registration).
- d) Der Benutzer der Vorrichtung definiert die ROI (region of
interest), indem er mit Hilfe eines Zeigegeräts auf der Bildschirmanzeige
der Videoaufnahme einen Abschnitt eines einzelnen Blutgefäßes markiert,
dessen Blutdurchflussrate bestimmt werden soll. Diese Auswahl wird über die
Funktionen der graphischen Benutzeroberfläche vorgenommen. Ein Pixelbereich
wird definiert, der sich nur auf einen Teil der Bilddaten bezieht;
in der Regel erscheinen die Bilder mehrerer Blutgefäße auf dem
Bildschirm, für
die Berechnung jedoch ist ein Abschnitt von bestimmter Länge für ein bestimmtes
Blutgefäß festzulegen.
- e) Die Vorrichtung zieht zur Berechnung der Abmessungen des
Blutgefäßes den
vorab durch den Benutzer definierten Datensatz, der sich auf die ROI
bezieht, und die Projektion der vorbestimmten Maßeinteilung auf das ausgewählte Blutgefäß heran.
- f) Die Vorrichtung analysiert die Bildfolgen der Videoaufnahmen
eines ausgewählten
Datensatzes und macht diejenige Gruppe von Pixeln in jedem Bild
ausfindig, die die größte mittlere
Helligkeit aufweist. Dies geschieht mittels einer Pixelsuchmaske
mit einer Feldgröße von beispielsweise
9 × 9
oder 13 × 13
Pixeln, d.h., die Bilder der ROI werden systematisch horizontal
und vertikal gescannt, wobei die Suchmaske jeweils um einen Pixel
horizontal oder vertikal versetzt wird. Auf diese Weise wird der
Helligkeitswert für
jeden einzelnen Pixel im Feld ermittelt und auf der Basis dieser
Einzelwerte der Wert der mittleren Pixelhelligkeit im Feld berechnet.
Der Wert der größten mittleren
Pixelhelligkeit von allen Feldern wird zusammen mit den Koordinaten
des Feldmittelpunktes (zur Definition der Position des Feldes im
Bild) gespeichert. Falls mehrere Felder mit der gleichen mittleren
Pixelhelligkeit ermittelt werden, wird die Feldgröße vergrößert und
der vorgenannte Ablauf nochmals ausgeführt. (Tritt dieser Fall wiederholt
ein, wird nach einer bestimmten Anzahl von Abläufen vom Computerprogramm der Hinweis
angezeigt, dass die Bildanalyse nicht durchgeführt werden kann und die injizierte
Menge des fluoreszierenden Mittels überprüft werden soll.) Die relative
Pixelhelligkeit entspricht der relativen Konzentration des injizierten
Chromophors. Die von Bild zu Bild veränderte Position dieser Pixelgruppe
(die über
die Positon des Mittelpunkts der Pixelgruppe mit der größten mittleren
Helligkeit definiert ist) entspricht der Lageveränderung der im Blutfluss mitgeführten Chromophorkonzentration.
Diese Entsprechung zwischen der aufgezeichneten Lageveränderung
der Chromophorkonzentration in den einzelnen Bildern und der Lageveränderung
der Chromophorkonzentration im Blutgefäßabschnitt wird mit Hilfe der Berechnung
der wahren Abmessungen des Blutgefäßabschnitts ermittelt, wie
in Schritt e) beschrieben. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen
Bildern ist konstant.
- g) Aus diesem Grund ist das analytische Ergebnis eine dynamische
Quantifizierung des Chromophorflusses im Blut, gemessen als Volumen
pro Zeiteinheit. Die Zeitauflösung
dieser Daten hängt von
der Bilderrate (fps = frames per second) der Videoaufnahmen ab.
Nachdem der durchschnittlichen Durchflussrate die größte Bedeutung
zukommt, wird der Mittelwert anhand mehrerer Bilder errechnet, die
einigen Sekunden bzw. einigen systolischen/diastolischen Phasen
entsprechen.
