WO2013087210A1 - Anordnung und verfahren zur registrierung von gewebeverschiebungen - Google Patents

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WO2013087210A1
WO2013087210A1 PCT/EP2012/005149 EP2012005149W WO2013087210A1 WO 2013087210 A1 WO2013087210 A1 WO 2013087210A1 EP 2012005149 W EP2012005149 W EP 2012005149W WO 2013087210 A1 WO2013087210 A1 WO 2013087210A1
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WO
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image data
dimensional
optical
volume
characteristic structures
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PCT/EP2012/005149
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English (en)
French (fr)
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Werner Nahm
Hans-Joachim Miesner
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H30/00—ICT specially adapted for the handling or processing of medical images
    • G16H30/40—ICT specially adapted for the handling or processing of medical images for processing medical images, e.g. editing

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for registering vessel displacements.
  • Angiography is called in medicine, the representation of tissue, especially vessels, usually blood vessels, using imaging techniques.
  • a contrast agent that is to say a substance which enhances the image contrast or is particularly clearly visible in the selected examination method, is often injected into the vessel.
  • the interior of the vessel filled with the contrast agent then becomes visible.
  • the resulting image is called angiogram.
  • optical angiography there is generally a video recording of the dye front of a visually detectable contrast agent passing through a vessel, which was injected in the form of a bolus into the vessel to be examined.
  • a special case of optical angiography is the so-called fluorescence angiography, in which a photographic representation of the blood vessels with the aid of fluorescent dyes.
  • DE 103 39 784 A1 describes such a video fluorescence angiography method and a microscopy system for carrying out the method.
  • a corresponding system is manufactured by the Applicant and sold under the name IR800. It is possible to perform optical angiography by video recording with a mono camera. However, it is also possible to use two cameras or a stereo camera to create stereo images.
  • CTA Computer tomographic angiography
  • Computer tomography is the computer-based evaluation of a large number of X-ray images of an object taken from different directions, in which the unrecognized volume structure is subsequently reconstructed in order to produce a three-dimensional image.
  • Two-dimensional sectional images can be generated from the three-dimensional image and displayed on a monitor. It is also possible to display the three-dimensional image in the form of projections on the monitor. After contrast administration, a vessel presentation is possible.
  • Magnetic Resonance Imaging or magnetic resonance imaging (MRI)
  • MRA Magnetic Resonance Imaging
  • MRI magnetic resonance imaging
  • An essential basis for the image contrast are different relaxation times of different types of tissue.
  • the different content of hydrogen atoms in different tissues also contributes to the image contrast.
  • blood vessels can also be displayed.
  • the three-dimensionally recorded data sets can be displayed as two-dimensional sectional images or as projections on a monitor, as in the case of the CTA.
  • magnetic resonance imaging is also used synonymously for the term magnetic resonance tomography.
  • the abbreviation MRI also found, comes from the English term Magnetic Resonance Imaging.
  • An apparatus and a method for carrying out the MRT are described, for example, in DE 3504734 A1.
  • the arrays or devices for performing three-dimensional imaging in CTA and MRA are bulky compared to a video camera needed for optical angiography.
  • a computed tomograph in traditional C-arm design incorporates two giant arms that face an X-ray source and a CT detector and bypass the patient's body.
  • a device of this type is described for example in EP 0244596 AI.
  • annular computer tomographs are known in the interior of which the patient is driven on a stretcher.
  • the x-ray source orbits the patient within the ring.
  • An arrangement of this type is described for example in US 6373920 Bl.
  • a magnetic resonance tomograph is usually of annular design.
  • An arrangement of this kind is shown and described in US 20081 19720 AI.
  • CTA and MRA provide a wealth of information about the volume of a tissue, but due to the large space and time requirements of the corresponding recording devices can be used only partially intraoperatively.
  • optical angiography is fast and the video camera required for image acquisition requires comparatively little space, but only information about the surface of the tissue that is insufficient for the surgical treatment or removal of the tissue by a medical doctor is obtained.
  • CTA and / or MRA are usually only used preoperatively to plan a surgical procedure or intermittently for control purposes and planning of further surgical procedures, whereas optical angiography is used intraoperatively.
  • optical angiography is used intraoperatively.
  • Intraoperative imaging ultrasound is currently the most readily available intraoperative imaging technology.
  • the method can currently be used safely only by specially trained users and is inferior to the CT / MR method with regard to the recognition of relevant anatomical structures and their resolution. Due to the required direct contact of the ultrasound probe with the tissue to be examined, ultrasound is only conditionally usable for detecting brain tissue.
  • Optical methods are also already known which use intraoperatively recorded image and video data to identify anatomical structures and to correlate them with the corresponding structures of preoperatively recorded data.
  • HAL author manuscript "A surface registration approach for intraoperative brain surface deformations" by Perrine Paul, Aurelie Quere, Elise Arnaud, Xavier Morandi and Pierre Jannin, presented at the Workshop on Augmented Environments for Medical Imaging and Computer-Aided Surgery was introduced in 2006.
  • the automatic analysis Tomography recognition based on these methods is currently still relatively susceptible to artifacts due to external influences such as reflections, instruments and anatomical conditions.
  • the object of the invention is now to provide an arrangement and a method for the registration of tissue displacements, which are quick and easy to use and provide reliable results.
  • the arrangement according to the invention for registering tissue displacements in a surface-comprising volume of a tissue comprises two angiographic image data acquisition devices.
  • the first detection device is used to acquire three-dimensional first angiographic image data of a first volume fraction of the volume of the tissue.
  • the second detection device is designed to acquire optical second angiographic image data of a first near-surface region of the tissue.
  • the area close to the surface encompasses both the surface of the tissue and deeper structures, such as near-surface blood vessels, which are not directly visible on the surface, but which are at least partially hidden by other tissue layers or structures.
  • the near-surface region thus comprises a volume region which extends from the surface of the tissue into the tissue with a small depth.
  • the first acquisition device can be, for example, an X-ray computer tomograph or a magnetic resonance tomograph or a combination of both devices.
  • the second detection means is e.g. a mounted on a surgical microscope video camera, in particular infrared camera, with the help of optical, especially fluorescence, angiography is operated.
  • the video camera may include a monocamera or a stereo camera.
  • the first identification means is for identifying first characteristic structures within the first volume fraction from the acquired three-dimensional first image data.
  • the second identification device is designed to identify second characteristic structures within the first near-surface region from the acquired optical second image data.
  • Both identification units can be integral parts of computers, for example.
  • the first identification unit can be the computer controlling the above-mentioned X-ray computer tomograph or a magnetic resonance tomograph or a component thereof on which a corresponding computer program is installed.
  • the second identification unit can be, for example, the computer controlling the surgical angiography system with surgical microscope and video camera, on which appropriate software is installed.
  • the programs for both identification units can also be installed on a single computer or provided by a server via a corresponding data connection, in particular via a network.
  • a third identification device is provided for identifying mutually corresponding first and second characteristic structures.
  • Corresponding structures are e.g. near-surface blood vessels, both by means of the first detection means, e.g. with MRA or CTA, as well as with the aid of the second detection device, namely in particular optical angiography.
  • the third identification device can also be part of a computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device.
  • the two recording devices for volume and surface images the two recording devices for volume and surface images.
