DE19544187A1 - Verfahren zur Untersuchung von Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Derartige Verfahren, beispielsweise die sogenannte Positron-Emissions- Tomographie oder die Kernspin-Tomographie, werden üblicherweise in der Medizin verwendet, um Zellbereiche zu lokalisieren, deren Zellen im Ver­ gleich zu anderen Zellen abweisende Eigenschaften aufweisen. Auf diese Weise lassen sich krankhafte Zellbereiche, beispielsweise Tumorzellen oder Krebszellen, identifizieren und lokalisieren. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Bilder hierbei nicht in Echtzeit aufgenom­ men werden und daß demnach Aktivitäten des Körpers, wie z. B. Herzschlag oder Atmung, die Qualität oder Aussagekraft der aufgenommenen Zellbilder reduzieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit dem auf einfache Weise und innerhalb kurzer Zeit Zellbilder aufgenommen werden können, deren Qualität und Aussagekraft nicht durch Aktivitäten von Organen des Körpers reduziert wird.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Zellbilder mit Hilfe eines Wärme­ bildaufnahmesystems, das eine triggerbare Infrarotkamera und eine Ausga­ beeinheit aufweist, zu erzeugen. Mit der Infrarotkamera werden dabei Wär­ mebilder der Zellen aus dem Aufnahmebereich aufgenommen. Anschlie­ ßend werden diese Wärmebilder oder Wärmebilder, die durch Bildverarbei­ tung daraus gebildet werden, über die Ausgabeeinheit als Zellbilder ausge­ geben. Diese Zellbilder stellen dabei eine Temperaturverteilung über dem Aufnahmebereich oder zeitliche Änderungen der Temperaturverteilung dar. Da die Temperaturverteilung vom durch Zellaktivitäten oder Zellmetabolis­ men der Zellen des Aufnahmebereichs bewirkten Energieumsatz abhängt, werden durch die Zellbilder Zellbereiche mit Zellen sichtbar gemacht, deren Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen sich von den Zellaktivitäten oder Zell­ metabolismen von Referenzzellen oder von anderen Zellen des Aufnahme­ bereichs unterscheiden und/oder deren Zellaktivitäten oder Zellmetabolis­ men sich zeitlich verändern. Die Infrarotkamera wird zur Bildaufnahme mit vom Körper erzeugten Signalen, vorzugsweise mit Signalen, die durch Herz­ tätigkeit und/oder Atmung entstehen, getriggert oder synchronisiert. Durch die Triggerung der Infrarotkamera wird der Zeitpunkt der Bildaufnahme so eingestellt, daß der Beitrag der Temperaturverteilung, der aufgrund von Wärmepulsationen entsteht, deren Ursache nicht die Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen der Zellen des Aufnahmebereichs sind, in den Zellbildern nicht angezeigt, d. h. unterdrückt wird. Derartige Wärmepulsationen entste­ hen durch Aktivitäten von Körperorganen, beispielsweise durch den auf­ grund der Herztätigkeit bedingten pulsierenden Blutfluß. Auf diese Weise wird, da störende Beiträge der Temperaturverteilung unterdrückt werden, die Qualität und die Aussagekraft der von der Ausgabeeinheit ausgegebenen Zellbildern erhöht.

Das Verfahren ist, da es schnell und berührungslos durchgeführt wird und da es ein passives Meßverfahren ist, bei dem weder radioaktive noch elektro­ magnetische oder akustische Energie ausgestrahlt wird, bestens für den Ein­ satz in einem Operationssaal geeignet. Mit der Infrarotkamera lassen sich vorzüglich Wärmebilder eines durch einen operativen Eingriff offengeleg­ ten Aufnahmebereichs, d. h. Wärmebilder von Organen aus dem Inneren des Körpers eines Patienten aufnehmen. Beispielsweise ist die Infrarotkamera bestens geeignet, um Wärmebilder vom Gehirn eines Patienten, welches für einen neurochirurgischen Eingriff durch Entfernung eines Teils der Schädel­ decke teilweise offengelegt wurde, aufzunehmen. Anhand der durch die Ausgabeeinheit ausgegebenen Zellbilder sind Zellbereiche des Gehirns mit gegenüber benachbarten Zellbereichen veränderten Zellmetabolismen oder Zellaktivitäten oder Zellbereiche mit sich zeitlich ändernden Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen lokalisierbar. Da die Zellaktivitäten oder Zellmetabo­ lismen von gesunden und kranken Zellen sich voneinander unterscheiden, kann ein Arzt anhand der Zellbilder krankhafte Zellbereiche, z. B. Tumore, identifizieren und lokalisieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Zellbilder erzeugen, anhand derer Zellbereiche des Gehirns lokalisierbar sind, die für bestimmte Hirnfunktionen, beispielsweise für motorische, sensorische oder höhere Funktionen - das sind kognitive Funktionen zu denen das Erkennen, spre­ chen, Lesen, Wollen, Entscheiden gezählt werden -, zuständig sind. Diese Zell­ bereiche werden dabei durch verschiedene Patientenstimuli, das sind dem Patienten zugeführte sensorische Reize oder dem Patienten gestellte moto­ rische oder kognitive Aufgaben, die er bei vollem Bewußtsein zu lösen hat, in einen veränderten metabolischen Zustand gesetzt und die Änderungen der Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen durch das Wärmebildaufnahmesy­ stem detektiert und sichtbar gemacht. Die Wärmebilder werden dabei vor­ zugsweise synchron zu den Patientenstimuli aufgenommen. Da anhand der Zellbilder Zellbereiche mit grundlegenden Hirnfunktionen lokalisierbar sind, kann ein Arzt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einen neurochirurgi­ schen Eingriff so planen, daß durch den Eingriff keine wesentlichen Zellbe­ reiche des Gehirns verletzt werden.