- h) Die numerischen Blutflussdaten, die aus der quantitativen
Analyse des ausgewählten
Abschnitts resultieren, werden innerhalb der graphischen Benutzeroberfläche auf
dem Bildschirm gezeigt. Die Daten können gespeichert, ausgedruckt und/oder
auf bewegliche Datenträger
kopiert werden.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform schafft
die Endung eine Vorrichtung mit graphischer Benutzeroberfläche, wodurch
es dem Benutzer ermöglicht
wird, auf einfache Art eine Datenbank einzurichten, zu organisieren
und zu verwalten, die vaskuläre
Bilder und alle dazugehörigen
Informationen in numerischer Form oder Textform enthält. Die
so entstandene Datenbank ist im vaskulären intraoperativen Bereich
von großem
Nutzen, um anhand von Echtzeitdaten zu diagnostizieren; sie dient
der Indikation unmittelbar notwendiger Maßnahmen, die auf den sofort
verfügbaren
Informationen basieren; sie ist ein Hilfsmittel, um anhand der aufgezeichneten Daten über Nachbehandlungen
im vaskulären
chirurgischen Bereich zu entscheiden; und sie ist ferner von großem Wert
in der Qualitätskontrolle
und darüber
hinaus auf dem Gebiet der Forschung. Im Übrigen ist zu erwähnen, dass
die vorliegende Erfindung dafür
geeignet ist, auch mit anderen als mit den derzeit bekannten Chromophoren,
beispielsweise mit solchen, die hinsichtlich der Gewebetransparenz oder
ihres Transports im Blut verbesserte Eigenschaften aufweisen, zu
arbeiten. Hierfür
müssen dann
im Wesentlichen lediglich der optische Filter der Kamera ausgetauscht
und gegebenenfalls Änderungen
zur Anpassung an die Wellenlänge
der anregenden Strahlungsquelle vorgenommen werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ferner ein neuartiges Mittel zur Analyse des Blutflusses dar: Das
System ermöglicht
gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
die Analyse des Blutflusses mit Hilfe der in der erfindungsgemäßen Datenbank
gespeicherten Daten, auf die zu jeder Zeit – unabhängig vom Zeitpunkt der Aufzeichnung – zugegriffen
werden kann und die daraufhin analysiert werden können. Neue
Erkenntnisse können
aus alten Daten gewonnen werden, weil die gespeicherten Daten hauptsächlich aus
einer dynamischen Folge von Bildern mit ausreichender zeitlicher
und räumlicher
Auflösung
bestehen, beides Voraussetzungen für eine Analyse. Weiterhin erlauben
das Computerprogramm und seine Funktionen dem Benutzer der Erfindung,
numerische Daten zu gewinnen, d.h. Parameter wie Blutdurchflussrate
bezogen auf einen einzelnen Blutgefäßabschnitt, (der aus archivierten
Aufnahmen ausgewählt
wurde), und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei der Analyse
von aufgezeichneten Echtzeitbilddaten.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar
und ermöglicht
eine Art der Untersuchung und Analyse von gespeicherten Bilddaten,
die vorteilhaft und den Möglichkeiten
bei der Verwendung von Echtzeitdaten vergleichbar ist. In mancher
Hinsicht hat diese Form der Untersuchung und Analyse gespeicherter
Daten sogar Vorteile gegenüber
Echtzeitdaten, was Wiederholbarkeit und die Genauigkeit der Beurteilung
von Messverfahren und Algorithmen angeht.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung
ist die Tatsache, dass sogar unter Verwendung der üblichen
Datenkomprimierungstools die Anforderungen an die digitale Speicherkapazität für eine relativ
geringe Anzahl von Videoaufnahmen erstaunlich hoch sind. Eine Videoaufnahmesequenz
von 45 Sekunden Dauer, mit 30 Bildern pro Sekunde im gewöhnlichen AVI
Dateiformat, erfordert beinahe 1 GB Speicherplatz auf der Festplatte.
Wenn vier bis sechs solcher Sequenzen pro Behandlung gespeichert
werden müssen, – was zu
erwarten ist – wäre der verfügbare Speicherplatz
auf einem Speichermedium wie einer Festplatte bald verbraucht.