  • Identification devices for structures in the volume and surface images and the third identification device, which is configured to identify corresponding structures in the volume and surface images from the identified structures are according to the invention a first calculation device for calculating at least one geometric deviation between at least two of the provided corresponding to each identified first and second characteristic structures and a first display means for representing the at least one calculated geometric deviation.
  • the former can in turn, be part of a computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device and / or third identification device.
  • the first display device may comprise a screen or a display and / or a data input device, which is arranged in particular in at least one eyepiece of a microscope.
  • the second detection device can detect two-dimensional optical second angiographic image data in a viewing plane. Such 2D angiography can be performed interoperatively quickly and inexpensively, for example with a video camera.
  • the third identification device can be designed such that it carries out a projection of the acquired three-dimensional first angiographic image data onto the viewing plane of the acquired optical second angiographic image data. Such a projection makes it possible to provide, without any assumptions or model calculations on the structure of the tissue, a view corresponding to the view recorded with the second detection means.
  • the three-dimensional image data of the first detection device and the two-dimensional image data of the second detection device can thus be directly compared with one another without the preoperatively recorded data of the first detection device being corrupted by possibly incorrect model assumptions.
  • the illustrated outer surface or the imaged near-surface region is generally not a smooth, flat surface but a three-dimensional structure
  • a projection or a coordinate transformation can be used in order to project the image data of the first detection device onto the viewing direction, the viewing angle and / or other geometric parameters of the image data of the second detection device.
  • the third identification device can be designed such that it performs a pattern matching between the projection of the acquired three-dimensional first angiographic image data and the acquired optical second angiographic image data in order to identify corresponding first and second characteristic structures.
  • Such an automated pattern matching makes it possible to have corresponding characteristic structures particularly efficient and accurate. As a result, a tissue shift can be determined particularly reliably.
  • the third identification device can be assigned an identification probability calculation device in order to determine the probability of the correctness of the identification or assignment of corresponding first and second characteristic structures.
  • the identification probability calculating device is provided for determining with which identification probability the first and second characteristic structures identified as corresponding to each other actually correspond to one another.
  • the first presentation device can be set up and configured to display the calculated identification probability (preferably spatially resolved). This can be done, for example, by representing areas which were more likely to be correctly identified with a different color than those having a lower probability of identification (so-called false color representation).
  • the first identification device may be provided and arranged to divide the acquired three-dimensional first image data into segments and to identify at least one of the first characteristic structures within one of the segments of the first volume fraction.
  • the second identifying device can be set up to detect the detected optical second (surface)
  • segments are understood to mean coherent areas within a two- or three-dimensional image.
  • the advantages of the segmentation are, in particular, the easier identification of characteristic structures and the associated reduction in computation time compared to non-segmented analysis.
  • the first presentation device prefferably be provided and set up to display the at least one geometric deviation according to direction and / or magnitude, in particular by false color representation or by vector maps. This will allow a surgeon or a person assisting this surgeon to quickly get an idea of the direction and / or extent of a brain shift. Previously identified tumor In this way, rich can be found again quickly, and remaining areas can be found more easily.
  • the first display device is additionally set up to superimpose the calculated geometric deviation and the optical second image data of the first near-surface region.
  • the deviation diagrams false color diagrams or vector maps
  • the deviation diagrams by image overlay on the screen, monitor or display monoscopic or stereoscopic or by data reflection in one or more observation beam paths of the aforementioned surgical microscope, in particular monocular or binocular and thus enabling a monoscopic or stereoscopic viewing, can be represented.
  • the arrangement may comprise a second calculation device for calculating an expected geometric displacement of at least one of the identified first characteristic structures within the first volume fraction from at least one of the calculated geometric deviations.
  • the calculation may be based on an appropriate volume model (e.g., elastic vascular or tissue model) to predict the effect of a superficially registered displacement on the underlying anatomical structures. From this, the anatomical deviations from the preoperative volume data can be calculated. It thus becomes easier for the surgeon or the person assisting this surgeon to carry out appropriate operation planning. Necessary changes in the operation plan during the operation itself can be avoided or at least reduced by this measure.
  • the second calculation device may in turn be part of a single computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device and / or the first calculation device.
  • a third calculation device can furthermore be provided in order to obtain the three-dimensional first image data of the first volume fraction of the first volume component. Lumens according to the calculated estimated geometric displacement to change, wherein the first display device may be in particular configured to represent the changed three-dimensional first image data of the first volume portion of the volume. This makes it even easier for the surgeon or assistant to gain an overview of the operative situation.
  • the third calculation device can also be part of a single computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device and / or the first calculation device and / or the second calculation device.
  • a commonly existing equipment comprising a computer can thus be set up, for example, merely by applying a computer program for carrying out the necessary arithmetic operations described above.
  • a fourth calculating means may be provided for calculating a prediction probability for the calculated prospective geometric displacement.
  • the prediction probability like the prediction itself, can also be depth-dependent. This prediction probability can be displayed, for example, on the first display device. Alternatively or additionally, a second display device may be provided to represent the calculated prediction probability for the calculated prospective geometric displacement.
  • the first display device and / or a second display device may be further configured to represent the calculated prospective geometric displacement.
  • the second display device can in turn be a screen and / or a data input device arranged in at least one eyepiece of a microscope.
  • the representation of the calculated prospective geometric displacement can in turn be done according to direction and / or amount. False color representations or vector maps are appropriate means for this purpose. Determining whether the actual operative situation coincides with the surgical planning is thus further simplified. Mistreatment in carrying out surgery can be largely prevented.
  • the fourth calculation device can in turn be part of a computer, in particular of the computer, which contains the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device and / or the first calculation device and / or the second calculation device and / or the third calculation device. includes device. Additional hardware is usually not required.
  • the corresponding method according to the invention for registering tissue displacements in a surface-comprising volume of a tissue comprises the following method steps: In a first method step, three-dimensional first angiographic image data of a first volume fraction of the volume e.g. detected by X-ray computed tomography and / or magnetic resonance imaging. In a subsequent method step, first characteristic structures within the first volume fraction are identified from the acquired three-dimensional first angiographic image data. In another method step, optical second angiographic image data, in particular video image data, of a first near-surface region of the tissue are acquired.
  • second characteristic structures within the first near-surface region are identified from the acquired optical second angiographic image data.
  • the corresponding first and second characteristic structures are identified in a further step.
  • at least one geometric deviation between at least two of the respectively identified first and second characteristic structures is calculated and the at least one calculated geometric deviation, in particular according to direction and / or magnitude and e.g. represented by false color representation or by vector maps.
  • the optical second angiographic image data can be acquired two-dimensionally in a viewing plane, for example with the aid of a video camera as 2D angiography. Furthermore, a projection of the acquired three-dimensional first angiographic image data onto the viewing plane of the acquired optical second angiographic image data can be performed. Such a projection is a purely geometrical transformation of the recorded first image data and can therefore be carried out independently of assumptions about the structure of the considered tissue. Further, pattern matching may be performed between the projection of the acquired three-dimensional first angiographic image data and the acquired second optical angiographic image data to identify corresponding first and second characteristic structures.
  • the acquired three-dimensional first image data may be divided into segments in the corresponding method step described above, and it is possible for at least one of the first characteristic structures to be identified within one of the segments of the first volume fraction. Segmented treatment of image data has the advantage of rapid automated discovery of characteristic structures.
  • the second optical image data may be image data acquired by fluorescence angiography.