Die von der Infrarotkamera aufgenommenen Wärmebilder können, um zeit­ liche Änderungen der Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen oder um deren Abweichungen gegenüber den Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen von Referenzzellen nachzuweisen, in der Ausgabeeinheit mit Wärmebildern des gleichen Aufnahmebereichs, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufge­ nommen wurden, oder mit einem von den Referenzzellen aufgenommenen Referenzbild verglichen werden. Die Ausgabeeinheit gibt als Ergebnis eines derartigen Vergleichs als Zellbild ein Differenz-Wärmebild aus, anhand des­ sen Zellbereiche mit gegenüber Referenzzellen oder gegenüber früheren Zeitpunkten veränderten Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen lokalisierbar sind.

Die Erfindung wird anhand der Figur näher beschrieben, die als Beispiel ein Wärmebildaufnahmesystem zeigt, das während eines operativen Eingriffs am Gehirn eines Patienten zur Erzeugung von Zellbildern verwendet wird, welche Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen von Gehirnzellen darstellen.

Die von dem Wärmebildaufnahmesystem 1 erzeugten Zellbilder dienen da­ bei zur Lokalisierung von Tumorzellen, die sich durch ihre Farbe nicht von gesunden Gehirnzellen unterscheiden.

Die Infrarotkamera 10 des Wärmebildaufnahmesystems 1 nimmt hierzu Wär­ mebilder vom durch den operativen Eingriff freigelegten Gehirn des Patien­ ten 2 auf. Dem Patienten 2, der während der Bildaufnahme bei vollem Be­ wußtsein ist, werden bestimmte Patientenstimuli zugeführt. Dadurch än­ dern sich die Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen seiner Gehirnzellen. An­ hand dieser Änderungen, die von der Ausgabeeinheit 11 des Wärmebildauf­ nahmesystems 1 als Zellbilder dargestellt werden, kann ein Arzt Zellbereiche des Gehirns, die für bestimmte Hirnfunktionen zuständig sind, lokalisieren und anschließend über den Fortgang der Operation entscheiden.