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Hinsichtlich der gerade geschilderten
zu erwartenden Problematik löst
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
das Computerprogramm, das speziell für und als Teil der vorliegenden
Erfindung entwickelt wurde, das auftretende Problem: Das Programm
umfasst Datenstrukturen, die auf vorteilhafte Weise eine eindeutig
definierte Datenbank zur Ablage der Informationen einrichten, die
zum einen von der vorliegenden Erfindung genutzt und zum anderen von
ihr erzeugt werden. Datenbank und Computerprogramm wurden dergestalt
entwickelt, dass die aufgezeichneten und verarbeiteten Daten (in
der Regel Patienten- oder Organdaten) von der Festplatte des Systems
auf bewegliche optische Datenträger unter
Wahrung der Datenstrukturen transferiert werden; die Beziehung der Datenelemente
zur Datenstruktur bleibt dabei unangetastet. Dadurch ist das schnelle
Auffinden von Daten für
den Benutzer gewährleistet,
und Übertragungsfehler,
die das Vermischen von Daten, die zu unterschiedlichen Untersuchungsobjekten
gehören,
zur Folge hätten,
werden von vornherein ausgeschlossen. Diese automatisierte Datenverarbeitung
ist ein Beispiel dafür,
wie Platz auf der Systemfestplatte geschaffen werden kann und dabei
die Struktur der Daten beibehalten wird, während gleichzeitig ein externes
Archiv von gesicherten Daten angelegt wird. Für die vorliegende Erfindung
sind somit optische Laufwerke besonders gut geeignet, womit Datenmengen
in der Größenordnung
mehrerer Gigabytes auf beschreibbare bewegliche Medien wie DVDs
und CDs kopiert und archiviert werden können.
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Die Datenstrukturen des Systems und
ihre Wechselwirkung mit bzw. Integration in die Gesamtvorrichtung über das
Computerprogramm stellen eine besonders gut geeignete Art und Weise
der Implementierung dar, um die vorteilhaften, vorwiegend klinischen
Funktionen und Möglichkeiten
der Datenverarbeitung der vorliegenden Erfindung zu nutzen. Diese
schließen
ein: das Aufzeichnen von Daten zum Betrachten, Analysieren und Speichern,
die Datenwiedergabe zum Zwecke der Betrachtung und Analyse und die
Möglichkeit,
Daten über
eine genau definierte Kopierfunktion zu vervielfältigen. All diese Funktionen
nehmen Bezug auf einen Datensatz, der in Anlehnung an die Bezeichnung
des Computerprogramms, Ciné-Flow,
als C-Flow-Datensatz bezeichnet wird. Dieser Datensatz enthält alle
Videoaufnahmen und die dazugehörigen,
vom Benutzer eingegebenen, Kommentare zu den Aufnahmen. Darüber hinaus
umfasst dieser Datensatz ein mit "C-Quant" bezeichnetes Unterverzeichnis, das
alle quantitativen Daten enthält,
die aus den vom Computerprogramm durchgeführten Analysen der Bilddaten
resultieren. Andere datenverarbeitende Funktionsmodule umfassen
die Archivierungsfunktion, die im vorangehenden Absatz beschrieben
wird und die auf die als Patienten-Datensatz definierte Struktur zurückgreift.
Zusätzlich
gibt es eine Analysefunktion zur Berechnung der Blutdurchflussrate
und eine Löschfunktion,
die nur für
jeweils einen einzelnen C-Flow-Datensatz ausgeführt werden kann. Vorzugsweise
sind weitere Unterfunktionen wie die Wiederherstellungsfunktion und
die Systemdiagnose-Funktion (Sys-Diag-Funktion) in die Datenstrukturen
des Systems integriert.
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Alle in den zwei vorstehenden Absätzen beschriebenen
modularen Funktionen können
bei Bedarf vom Benutzer aktiviert werden. Deshalb wurde die Mensch-Maschine-Schnittstelle
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Endung gezielt entwickelt, um den Anforderungen
der Benutzer, nämlich
praktizierende Chirurgen in einem intraoperativen Umfeld, zu entsprechen,
da eine Anwendung in diesem Umfeld verglichen mit anderen möglichen
Einsatzgebieten der Endung am dringlichsten erscheint. Diese Schnittstelle
ist bei der vorliegenden Erfindung die graphische Benutzeroberfläche (GUI
= Graphical User Interface) als Teil des integrierten Computerprogramms.
Es verbleiben einige wenige manuelle Bedienfunktionen wie das Positionieren
der Kamera und das Einlegen von optischen Datenträgern, die
nicht über
die GUI abgewickelt werden können.