  • the use of fluorescence angiography to acquire the second optical image data is characterized by the fact that healthy tissue can be distinguished comparatively easily from tumor tissue. Attention is drawn to the so-called IR800 functionality of surgical microscopes of the Applicant.
  • the acquired optical second image data can also be subdivided into segments, in which case at least one of the second characteristic structures within one of the segments of the first near-surface region is identified.
  • the division of the optical image data into segments and their segmented analysis is also characterized by the rapid automated findability of characteristic anatomical structures or landmarks.
  • the method according to the invention can also comprise the further method step "superposed display of the optical second image data of the first near-surface region."
  • a superposed representation of the optical second image data and superficial deviations between the first and second characteristic structures identified as corresponding to one another allows it Surgeons or assistants identify areas of the visible operating room that can be treated without risk and areas in which healthy is indistinguishable from diseased tissue.
  • the superimposed representation of the optical second image data of the first near-surface region and the at least one calculated geometric deviation can take place on a screen, preferably in the vicinity of the object to be examined, or by data reflection into at least one eyepiece of an (operating) microscope.
  • a screen display is characterized in that the surgeon, assistant and possibly operating personnel always get the same impression of the tissue to be examined and discuss the further course of the operation together.
  • the advantage of having a data input is that the examining surgeon has his instruments in view and the direct influence of the treatment on the success of the treatment is visible. It is possible, for example on the basis of a volume model, in particular of an elastic vessel or tissue model, to make a statement as to whether a suitable identification of corresponding first and second characteristic structures has taken place. According to the invention, therefore, the process step
  • this probability of identification for example by means of a monitor, is also displayed.
  • the method may be characterized by the further method step "calculating a probable geometrical displacement of at least one of the identified first characteristic structures within the first volume fraction from at least one of the calculated geometric deviations.”
  • a volume model in particular an elastic model, may be used to perform this method step Vascular or tissue model, the implementation of this procedural step in the inventive method has the advantage of the possibility of improved operation planning over conventional methods.
  • the further method steps can be provided "changing the three-dimensional first image data of the first volume fraction of the volume corresponding to the calculated estimated geometric displacement and displaying the changed three-dimensional first image data of the first volume fraction of the volume.” This measure provides reliability or reliability information to the surgeon or assistant the images presented, from which he can again draw conclusions on the further operation planning.
  • a further improvement of the information about the reliability of the image data provided can be achieved by calculating in a further method step a prediction probability for the calculated prospective geometric displacement and this calculated prediction probability for the calculated prospective geometric displacement and possibly also the calculated prospective geometric displacement (eg by direction and / or amount) are displayed (eg by false color representation or by vector maps).
  • the superimposed presentation of the three-dimensional first image data of the first volume fraction and the at least one calculated prospective geometric displacement can be carried out in accordance with the above-described requirements on a screen or by data reflection into at least one eyepiece of a microscope.
  • An arrangement for registering tissue displacements in a surface-comprising volume of a tissue comprising: first detection means for acquiring three-dimensional first image data of a first volume fraction of the volume first identification means for identifying first characteristic structures within the first volume portion of the acquired three-dimensional first image data, second detection means for acquiring second optical image data of a first surface portion of the surface of a second identification means for identifying second characteristic structures within the first surface portion from the detected ones optical second image data, third identification means for identifying mutually corresponding first and second characteristic structures, first calculation means for calculating at least one geometric deviation between at least two of the correspondingly identified first and second characteristic structures, first representation means for representing the at least one calculated one geometric deviation.
  • the first detection means is an X-ray computer tomograph and / or a magnetic resonance tomograph.
  • the first identification device is part of a computer.
  • the first identification means is arranged to divide the acquired three-dimensional first image data into segments and to identify at least one of the first characteristic structures within one of the segments of the first volume fraction.
  • the second detection device is a video camera, in particular an infrared camera.
  • the second identification device is part of a computer, in particular of the
  • Computer which includes the first identification device.
  • the second identification means is arranged to divide the detected optical second image data into segments and to identify at least one of the second characteristic structures within one of the segments of the first surface portion.
  • the third identification device is part of a computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device.
  • the first calculation device is part of a computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device.
  • the first display device is set up to represent the at least one geometric deviation by direction and / or magnitude, in particular by false color representation or by vector maps.
  • the first display device is set up to superimpose the calculated geometric deviation and the optical second image data of the first surface portion of the surface.
  • the first display device comprises a screen and / or a einLiteungseinrich- device, which is arranged in particular in at least one eyepiece of a microscope.
  • identification probability calculating means for calculating a probability for the correctness of the identification of two corresponding first and second characteristic structures.
  • Arrangement according to aspect 13 characterized in that the first display device is set up or a further display device is provided to display the calculated probability of identification.
  • a second calculation device is provided to calculate an expected geometric displacement of at least one of the identified first characteristic structures within the first volume fraction from at least one of the calculated geometric deviations.
  • the second computing device is part of a computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device and / or the first calculation device.
  • Arrangement according to one of the aspects 15 or 16 characterized in that the second calculation device is set up to calculate the probable geometric displacement on the basis of a volume model, in particular of an elastic vessel or tissue model.
  • a third calculation device is provided in order to obtain the three-dimensional first image data of the change the first volume fraction of the volume according to the calculated estimated geometric displacement and that the first display device is adapted to represent the changed three-dimensional first image data of the first volume fraction of the volume.
  • the third calculation device is part of a computer, in particular of the computer, which comprises the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device and / or the first calculation device and / or the second calculation device ,
  • the fourth computing device is part of a computer, in particular of the computer, which the first identification device and / or the second identification device and / or the third identification device and / or the first calculation device and / or the second Calculation device and / or the third calculation means comprises.
  • the first representation device is set up and / or a second representation device is provided to represent the calculated prediction probability for the calculated prospective geometric displacement.
  • the first display device and / or a second display device is / are set up to represent the calculated prospective geometric displacement.
  • Arrangement according to one of the aspects 23 or 24 characterized in that the representation of the calculated probable geometric displacement by false color representation or by vector cards takes place.
  • a method of registering tissue displacements in a surface-bearing volume of a tissue comprising the steps of:
  • Method according to aspect 27 characterized in that the three-dimensional first image data are acquired by means of X-ray computer tomography and / or magnetic resonance tomography.
  • Method according to one of the aspects 27 to 32 characterized in that the representation of the at least one geometric deviation takes place according to direction and / or amount.
  • Method according to one of the aspects 27 to 33 characterized in that the representation of the at least one geometric deviation is effected by false color representation or by vector maps.
  • Method according to one of aspects 27 to 34 characterized by the further method step: - Layered representation of the optical second image data of the first surface portion of the surface method according to aspect 35, characterized in that the superimposed representation of the optical second image data of the first surface portion of the surface and the at least one calculated geometric deviation on a screen or by data enteinschauung in at least an eyepiece of a microscope takes place.
  • Method according to one of the preceding aspects characterized by the method step:
  • Methods Calculating an expected geometric displacement of at least one of the identified first characteristic structures within the first volume fraction from at least one of the calculated geometric deviations.
  • Method according to aspect 39 characterized in that a volume model, in particular an elastic vessel or tissue model, is used to calculate the prospective geometric displacement.