Die Infrarotkamera 10 des Wärmebildaufnahmesystems 1 ist zur Bildaufnah­ me auf den Aufnahmebereich 20 - das durch den operativen Eingriff offen­ gelegte Gehirn des Patienten 2 - ausgerichtet. Sie weist einen als Platinsilizid- Sensor ausgeführt starren Infrarotsensor mit in einer zweidimensionalen Matrix angeordneten Sensorelementen auf, auf den der Aufnahmebereich 20 mittels einer Infrarotoptik 12 abgebildet wird. Die Infrarotkamera 10 ist triggerbar ausgeführt und nimmt zum Herzschlag des Patienten 2 synchroni­ sierte Wärmebilder auf. Der Bildaufnahmezeitpunkt wird dabei so einge­ stellt, daß durch den pulsierenden Blutfluß bedingte Wärmepulsationen ei­ nen möglichst geringen Beitrag zur Temperaturverteilung des Aufnahmebe­ reichs liefern. Der Infrarotsensor wandelt Infrarotstrahlung der Wellenlänge 3-5 µm in elektrische Signale um, die zur Ausgabeeinheit 11 des Wärmebild­ aufnahmesystems 1 übertragen werden. Die Ausgabeeinheit 11, die als Steu­ errechner 110 mit einem Monitor 111, einem Drucker 112 und einer Magnetspeichereinheit 113 ausgeführt ist, wertet anschließend die ihr zugeführten elektrischen Signale aus. Zur Auswertung können dabei bekannte Bildverar­ beitungsalgorithmen, beispielsweise zur Kontrasterhöhung, zur Filterung oder zur Kantenerkennung, eingesetzt werden. Die ausgewerteten Signale werden als Wärmebild oder bearbeitetes Wärmebild, d. h. als Zellbild, am Monitor 111 oder Drucker 112 der Ausgabeeinheit 11 ausgegeben und, falls gewünscht, in der Magnetspeichereinheit 113 gespeichert. Die Ausgabeein­ heit 11 kann, um die Empfindlichkeit des Wärmebildaufnahmesystems 1 zu erhöhen, durch Mittelung über mehrere dem gleichen Patientenstimuli zu­ geordnete Wärmebilder, Zellbilder mit geringem Rauschanteil erzeugen. Die Belichtungszeiten des Infrarotsensors, d. h. die Bildaufnahmezeiten, können, da das Signal-zu-Rauschverhältnis der Infrarotkamera 10 mit steigender Be­ lichtungszeit zunimmt, hinsichtlich der Optimierung der geometrischen und der thermischen Auflösung des Wärmebildaufnahmesystems 1 verändert werden. Somit lassen sich, bei einer Betriebstemperatur des Infrarotsensors von 77-80 K, Wärmebilder mit einer Auflösung von 0,1 K und mit einer geo­ metrischen Auflösung von 1 mm aufnehmen. Durch in die Infrarotoptik 12 eingesetzte Filter läßt sich zudem der Wellenlängenbereich der zum Infra­ rotsensor gelangenden Infrarotstrahlung eingrenzen und die Temperaturse­ lektivität der Infrarotkamera 10 erhöhen. Die Infrarotkamera 10 kann im Dauerbetrieb mit beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz Bildabtastfrequenz betrie­ ben werden. Aufgrund der dadurch bedingten kurzen Bildaufnahmezeiten lassen sich mit dem Wärmebildaufnahmesystem 1 sowohl kurzzeitige Ände­ rung der Zellaktivitäten nachweisen als auch die Geschwindigkeit und die Richtung der Wärmeausbreitung bestimmen, anhand derer die Auswerteein­ heit 11 anschließend die Lage von Wärmequellen, d. h. die Lage der Zellen mit veränderter Zellaktivität berechnen kann.

Das Wärmebildaufnahmesystem 1, das im vorliegenden Beispiel eine Anwen­ dung aus dem Gebiet der Neurochirurgie zeigt, ist auch in anderen Gebieten der Medizin einsetzbar; es lassen sich damit nicht nur Wärmebilder des Ge­ hirns, sondern auch Wärmebilder von anderen inneren Organen, wie z. B. Leber, Niere oder Rückenmark, aber auch Wärmebilder von der Haut des Körpers 2 aufnehmen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von Zellbildern, die bestimmte Eigenschaften von Zellen aus einem Aufnahmebereich (20) eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers (2) darstellen, gekennzeichnet durch die Verwen­ dung eines eine triggerbare Infrarotkamera (10) und eine Ausgabeeinheit (11) aufweisenden Wärmebildaufnahmesystems (1), bei dem mit der Infrarot­ kamera (10) Wärmebilder des Aufnahmebereichs (20) aufgenommen werden, wobei die Infrarotkamera (10) zur Aufnahme der Wärmebilder mit vom Kör­ per (2) erzeugten Signalen getriggert oder synchronisiert wird, und bei dem mit der Ausgabeeinheit (11) die von der Infrarotkamera (10) aufgenomme­ nen Wärmebilder oder durch Bildverarbeitung aus diesen Wärmebildern ge­ bildete Wärmebilder als Zellbilder ausgegeben werden, welche zeitliche Än­ derungen der Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen der Zellen des Aufnah­ mebereichs oder Abweichungen der Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen von Zellen aus dem Aufnahmebereich gegenüber den Zellaktivitäten oder Zellmetabolismen von Referenzzellen oder von anderen Zellen des Aufnah­ mebereichs darstellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotka­ mera (10) mit Signalen, die durch Herzschlag und/oder Atmung des Körpers (2) entstehen, getriggert oder synchronisiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mit der Infrarotkamera (10) Wärmebilder eines durch einen operati­ ven Eingriff offengelegten Aufnahmebereichs (20) aufgenommen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotka­ mera (10) Wärmebilder von Gehirnzellen eines Gehirnes aufnimmt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Infrarotkamera (10) zu bestimmten Patientenstimuli synchroni­ sierte Wärmebilder aufnimmt.