Alle wesentlichen Systemkontroll- und Datenverarbeitungsfunktionen,
alle Feedbackanzeigen und Texteingaben erfolgen ansonsten über die
graphische Benutzeroberfläche.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
bezieht sich ebenfalls auf die graphische Benutzeroberfläche: Das
Computersystem handhabt den Austausch von elektronischen Kontroll-
und Rückmeldesignalen zwischen
dem Computer und anderen Teilsystemen der Vorrichtung. Die Kontroll-
und Rückmeldesignale werden
durch einen externen Eingabe/Ausgabe (I/O)-Signalprozessor empfangen
und übertragen. Dieses
I/O-Signalprozessor-Teilsystem hat zwei Hauptfunktionen: Es empfängt elektronische
analoge oder digitale Signale von einer Vielzahl von Sensoren, die
in bestimmte Teilsysteme eingebaut sind, zum Beispiel das analoge
Spannungs-Signal als Indikator für
die Entfernung zwischen der Aufnahmeoptik und dem Ziel, d.h. dem
Untersuchungsbereich. Das I/O-Signalprozessor-Teilsystem empfängt das
analoge Entfernungssignal, verschlüsselt es als digitale Information,
speichert diesen digitalen Wert vorübergehend und überträgt ihn zu
Standardanschlüssen
des integrierten Computersystems und schließlich zur graphischen Benutzeroberfläche auf
dem Monitor, wo die Information für die relative Entfernung als
graphische Darstellung angezeigt wird. Die Übertragung erfolgt über Kommunikationsprotokolle
wie IEEE 1394 (Fire Wire) oder vergleichbare Industriestandards
mit ausreichender Geschwindigkeit.
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Die zweite wichtige Aufgabe des I/O-Signalprozessors
besteht darin, Kontrollsignale zu empfangen, die vom integrierten
Computersystem gesandt werden. Das Computersystem erzeugt Kontroll-
und Betriebszustandsignale während
des Normalbetriebs, d.h. der Bedienung und Kontrolle der Vorrichtung
durch den Benutzer, was bei dieser Ausführungsform fast ausschließlich über die
graphische Benutzeroberfläche
geschieht. Wenn der Benutzer zum Beispiel die Vorrichtung innerhalb
des Menüpunkts „Aufzeichnen" benutzt und auf
dem Bildschirm "AUFNAHME" anklickt, wird ein
Kontrollsignal vom Computersystem zum I/O-Signalprozessor übertragen.
Weitere Signale werden vom I/O-Teilsystem
zum Anregungs-Teilsystem geschickt, um ein anregendes Strahlungsbündel zu
aktivieren. Ein weiteres, vom I/O-Teilsystem erzeugtes Kontrollsignal sorgt
während
einer festgesetzten Zeit für
die Projektion eines orthogonalen Rasters oder die Aussendung eines
von einer vorzugsweise lenkbaren bzw. präzise positionier- und steuerbaren
Lichtquelle erzeugten kollimierten Strahlenbündels. Eine solche Lichtquelle
ist beispielsweise eine Leuchtdiode (LED), eine Gruppe von Leuchtdioden
oder ein Laser, der für
diesen Zweck üblicherweise
nur eine geringe Leistung aufzuweisen braucht.
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Was die bevorzugte technische Ausführung angeht,
ist eine bestimmte Struktur für
die Daten vorgesehen. Diese Struktur wird bevorzugt, weil damit die
Vorrichtung ihre Datenverarbeitungsfunktionen optimal wahrnehmen
kann, nämlich
die Aufnahmen und dazugehörigen
Daten eines jeden Patienten an definierten Speicherplätzen abzulegen,
zu analysieren und die Ergebnisse dieser Analyse zu speichern.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Computerprogramm, das über
die graphische Benutzeroberfläche
die Funktionen der Datenverarbeitung folgen dermaßen automatisiert: Aufzeichnen
von Videoaufnahmen; Auswählen
bestimmter Zeitabschnitte aus diesen Aufnahmen; Analysieren dieser
Aufnahmen, um die Blutdurchflussrate bezogen auf ein einzelnes Blutgefäß zu bestimmen;
Abspeichern ausgewählter Abschnitte
der Videoaufnahmen auf die Festplatte zusammen mit den dazugehörigen erklärenden Textdateien
und abgeleiteten analytischen Daten; Laden gespeicherter Daten;
Kopieren und Archivieren von Daten gemäß vorbestimmten Datenstrukturen;
Löschen
ausgewählter
Daten gemäß den Datenstrukturen
und gemäß einem
Sicherheitssystem; und Wiederherstellen von Daten gemäß den Datenstrukturen und
gemäß dem Sicherheitssystem.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Computerprogramm, das Algorithmen und Programmfunktionen umfasst,
wodurch das Programm eine automatisierte Analyse der dynamischen