  • Method according to one of the aspects 39 or 40 characterized by the further method steps:
  • FIG. 2 blood-perfused blood vessels in a volume of a tissue having a surface, which is examined with the arrangement according to the invention according to FIG.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for registering
  • the arrangement 100 comprises an X-ray computer tomograph 101 in the form of a C-arm and a surgical microscope 1 10 with a coupled video camera 11 1.
  • the C-arm 101 is formed in a conventional manner. It comprises two huge arms lOld, lOle, at the outer ends of which an X-ray source 101a and an X-ray detector 101b are diametrically opposed.
  • the two arms 1 Old, 1 Ole with the X-ray source 101a and the X-ray detector 101b can circumnavigate the body, in particular, for example, the head 200 of a patient 161 lying on a couch 160, for example in a circular or spiral manner.
  • the X-ray source 101a and the X-ray detector 101b are arranged opposite one another such that the x-rays 101f of the x-ray source 101a aligned with the x-ray detector 101b penetrate the head 200 of the patient 161 and a CT angiographic image of the tissue 163 of the brain 162 with the blood vessels 164, as shown for example in FIG.
  • the X-ray computer tomograph 101 is connected to a computer 140 via a data line 101c.
  • this computer 140 is designed to control the functionality of the computer tomograph 101, and on the other hand it enables the data acquisition and evaluation of three-dimensional image data of the type described in the introduction to the description.
  • it comprises a computer module 102 with a computer program with program code which allows it to be spatially resolved identify characteristic structures in the examined tissue 163 from the three-dimensional image data acquired by the computed tomography scanner 101.
  • characteristic vascular structures are identified that represent unique anatomical landmarks available in sufficient numbers throughout the brain that are suitable for registration and correction of brain shift.
  • the identified characteristic vascular structures may be e.g.
  • a keyboard 108 is provided, which is connected to the computer 140 via a data line 108a to allow a user to set various functionalities of the computer tomograph 101 or other connected devices.
  • the computer 140 is still connected via a control line 109a to one or more actuators 109 which allow the C-arm 101 to be placed in any position relative to the body of the patient 161.
  • the computer 140 comprises for this purpose a computing module 103 with a computer program with program code.
  • the actuator control computing module 103 is designed and set up to actuate the servomotors 109 at the request of the user via the keyboard 108, and on the other hand, the position of the C-arm 101 is selected according to a predetermined scan program (cf. the hint in the introductory part of the description) or also because of the data to set information received, as will be described in more detail below.
  • the computer 140 will typically include other computational modules 104, 105 in the form of program-code computer programs which are necessary or useful for the functionality of the system.
  • the corresponding computing modules 104, 105 are shown in dashed lines in the drawing.
  • the surgical microscope 1 10 is formed in a conventional manner. It comprises a microscope optics 1 10a with a main objective 1 10b with an optical axis 1 10h, which passes through the main objective 1 10b centrally.
  • the object to be examined in the present case the brain 162 of the patient 161 lying out of the couch 160, is arranged.
  • Optical radiation e.g., visible, infrared, and / or ultraviolet
  • the parallel beam two zoom systems 1 10c arranged at a distance from the optical axis are arranged.
  • Umlenkprismen eyepieces 1 lOe in which a viewer with his left and right eye 1 lOf takes insight to an enlarged view of the object to perceive the brain 162 as an image.
  • the image perceived by the left eye corresponds to an image viewed at an angle ⁇ to the optical axis 1 10h
  • the image perceived by the right eye corresponds to an image when the object 162 is viewed at an angle -a to the optical axis 1 10h, so that the viewer receives with his two eyes 1 1 Of a total of a stereoscopic image of the object 162.
  • a partially transmissive mirror 1 10g is arranged to couple out a portion of the optical radiation of the partial beam 1 lOd as a lower beam 1 lOi.
  • the lower-section beam 1 10i is transferred to a photosensitive surface 1 1 1c of the video camera 1 1 1 via a camera adapter optic such that it receives an image of the object 162 when viewed at the angle -a to the optical axis 110h of the main objective 1 10b.
  • the images taken by the camera 1 11 are transmitted as image data via a data line 1 1 lb to a computer 150.
  • the photosensitive surface of the camera 1 1 1 sensitive to infrared light.
  • the camera 1 1 1 thus allows the detection of the emission of the fluorescent dye indocyanine green (ICG), which accumulates in the blood of the patient 161 after a corresponding bolus dose and on the one hand ensures the visibility of the vascular structure 164 of the examined tissue 163, on the other hand as fort-
  • the trailing dye front allows the detection of the movement of the blood flowing through the vessels 164.
  • the computer 150 comprises a plurality of computing modules 1 12, 1 13, 1 14, 1 15, 120, 122 in the form of computer programs with program code.
  • the computing module 1 12 represents an identification device for identifying characteristic structures on the surface detected by the (video camera 11 1).
  • the computing module 1 13 is designed as an identification or assignment device for acquiring the image data of the X-ray computed tomography device 101
  • Computer 140 are made available to the computer 150 via the data line 140a, and the optical image data temporally continuously recorded by the video camera 11 1 is spatially assigned to one another.
  • the term "matching" is frequently used for this process This is on the one hand via neuronavigation or by comparison of characteristic anatomical structures, in particular the course or orientation of the blood vessels 164 itselfrespectively.
  • the computer 150 further comprises the computing module 1 14, hereinafter referred to as the deviation calculation module 1 14.
  • This deviation calculation module 114 functions as a calculation device for calculating at least one geometric deviation between at least two of the characteristic structures identified as corresponding to one another, in particular of blood vessels 164 arranged directly below the surface.
  • the computer 150 includes a further computing module 1 15 provided.
  • This calculation module which is referred to below as the displacement calculation module 15, is set up to calculate a prospective geometric displacement of the characteristic structures determined by CT within the examined volume from the calculated geometric deviations, for example by means of an elastic vessel or tissue model.
  • the same calculation module 15 is further arranged to change the three-dimensional CT image data according to the expected geometric displacements. On the screen 1 16 then the modified three-dimensional CT image data can be displayed.
  • a calculation module 121 is provided to calculate prediction probabilities for the calculated prospective geometric displacements.
  • a printer 17 is connected to the computer 150 via the data line 17a. Both devices, namely the screen 1 16 and the printer 1 17 serve as output means for outputting the temporally continuously calculated from the optical image data of the video camera geometric deviation between the identified as mutually corresponding characteristic structures of the CT image acquisition and the camera image recording.
  • the surgical microscope 1 10 is equipped with one or more servomotors 1 19, which make it possible to align the surgical microscope with respect to the tissue to be examined.
  • the computing module 120 hereinafter also referred to as servomotor controller 120, provides for alignment of the surgical microscope 1 10 on the basis of manually entered, for example via the keyboard 1 18 commands, an automatically running algorithm or information, which from the computer 140th can be made available to the computer 150 via the data line 140a.
  • the computing module 120 is set up and designed such that the surgical microscope 110 and in particular the video camera 1 1 1 on the basis of the captured from the CT sheet 101 3-dimensional image data enabling continuous recording of the optical image data of the desired surface align.
  • the computing module 103 is set up and configured such that the positioning motors 109 for the C-arm 101 can be used to align the 3-dimensional image data of the volume assigned to the surface with the optical image data captured by the video camera 11.
  • the computer 150 may be equipped with other functionalities. In the exemplary embodiment, this is indicated by means of the mathematical module 122 shown in dashed lines.