Bilddaten durchführt
und so die Blutdurchflussrate bezogen auf ein einzelnes Blutgefäß ermittelt
und graphisch in einem zweidimensionalen Koordinatensystem darstellt,
wobei vorzugsweise die Zeit auf der horizontalen und das Volumen
pro Zeiteinheit auf der vertikalen Achse dargestellt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
Mittel zum Vornehmen von Berechnungen der Blutdurchflussrate zu
einem beliebigen Zeitpunkt, und zwar anhand von Videoaufnahmen (auf
denen die Berechnungen beruhen), die sich (nach der Aufzeichnung)
im Arbeitsspeicher befinden oder die (zu einem späteren Zeitpunkt)
von der Festplatte geladen worden sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
ist in die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Zählfunktion integriert,
mit der jede ununterbrochene Folge von Aufnahmen als ein "Fall" gezählt wird – solange
die Aufzeichnungsfunktion für
ein bestimmtes Objekt bzw. einen bestimmten Patienten aktiviert
ist und solange der Benutzer diese Menüfunktion nicht verlässt; des
weiteren wird die Anzahl der Fälle
nach dem Datum der Aufzeichnung gespeichert und nach Jahr und Quartal
bzw. Monat aufgelistet.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
Mittel, die dem Benutzer bei auftretenden Störungen die Durchführung eines
Systemtests, die Erstellung eines Fehlerprotokolls und die Anzeige
des erstellten Fehlerprotokolls und außerdem die Anzeige der Anzahl
der durchgeführten
Fälle ermöglichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
bevorzugten, jedoch nicht beschränkenden
Ausführungsformen
der Erfindung anhand der schematischen und nicht maßstabsgetreuen
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 als
Blockdiagramm die Hauptbestandteile einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sowie eine Übersicht über die
Teilsysteme,
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2 die
Datenstrukturen des Computerprogramms,
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3 das
Hauptmenü zum
Aufrufen der einzelnen Funktionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 das
Untermenü zum
Vorbereiten der Aufnahme und Aktivieren/Deaktivieren der Aufnahmefunktion,
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5 das
Untermenü zum
Betrachten, Speichern und/oder Ausdrucken von Aufnahmen bzw. Aufnahmeabschnitten,
zur Eingabe von Kommentaren durch den Benutzer und zum Aktivieren
der Analysefunktion für
eine ausgewählte
Bildsequenz,
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6 das
Untermenü zum
Aktivieren der Kopierfunktion für
einen ausgewählten
Patienten-Datensatz.
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1 stellt
als Blockdiagramm die Hauptbestandteile der Erfindung sowie eine Übersicht über die
Organisation und Funktionsweisen der Teilsysteme dar. Die Darstellung
ist symbolisch und dient der Veranschaulichung der Schnittstellen
der Teilsysteme.
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Mit 10 ist ein Computersystem
bezeichnet, das einen Bildschirm 12 mit angezeigter graphischer Benutreroberfläche 18,
einen Computer 14 mit einer Tastatur 15 und einer
Maus 16 umfasst.
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Mit 20 ist ein mit dem Computersystem 10 verbundenes
Teilsystem Archivierung bezeichnet, das CDs bzw. DVDs 21 und
ein Laufwerk 22 für
diese Speichermedien umfasst.
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Die Teilsysteme 10 und 20 werden
von einem Netzteil 30 versorgt, das zweckmäßigerweise eine
für die
internationale Installation geeignete Netzeingangsspannung von 100
bis 240 V Wechselstrom aufweist.
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Das Netzteil 30 versorgt
auch ein Gleichspannungsnetzteil 32, welches wiederum ein
optisches Modul 40 versorgt. Das optische Modul 40 enthält eine
Kamera 42 und eine Strahlungsquelle 44, die anregende
Strahlung 45 auf einen ausgewählten Bereich 46 eines
hier nur schematisch dargestellten Patienten 48 lenkt.
Die Kamera 42 kann die von dem ausgewählten Bereich 46 ausgehende
Strahlung 47 aufnehmen und in (vorzugsweise digitale) Bilder
umsetzen, die auf Datenträgern
wie beispielsweise der Festplatte des Computersystems 10 aufgezeichnet bzw.
gespeichert werden können.
Für die
Aufnahmen kann eine höhere
Bilderrate als die derzeit üblichen Standards
von 25 oder 30 fps gewählt
werden, wenn eine bessere Zeitauflösung gewünscht ist. Wie bereits beschrieben,
wird dem Patienten ein Chromophor als Bolus eingespritzt, das bei
Bestrahlung mit der anregenden Strahlung 45 zu Fluoreszenzstrahlung
angeregt wird, die von der Kamera 42 als die Strahlung 47 aufgenommen
wird. Es ist nicht notwendig, Augen oder Körper vor besagter Strahlung
zu schützen,
wenn die Anwendung wie vorgesehen und beschrieben erfolgt.
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Das Gleichspannungsnetzteil 32 befindet sich
in einem Eingabe-/Ausgabemodul 31, in dem auch ein Eingabe-/Ausgabe
(I/O)-Signalprozessor 34 vorgesehen ist, der als Schnittstellenteilsystem
für die
Kommunikation zwischen Computersystem 10 und optischem
Modul 40 zuständig
ist.
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2A und 2B veranschaulichen die hierarchische
Baumstruktur der Organisation der Daten. Bevor die Vorrichtung zum
ersten Mal benutzt wird, muss die Festplatte organisiert werden,
d.h. eine Grundstruktur für
die Daten muss angelegt werden. Diese Stammebene wird gemäß 2A als "Cine-Dat" (Ciné-Daten)
bezeichnet. Dabei kann es sich entweder um eine Verzeichnis- oder
Festplattenbezeichnung handeln, je nachdem, was für das verwendete
Betriebssystem des Computersystems vorteilhaft ist. Ebenso werden
auf der Stammebene "Cine-Dat" drei Unterverzeichnisse
mit den Bezeichnungen "Patient-Dat" (Patientendaten), "Temp-ExArch" (Temporäre Daten
aus dem Archiv), "Allg-Anw-Dat" (Allgemeine Anwendungsdaten)
geschaffen, deren Funktionen nachstehend erläutert werden.
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Nach dieser vorbereitenden Organisation der
Datenstruktur wird die Vorrichtung in Betrieb genommen. Von diesem
Zeitpunkt an erzeugt das Programm die restlichen Datenstrukturen
und identifiziert ihre Elemente einzig über die Funktionen des Computerprogramms.
Dies geschieht, wenn das Programm neue Daten, die vom Computersystem
empfangen wurden, verarbeitet und speichert.
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Eine komplette Datenstruktur wird – mit Ausnahme
der Grundstruktur – zu
Kopier- und Archivierungszwecken überdies auf beweglichen Speichermedien
angelegt.
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Das erste Unterverzeichnis auf der
Stammebene, "Patient-Dat" (2B, 1),
enthält
alle Daten, die vom Benutzer eingegeben oder von der Vorrichtung
erzeugt worden sind und zu einem Untersuchungsobjekt bzw. Patienten
gehören.
Alle zu einem bestimmten Untersuchungsobjekt gehörenden Daten werden als ein
Patienten-Datensatz bezeichnet (2B, 2), der durch den Benutzer über die
Eingabe eines Namens und einer Identifikationsnummer unverwechselbar
definiert wird. Dieser Datensatz umfasst mindestens eine Serie von
Aufzeichnungen (2B, 3), die jeweils mindestens
eine, in der Regel mehrere "C-Flow-Datensätze" (2B, 4)
umfassen, die wiederum die Videoaufnahmen (Beispiel „C-FIow-JJJJ_MM_TT-hh_mm.avi") und die dazugehörigen Kommentare
(Beispiel „Kommentare.txt") umfassen. Im Unterverzeichnis "C-Quant" (2B, 5)
werden alle sich auf jeweils eine ROI (2B, 6)
beziehenden, aus der Blutflussanalyse resultierenden Daten (graphische
und numerische Darstellung der Blutdurchflussrate, Beispiel "Graph-1.jpg", 2B, 7) abgelegt.
Des weiteren werden in diesem Unterverzeichnis die Daten abgelegt,
die die Position der ROI in einem Bild definieren (Beispiel „ROI-1.jpg", 2B, 7).