  • the identification and assignment of anatomical structures (landmarks) and their representation for the surgeon are shown below. It is assumed that the surgeon has the equipment shown schematically in FIG. It is assumed that a patient 161 is placed on a couch 160. Medically trained personnel (not shown) prepares the patient 161 and a computer tomograph 101 for a CT scan (start 301). A CT angiography of the head 200 of the patient 161 in the manner described in the beginning is recorded preoperatively (step 302).
  • the computer 140 segments the preoperatively recorded angiography (step 303) and identifies characteristic structures (landmarks) from these data in a further step 304. These characteristic structures may be indicated to the operator (not explicitly shown here) by color marking or the like on the 3D angiography-indicating screen 106. It is further believed that the surgeon has identified diseased or altered tissue using CT angiography and surgery is inevitable. Thus, after beginning preoperative 3 D angiography (step 302), patient 161 is prepared for surgery. The skull is opened and the brain 162 is exposed in the region to be treated, as also schematically shown in FIG. 2 (not shown in FIG. 3).
  • an IR800 angiography ie an optical fluorescence angiography, performed.
  • this angiography does not provide any three-dimensional image data, ie it does not represent 3D angiography but merely two-dimensional image data of a surface area of the brain 162 under consideration. This is therefore also referred to as 2D angiography.
  • the connected computer 150 segments the intra-operatively recorded 2D angiography (step 306) and identifies characteristic data (landmarks) from these data in a further step 307. These characteristic structures can also be identified by colored marking or the like on the 2D angiography-indicating screen 1 16 for the operator (also not explicitly shown here).
  • 2D angiography also enables such blood vessels and tissue structures to be identified as landmarks and automatically identified, which are not directly visible on the surface of the brain 162 under consideration. This increases the number and accuracy of the landmarks that can be identified from intraoperatively acquired image data.
  • near-surface blood vessels are recorded and evaluated by the intraoperative 2D angiography.
  • the intraoperative 2D angiography By detecting near-surface structures, it is possible in particular to determine a displacement of the surface of the considered brain 162 as described below. If the angiographic method used is designed such that, for example, the fluorescence from deeper Lying structures lying, even displacements of lower-lying volume ranges of the brain 162 under consideration can be determined.
  • the matching module 1 13 of the computer 150 assigns the structures identified in the IR800 angiography to the structures identified in the CT angiography.
  • This assignment first comprises a projection of the preoperative 3D angiography data onto the viewing plane of the intraoperatively recorded 2D angiography.
  • a projection is independent of the structure or the physiological properties of the recorded brain, but includes a purely geometric transformation of the recorded data.
  • the viewing plane of the intraoperatively acquired 2D angiographic data is known from the position, orientation and imaging characteristics of the surgical microscope used.
  • the preoperatively recorded 3D angiography data can be converted by a mere coordinate transformation or projection or geometric mapping to the viewing plane of the intraoperatively recorded 2D angiographic data.
  • the deviation calculation module 114 of the computer 150 then computes the geometric deviations between the associated (near-surface) structures of the IR 800 and CT angiograms in step 309.
  • the operator has the choice (step 310) whether he wants to display the geometric deviations by amount and direction as a vector map as in step 311 or only by amount as a false color representation as in step 312 on the screen 1 16.
  • the user has the option of selecting (step 313) to have the IR 800 angiography superimposed in addition (step 314).
  • the displacement calculation module 15 calculates a fictitious current (i.e., intraoperatively existing) 3D angiography from the geometric deviations calculated in step 311.
  • the prediction probability calculation module 121 calculates the associated local deviation probability.
  • step 316 The user now again has the option (step 316) of having the calculated presumed 3D angiography displayed on the monitor 116 intraoperatively (step 317). He also has the option (step 318) to also display the calculated local deviation probability in false color representation (step 319). The end of the procedure is indicated in the drawing by the symbol denoted by the reference numeral 320.
  • calculation module comprising a computer program with program code (identification computer)
  • computing module comprising a computer program with program code
  • calculation module comprising a computer program with program code (relative value calculator)
  • calculation module comprising a computer program with program code (matching module)
  • calculation module comprising a computer program with program code (deviation calculation module)
  • calculation module comprising a computer program with program code (displacement calculation module)
  • computing module comprising a computer program with program code (servomotor control)
  • calculation module comprising a computer program with program code (prediction probability calculation module)
  • 122 computing module comprising a computer program with program code 140 computer

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (100) zur Registrierung von Gewebeverschiebungen in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes (163) mit einer ersten Erfassungseinrichtung (101) zum Erfassen von dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten eines ersten Volumenanteils des Volumens, einer ersten Identifizierungseinrichtung (102) zum Identifizieren von ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus den erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten, einer zweiten Erfassungseinrichtung (111) zum Erfassen von optischen zweiten angiographischen Bilddaten eines ersten oberflächennahen Bereichs des Gewebes (163), einer zweiten Identifizierungseinrichtung (112) zum Identifizieren von zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten oberflächennahen Bereichs aus den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten, einer dritten Identifizierungseinrichtung (113) zum Identifizieren von einander entsprechenden ersten und zweiten charakteristischen Strukturen, einer ersten Berechnungseinrichtung (114) zum Berechnen wenigstens einer geometrischen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen, einer ersten Darstellungseinrichtung zum Darstellen der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren sowie ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens und einen Computer, der zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Beschreibung:
Anordnung und Verfahren zur Registrierung von Gewebeverschiebungen Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Registrierung von Gefäßverschiebungen.