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Das zweite Unterverzeichnis auf der Stammebene, "Temp-ExArch", wird benötigt, wenn der
Benutzer Zugriff auf Daten wünscht,
die vorher archiviert worden sind, d.h. sich nicht mehr auf der Festplatte
befinden. Der Benutzer wird dann vom System aufgefordert, die entsprechende
Bezeichnung/Nummer des Archivbereichs oder des beweglichen Speichermediums
einzugeben. Die angeforderten Daten, (in Wirklichkeit ein Datensatz),
werden vom Archivierungsmedium in das Unterverzeichnis "Temp-ExArch" kopiert. Da die
Datenstruktur im Archiv beibehalten wurde, wird sie nun wiederhergestellt,
allerdings unter dem genannten Unterverzeichnis. Der Benutzer kann
nun mit diesen früher
archivierten Daten arbeiten. Diese Daten, die zu einem beliebigen
Zeitpunkt in der Vergangenheit aufgezeichnet wurden, können nun
auf die gleiche Art und Weise und mit der gleichen Präzision analysiert
werden wie gerade aufgezeichnete Daten. Zum Beispiel können nun
die Ergebnisse der Analyse der Blutdurchflussrate eines vorher nicht
geprüften
Blutgefäßabschnitts
betrachtet, auf bewegliche Datenträger gespeichert bzw. kopiert
und/oder ausgedruckt werden.
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Da der eben erwähnte Gebrauch zur Analyse bzw.
erneuten Analyse archivierter Daten nicht den Regelfall darstellt,
ist der dem Bereich "Temp-ExArch" zugeordnete Speicherplatz
begrenzter als der dem Bereich "Patient-Dat" zugeordnete Bereich.
Die in "Temp-ExArch" gespeicherten Daten
werden aufgrund des begrenzten Arbeitsspeichers in regelmäßigen Abständen vom
Programm gelöscht
bzw. auf andere Speichermedien übertragen:
Die Daten, die zuerst eingegangen sind, werden zuerst gelöscht (so genanntes
First-in-first-out (FIFO)-Verfahren). Der diesem Unterverzeichnis
zugewiesene Speicherplatzanteil kann auf Wunsch des Benutzers von
einer autorisierten Person mit Zugangsberechtigung zur Verwaltungsebene
verändert
werden.
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Das dritte und letzte der drei Unterverzeichnisse
auf der Stammebene, "Allg-Anw-Dat", enthält Daten,
die nicht patienten- bzw. objektspezifisch, sondern allgemeiner
Art sind, wie die Anzahl der Fälle
(hier wird jede ununterbrochene Folge von Aufnahmen solange zu einem "Fall" gezählt, solange
die Aufzeichnungsfunktion aktiviert ist und der Benutzer diese Menüfunktion
nicht verlässt),
Zugangsnamen und Passwörter,
Fehlerprotokolle, die lokale Sprachauswahl für Text und graphische Benutzeroberfläche u.ä. Der klinische
Benutzer hat keinen Zugang zu diesem Bereich der Datenstrukturen.
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Die Grundelemente der bevorzugten
Ausführungsform
der graphischen Benutzeroberfläche 18 sind
in den 3 – 6 gezeigt. Die graphische
Benutzeroberfläche
hat ihren besonderen Stellenwert dadurch, dass der Benutzer vorwiegend über sie
die vorliegende Erfindung bedient. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle dieser
Vorrichtung umfasst auch andere Komponenten. Zum Beispiel muss der
Benutzer das Kameramodul positionieren, um den gewünschten
Bereich (ROI) betrachten zu können.
Er muss Schalter für
den Netzanschluss und das anregende Strahlungsbündel betätigen und gelegentlich bewegliche
Datenträger
in den Computer einlegen. Im Wesentlichen erfolgen jedoch alle Interaktionen
mit der Vorrichtung über
die graphische Benutzeroberfläche. Sie
ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die graphische Benutzeroberfläche erleichtert
die praktikable Nutzung der Vorrichtung. Es muss betont werden,
dass die Vorrichtung vor allem von Chirurgen in einem intraoperativen
Umfeld genutzt werden soll. Zeit ist dabei ein kritischer Faktor,
und es ist davon auszugehen, dass die Benutzer über keine speziellen Computerkenntnisse
verfügen.
Vor diesem Hintergrund und basierend auf den Hauptfunktionen der
Erfindung wurde die graphische Benutzeroberfläche entwickelt.
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Um die Vorrichtung im beschriebenen
Umfeld betreiben zu können,
wurde bei der Gestaltung der graphischen Benutzeroberfläche bewusst
großer Wert
darauf gelegt, dass die Handhabung der Vorrichtung intuitiv erfolgen
kann. Dies soll ein Handbuch bei normalem Einsatz der Vorrichtung überflüssig machen
und dazu beitragen, dass die Vorrichtung ohne großen Zeitaufwand
eingesetzt werden kann. Der Benutzer ist sich unmittelbar darüber im Klaren, welche
Funktionen ihm zur Verfügung
stehen, Bedienungsfehler sind von vornherein so gut wie ausgeschlossen.
Alle erwähnten
Vorteile ermöglichen
die effiziente Anwendung der Erfindung in der beschriebenen Umgebung.
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Selbstverständlich kann statt der graphischen
Benutzeroberfläche
auch ein Spracheingabesystem vorgesehen sein, mit dem die erfindungsgemäße Vorrichtung
gesteuert werden kann. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Spracheingabesystem
zusätzlich
zur graphischen Benutzeroberfläche vorgesehen
ist, wodurch sich beispielsweise Zeitvorteile dadurch erzielen lassen,
dass der Benutzer einzelne oder sogar alte Funktionen ohne Verwendung seiner
Hände für z. B.
eine Zeigevorrichtung, wie eine Maus, per Spracheingabe steuern
und gleichzeitig die Ausführung
seiner Steuereingaben optisch überwachen
kann. Darüber
hinaus ist es auf diese Weise beispielsweise einem Operateur möglich, die
Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
während der
Operation zu übernehmen,
ohne seine Hände
in Kontakt mit nicht-sterilen Vorrichtungen wie z. B. der Zeigevorrichtung
zu bringen.
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Vorstehend wurde die Anwendung der
Erfindung bei der Bestimmung des Blutflusses durch einen ausgewählten Blutgefäßabschnitt
beschrieben, was in der Regel während
einer Operation erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung – in der Regel
ohne zusätzliche
Vorrichtungen, aber mit Änderungen
bei der Verwendung der vorgenannten Vorrichtungen und/oder beim
Ablauf der Messung – auch dafür geeignet,
die Qualität
der Gesamtperfusion in einem ausgewählten Gewebebereich zu bestimmen.
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Bei manchen medizinischen Behandlungsmethoden
wie beispielsweise der Behandlung von Brandwunden oder der Nachuntersuchung
nach Abschluss eines chirurgischen Eingriffs (d.h., dies erfordert
nicht unbedingt einen invasiven Eingriff im betreffenden Gewebe)
ist es von Vorteil, die Qualität
der Perfusion in einem bestimmten Gewebebereich zu bestimmen. Es
ist von noch größerem Wert,
die relative Perfusionsrate in einem Gewebebereich in einem Behandlungsbereich,
verglichen mit einem ähnlichen
Bereich im gesunden Gewebe, zu kennen. Hinsichtlich der Perfusion
im Gewebe ist die relative Perfusionsrate in der Regel ausschlaggebend
für die Diagnose.
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Die Vorgehensweise ist analog der
Vorgehensweise bei der Bestimmung der Blutdurchflussrate: Ein Chromophor
wird in den Blutkreislauf eingebracht, und eine Videoaufnahme wird
von einem ausgewählten
Gewebebereich gemacht. Die Aufnahmen können zur visuellen Beurteilung
der Perfusion herangezogen werden – der Helligkeitswert der Aufnahmen
entspricht der Perfusion. Die Rate, mit der die Helligkeit ansteigt,
entspricht dem Ansteigen der Perfusion im ausgewählten Gewebebereich Die relative Perfusionsrate
kann auf eine quantitative Weise wie folgt bestimmt werden: Der
Benutzer markiert auf dem Bildschirm eine ROI, von der die Perfusionsrate bestimmt
werden soll. Das Computerprogramm errechnet den Wert der gesamten
Pixelhelligkeit für
jedes Bild. Die Differenzen der Pixelhelligkeit in aufeinanderfolgenden
Bildern entsprechen der relativen Veränderung der Perfusion pro Zeiteinheit
in der ROI. Daher kann das Programm die zeitabhängige Perfusionsrate numerisch
und graphisch darstellen. Diese graphische Darstellung stellt somit
die relative Zeitrate der Perfusion in dem ausgewählten Gewebebereich
dar Es ist festzuhalten, daß die
unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen
beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise die graphische
Benutzeroberfläche,
die Vorrichtung für
die Projektion der Maßeinteilung,
Einzelheiten des Computersystems sowie das Sicherheitssystem, auch
bei anderen Ausführungsformen
vorhanden sein können,
außer
wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von
selbst verbietet.