Angiographie nennt man in der Medizin die Darstellung von Gewebe, insbesondere Gefäßen, meist Blutgefäßen, mit Hilfe von Bildgebungsverfahren. Hierzu wird häufig ein Kontrastmittel, das heißt ein Stoff, der den Bildkontrast verstärkt bzw. in der gewählten Untersuchungsmethode besonders gut sichtbar ist, in das Gefäß injiziert. Auf dem Bild der aufgenommenen Körperregion zeichnet sich dann der mit dem Kontrastmittel gefüllte Gefäßinnenraum ab. Das resultierende Bild nennt man Angiogramm. Man kann Angiographien nach dem zugrundeliegenden Bildgebungsverfahren unterscheiden. Insbesondere folgende Arten von Angiographien werden in der Literatur genannt: optische Angiographie
- computertomographische Angiographie
- kernspintomographische Magnetresonanzangiographie
Bei der optischen Angiographie erfolgt im Allgemeinen eine Videoaufzeichnung der ein Gefäß durchlaufenden Farbstofffront eines optisch detektierbaren Kontrastmittels, welches in Form einer Bolusgabe in das zu untersuchende Gefäß injiziert wurde. Ein Spezialfall der optischen Angiographie ist die sogenannte Fluoreszenz-Angiographie, bei der eine fotographische Darstellung der Blutgefäße mit Hilfe von fluoreszierenden Farbstoffen erfolgt. Die DE 103 39 784 AI beschreibt ein derartiges Video-Fluoreszenz-Angiographieverfahren und ein Mikroskopiesystem zur Durchführung des Verfahrens. Ein entsprechendes System wird von der Anmelderin hergestellt und unter der Bezeichnung IR800 vertrieben. Es ist möglich, eine optische Angiographie durch Videoaufzeichnungen mit einer Monokamera durchzuführen. Es ist jedoch auch möglich, zwei Kameras oder eine Stereokamera zu verwenden, um Stereobilder zu erzeugen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die optische Angiographie kann intraoperativ ohne großen Aufwand und fast beliebig oft durchgeführt werden. Sie liefert ein Bild der oberflächlichen Gefäße im Beobachtungsgebiet bei Bedarf sogar in Echtzeit. Die computertomographische Angiographie (CTA) bedient sich der modernen Mehrzeilen- Computertomographie. Die Computertomographie ist die rechnerbasierte Auswertung einer Vielzahl aus verschiedenen Richtungen aufgenommener Röntgenaufnahmen eines Objektes, bei der nachträglich die nicht erfasste Volumenstruktur rekonstruiert wird, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Aus dem dreidimensionalen Bild können zweidimensionale Schnittbilder er- zeugt und an einem Monitor dargestellt werden. Es ist auch möglich, das dreidimensionale Bild in Form von Projektionen auf dem Monitor darzustellen. Nach Kontrastmittelgabe ist eine Gefäßdarstellung möglich. Die Funktionsweise eines Computertomographen wurde erstmalig in der GB 1283915 A beschrieben. Die kernspintomographische Magnetresonanzangiographie (MRA) oder gleichbedeutend die Magnetresonanztomographie (MRT) basiert auf sehr starken Magnetfeldern sowie elektromagnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne im Körper resonant angeregt werden, die dann in einem Detektor elektrische Signale induzieren. Um den Ort der jeweiligen Atomkerne zu bestimmen, wird ein ortsabhängiges Magnetfeld (Magnetfeld- gradient) angelegt und so eine genaue dreidimensionale Bilderfassung ermöglicht. Eine wesentliche Grundlage für den Bildkontrast sind unterschiedliche Relaxationszeiten verschiedener Gewebearten. Daneben trägt auch der unterschiedliche Gehalt an Wasserstoff-Atomen in verschiedenen Geweben (z. B. Muskel, Knochen) zum Bildkontrast bei. Insbesondere durch Kontrastmittelgabe können auch Blutgefäße dargestellt werden. Die dreidimensional aufgenommenen Da- tensätze können wie oben bei der CTA als zweidimensionale Schnittbilder oder als Projektionen an einem Monitor dargestellt werden. Synonym zur Bezeichnung Magnetresonanztomographie wird auch die Bezeichnung Kernspintomographie verwendet. Die ebenfalls zu findende Abkürzung MRI stammt von der englischen Bezeichnung Magnetic Resonance Imaging. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung der MRT sind z.B. in der DE 3504734 AI beschrie- ben. Die Anordnungen oder Vorrichtungen zur Durchführung der dreidimensionalen Bilderfassung bei CTA und MRA sind im Vergleich zu einer Videokamera, welche für die optische Angiographie benötigt wird, voluminös aufgebaut. Ein Computertomograph in traditioneller C- Bogen-Bauweise umfasst zwei riesige Arme, in denen sich eine Röntgenquelle und ein CT- Detektor gegenüberliegen und die den Körper des Patienten umfahren. Ein Gerät dieses Typs ist beispielsweise in der EP 0244596 AI beschrieben. Weiter sind ringförmige Computertomographen bekannt, in deren Inneres der Patient auf einer Bahre gefahren wird. Die Röntgenquelle umkreist den Patienten innerhalb des Rings. Eine Anordnung dieser Art ist zum Beispiel in der US 6373920 Bl beschrieben. Auch ein Magnetresonanztomograph ist üblicherweise ring- förmig aufgebaut. Eine Anordnung dieser Art ist in der US 20081 19720 AI gezeigt und beschrieben.
Aufgrund des großen Platzbedarfs, der großen Messdauer und der nicht oder nur bedingt gegebenen intraoperativen Zugänglichkeit des untersuchten Gewebes für den Chirurgen oder Opera- teur sowie das assistierende medizinische Personal können derartige Geräte bzw. Verfahren im Allgemeinen nur präoperativ oder im Operationssaal nur mit großem Aufwand und/oder intermittierend mit großen Zeitabständen eingesetzt werden.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass CTA und MRA eine Vielzahl an Informationen über das Volumen eines Gewebes liefern, jedoch aufgrund des großen Platz- und Zeitbedarfs der entsprechenden Aufnahmegeräte nur bedingt intraoperativ eingesetzt werden können. Die optische Angiographie ist demgegenüber schnell und die zur Bildaufnahme erforderliche Videokamera benötigt vergleichsweise wenig Platz, dafür werden nur Informationen über die Oberfläche des Gewebes gewonnen, die zur chirurgischen Behandlung oder Entfernung des Gewebes durch ei- nen Mediziner nicht ausreichend sind.
Aus diesem Grund werden CTA und/oder MRA in der Regel nur präoperativ zur Planung eines chirurgischen Eingriffs oder intermittierend zu Kontrollzwecken und Planung weiterer operativer Maßnahmen eingesetzt, wohingegen die optische Angiographie intraoperativ angewandt wird. Dazu ist es erforderlich, die intraoperativ mit Hilfe der optischen Angiographie aufgenommenen Daten mit den zuvor präoperativ oder intermittierend mittels CTA und/oder MRA gewonnenen Daten abzugleichen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass sichergestellt sein muss, dass eine eindeutige Zuordnung von mit Hilfe der CTA oder MRA aufgefundenen Gewebeteilen, insbesondere Gefäßen, zu dem Gewebe bzw. Gefäßen aus der optischen Angiographie stattfindet.
Während eine derartige eindeutige Zuordnung von Gewebe- bzw. Gefäßstrukturen im Bereich des Rumpfs oder der Gliedmaßen des tierischen oder menschlichen Körpers noch vergleichsweise einfach und sicher möglich ist, ist eine der bedeutendsten Probleme der bildbasierten Neurochirurgie (engl.: Image Based Neurosurgery) der sogenannte Brain-Shift. Bedingt durch Medikamenteneffekte, den Flüssigkeitsverlust nach der Kraniektomie, also der Entfernung (von Teilen) des Schädeldaches, bzw. Duraöffnung (Öffnung der äußersten Hirnhaut), insbesondere je- doch durch resektionsbedingte Volumenverschiebungen während der Gehirnoperation stimmen die präoperativ registrierten Bild- und Planungsdaten sehr häufig nicht mehr mit der intraoperativen Situation überein. Dieser Brain-Shift-Effekt kann zu Unsicherheiten in der Größenordnung von mehreren Zentimetern betragen. Dadurch wird das Auffinden von Tumorbereichen oder die Identifikation zu erhaltender funktioneller Areale erschwert.
Daraus erwächst der Bedarf nach Technologien zur Registrierung und Quantifizierung des Brain- Shift-Effektes und zu einer nachfolgenden, mitlaufenden Korrektur der Planungsdaten.
Der intraoperative, bildgebende Ultraschall ist die zur Zeit am leichtesten verfügbare Technolo- gie zur intraoperativen, bildgestützten Planung. Das Verfahren kann derzeit nur durch speziell geschulte Anwender sicher eingesetzt werden und ist hinsichtlich der Erkennung relevanter anatomischer Strukturen und deren Auflösung den CT/MR- Verfahren unterlegen. Aufgrund des erforderlichen direkten Kontakts der Ultraschallsonde mit dem zu untersuchenden Gewebe, ist Ultraschall nur bedingt zur Erfassung von Gehirngewebe einsetzbar.
Es sind auch bereits optische Verfahren bekannt, die intraoperativ aufgenommene Bild- und Videodaten verwenden, um anatomische Strukturen zu identifizieren und mit den entsprechenden Strukturen präoperativ aufgenommener Daten zu korrelieren. Beispielhaft sei auf das HAL author manuscript„A surface registration approach for video-based analysis of intraoperative brain surface deformations" von Perrine Paul, Aurelie Quere, Elise Arnaud, Xavier Morandi und Pierre Jannin hingewiesen, welches beim Workshop on Augmented Environments for Medical Imaging and Computer-Aided Surgery im Jahr 2006 vorgestellt wurde. Die automatische Ana- tomieerkennung auf Basis dieser Verfahren ist derzeit aufgrund äußerer Einflüsse wie Reflexionen, Instrumente und anatomischer Gegebenheiten noch vergleichsweise artefaktanfällig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Re- gistrierung von Gewebeverschiebungen bereitzustellen, welche schnell und leicht einsetzbar sind und zuverlässige Ergebnisse liefern.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Registrierung von Gewebeverschiebungen in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes umfasst zwei Erfassungseinrichtungen für angiographische Bilddaten. Die erste Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen von dreidimen- sionalen ersten angiographischen Bilddaten eines ersten Volumenanteils des Volumens des Gewebes. Die zweite Erfassungseinrichtung ist zum Erfassen von optischen zweiten angiographischen Bilddaten eines ersten oberflächennahen Bereichs des Gewebes ausgebildet. Der oberflä- chennahe Bereich umfasst dabei sowohl die Oberfläche des Gewebes, als auch tiefer liegende Strukturen, wie beispielsweise oberflächennahe Blutgefäße, die nicht direkt an der Oberfläche sichtbar sind, sondern die von anderen Gewebeschichten oder Strukturen zumindest teilweise verdeckt werden. Der oberflächennahe Bereich umfasst somit einen Volumenbereich, der sich von der Oberfläche des Gewebes aus mit einer geringen Tiefe in das Gewebe hinein erstreckt. Wie tief sich der oberflächennahe Bereich in das Gewebe hinein erstreckt, hängt dabei im Wesentlichen von der Erfassungstiefe der zweiten Erfassungseinrichtung ab. Bei der ersten Erfas- sungseinrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Röntgencomputertomographen oder einen Magnetresonanztomographen oder eine Kombination beider Geräte handeln. Die zweite Erfassungseinrichtung ist z.B. eine an einem Operationsmikroskop angebrachte Videokamera, insbesondere Infrarotkamera, mit deren Hilfe optische, insbesondere Fluoreszenz-, Angiographie betrieben wird. Die Videokamera kann eine Monokamera oder eine Stereokamera umfassen.
Weiter sind zwei nachfolgend als Identifizierungseinheiten bezeichnete Recheneinheiten vorgesehen, um charakteristische Strukturen aus den von den Erfassungseinrichtungen bereitgestellten Bilddaten zu identifizieren. Die erste Identifizierungseinrichtung dient zum Identifizieren von ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus den erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten. Die zweite Identifizierungseinrichtung ist zum Identifizieren von zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten oberflächennahen Bereichs aus den erfassten optischen zweiten Bilddaten ausgebildet. Beide Identifizierungseinheiten können z.B. integrale Bestandteile von Computern sein. So ist es z.B. möglich, dass die erste Identifizierungseinheit der den o.a. Röntgencomputertomographen oder einen Magnetresonanztomographen steuernde Computer bzw. ein Bestandteil desselben ist, auf dem ein entsprechendes Rechenprogramm installiert ist. Die zweite Identifizierungseinheit kann beispielsweise der das optische Angiographiesystem mit Operationsmikroskop und Videokamera ansteuernde Computer sein, auf dem eine entsprechende Software installiert ist. Selbstverständlich können die Programme für beide Identifizierungseinheiten auch auf einem einzigen Computer installiert sein oder von einem Server über eine entsprechende Datenverbindung, insbesondere über ein Netzwerk, bereitgestellt werden.
Weiter ist nach der Erfindung eine dritte Identifizierungseinrichtung zum Identifizieren von einander entsprechenden ersten und zweiten charakteristischen Strukturen vorgesehen. Einander entsprechende Strukturen sind z.B. oberflächennahe Blutgefäße, die sowohl mit Hilfe der ersten Erfassungseinrichtung, z.B. mit MRA oder CTA, als auch mit Hilfe der zweiten Erfassungsein- richtung, nämlich insbesondere der optischen Angiographie, erfasst wurden. Auch die dritte I- dentifizierungseinrichtung kann Bestandteil eines Computers sein, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung umfasst. Neben den beiden Erfassungseinrichtungen für Volumen- und Oberflächenbilder, den beiden
Identifizierungseinrichtungen für Strukturen in den Volumen- und Oberflächenbildern sowie der dritten Identifizierungseinrichtung, welcher zur Identifizierung korrespondierender Strukturen in den Volumen- und Oberflächenbildem aus den identifizierten Strukturen eingerichtet ist, sind erfindungsgemäß eine erste Berechnungseinrichtung zum Berechnen wenigstens einer geometri- sehen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen sowie eine erste Darstellungseinrichtung zum Darstellen der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung vorgesehen. Erstere kann wiederum Bestandteil eines Computers sein, insbesondere des Computers, welcher die erste I- dentifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder dritte Identifizierungseinrichtung umfasst. Die erste Darstellungseinrichtung kann einen Bildschirm bzw. ein Display und/oder eine Dateneinspiegelungseinrichtung, welche insbesondere in wenigstens ei- nem Okular eines Mikroskops angeordnet ist, umfassen.
Die zweite Erfassungseinrichtung kann dabei zweidimensionale optische zweite angiographische Bilddaten in einer Betrachtungsebene erfassen. Eine derartige 2D- Angiographie kann interoperativ schnell und kostengünstig beispielsweise mit einer Videokamera durchgeführt werden. Die dritte Identifizierungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass sie eine Projektion der er- fassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten auf die Betrachtungsebene der er- fassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchführt. Eine derartige Projektion ermöglicht es, ohne irgendwelche Annahmen oder Modellberechnungen zur Struktur des Gewebes eine Ansicht bereitzustellen, welche der Ansicht entspricht, die mit der zweiten Erfassungsein- richtung aufgezeichnet wurde. Die dreidimensionalen Bilddaten der ersten Erfassungseinrichtung und die zweidimensionalen Bilddaten der zweiten Erfassungseinrichtung können somit direkt miteinander verglichen werden, ohne dass die präoperativ aufgenommenen Daten der ersten Erfassungseinrichtung durch möglicherweise inkorrekte Modellannahmen verfälscht werden. Da die abgebildete Oebrfläche bzw. der abgebildete oberflächennahe Bereich in der Regel keine glatte, ebene Fläche, sondern eine dreidimensionale Struktur ist, ist es auch denkbar, dreidimensionale zweite angiographische Bilddaten, beispielsweise mit Hilfe einer Stereokamera als zweiter Erfassungseinrichtung aufzunehmen. Auch in diesem Fall kann eine Projektion bzw. eine Koordinatentransformation verwendet werden, um die Bilddaten der ersten Erfassungseinrich- tung auf die Betrachtungsrichtung, den Betrachtungswinkel und/oder andere geometrische Parameter der Bilddaten der zweiten Erfassungseinrichtung zu projizieren.
Dabei kann die dritte Identifizierungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie einen Muster- abgleich zwischen der Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bild- daten und den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchführt, um einander entsprechende erste und zweite charakteristische Strukturen zu identifizieren. Ein derartiger automatisierter Musterabgleich ermöglicht es, einander entsprechende charakteristische Strukturen besonders effizient und genau zu ermitteln. Dadurch kann eine Gewebeverschiebung besonders zuverlässig bestimmt werden.
Der dritten Identifizierungseinrichtung kann eine Identifizierungswahrscheinlichkeitsberech- nungseinrichtung zugeordnet sein, um die Wahrscheinlichkeit für die Richtigkeit der Identifikation bzw. Zuordnung einander entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen zu ermitteln. Anders ausgedrückt ist die Identifikationswahrscheinlichkeitsberechnungseinrichtung dazu vorgesehen, festzustellen, mit welcher Identifizierungswahrscheinlichkeit die als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen einander tatsäch- lieh entsprechen. Die erste Darstellungseinrichtung kann eingerichtet und ausgebildet sein, die berechnete Identifizierungswahrscheinlichkeit (vorzugsweise ortsaufgelöst) darzustellen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass Bereiche, die mit höherer Wahrscheinlichkeit richtig identifiziert wurden mit einer anderen Farbe dargestellt werden, als solche mit einer geringeren Identifizierungswahrscheinlichkeit (so genannte Falschfarbendarstellung)
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die erste Identifizierungseinrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet sein, die erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten in Segmente zu unterteilen und wenigstens eine der ersten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Volumenanteils zu identifizieren. In entsprechender Weise kann die zweite I- dentifizierungseinrichtung eingerichtet sein, die erfassten optischen zweiten (Oberflächen-)
Bilddaten in Segmente zu unterteilen und wenigstens eine der zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten oberflächennahen Bereichs zu identifizieren. Unter Segmenten versteht man insbesondere zusammenhängende Bereiche innerhalb eines zwei- oder dreidimensionalen Bildes. Die Vorteile der Segmentierung bestehen insbesondere in der leichteren Identifizierbarkeit charakteristischer Strukturen und der damit verbundenen Reduktion der Rechenzeit gegenüber nichtsegmentierter Betrachtung.
Es ist ferner möglich, dass die erste Darstellungseinrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die wenigstens eine geometrische Abweichung nach Richtung und/oder Betrag, insbesondere durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten, darzustellen. Damit wird es einem Chirurgen oder einer diesen Chirurgen assistierenden Person möglich, sich schnell ein Bild über Richtung und/oder Ausmaß eines Brainshifts zu machen. Bereits zuvor identifizierte Tumorbe- reiche können auf diese Weise schnell wieder aufgefunden werden und noch erhaltene Areale können leichter aufgefunden werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen der vorstehend beschriebenen Arten kann vorgesehen sein, dass die erste Darstellungseinrichtung zusätzlich dazu eingerichtet ist, die berechnete geometrische Abweichung und die optischen zweiten Bilddaten des ersten oberflächennahen Bereichs überlagert darzustellen. Insbesondere können die Abweichungsdiagramme (Falschfarbendiagramme oder Vektorkarten) durch Bildüberlagerung auf dem Bildschirm, Monitor bzw. Display monoskopisch oder stereoskopisch oder durch Dateneinspiegelung in einen oder mehrere Beobachtungsstrahlengänge des vorerwähnten Operationsmikroskop, insbesondere monokular oder binokular und damit eine monoskopische oder stereoskopische Betrachtung ermöglichend, dargestellt werden.
Unabhängig davon kann die Anordnung eine zweite Berechungseinrichtung umfassen, um eine voraussichtliche geometrische Verschiebung wenigstens einer der identifizierten ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus wenigstens einer der berechneten geometrischen Abweichungen zu berechnen. Der Berechung kann ein geeignetes Volumenmodell (z.B. elastisches Gefäß- oder Gewebemodell) zugrunde gelegt werden, um die Auswirkung einer oberflächlich registrierten Verschiebung auf die darunter liegenden anatomischen Struktu- ren vorherzusagen. Daraus können dann die anatomischen Abweichungen zu den präoperativen Volumendaten berechnet werden. Dem Chirurgen oder der diesen Chirurgen assistierenden Person wird es damit leichter, eine geeignete Operationsplanung durchzuführen. Notwendige Änderungen des Operationsplans während der Operation selbst können durch diese Maßnahme vermieden oder zumindest reduziert werden.
Die zweite Berechnungseinrichtung kann wiederum Bestandteil eines einzigen Computers sein, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung und/oder die erste Berechnungseinrichtung umfasst.
In der erfindungsgemäßen Anordnung kann des weiteren eine dritte Berechnungseinrichtung vorgesehen sein, um die dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Vo- lumens entsprechend der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung zu ändern, wobei die erste Darstellungseinrichtung insbesondere eingerichtet sein kann, die geänderten dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens darzustellen. Dem Chirurgen oder der Assistentin bzw. dem Assistenten wird es damit noch leichter, sich einen Über- blick über die operative Situation zu verschaffen.
Auch die dritte Berechnungseinrichtung kann Bestandteil eines einzigen Computers sein, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung und/oder die erste Berech- nungseinrichtung und/oder die zweite Berechnungseinrichtung umfasst. Ein üblicherweise vorhandenes einen Computer umfassendes Equipment kann damit beispielsweise durch bloßes Aufspielen eines Computerprogramms zur Durchführung der oben beschriebenen notwendigen Rechenoperationen eingerichtet werden. Schließlich kann eine vierte Berechnungseinrichtung vorgesehen sein, um eine Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung zu berechnen. Die Vorhersagewahrscheinlichkeit kann wie die Vorhersage selbst auch tiefenabhängig sein. Diese Vorhersagewahrscheinlichkeit kann beispielsweise auf der ersten Darstellungseinrichtung angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Darstellungseinrichtung vorgesehen sein, um die berechnete Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung darzustellen. Die erste Darstellungseinrichtung und/oder eine zweite Darstellungseinrichtung können ferner eingerichtet sein, um die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung darzustellen. Die zweite Darstellungseinrichtung kann wiederum einen Bildschirm und/oder eine in wenigstens einem Okular eines Mikroskops angeordnete Datenein- Spiegelungseinrichtung sein. Das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung kann wiederum nach Richtung und/oder Betrag erfolgen. Falschfarbendarstellungen oder Vektorkarten sind geeignete Mittel zu diesem Zweck. Die Feststellung, ob die tatsächliche operative Situation mit der Operationsplanung übereinstimmt, wird damit noch weiter vereinfacht. Fehlbehandlungen bei der Durchführung der Operation können weitgehend verhindert werden. Die die vierte Berechnungseinrichtung kann wiederum Bestandteil eines Computers sein, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung und/oder die erste Berechnungseinrichtung und/oder die zweite Berechnungseinrichtung und/oder die dritte Berechnungs- einrichtung umfasst. Zusätzliche Hardware ist in der Regel nicht erforderlich.
Das entsprechende erfindungsgemäße Verfahren zur Registrierung von Gewebeverschiebungen in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes, welches insbesondere mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Anordnung durchgeführt werden kann, umfasst die nachfolgend angegebenen Verfahrensschritte: In einem ersten Verfahrensschritt werden dreidimensionale erste angiographische Bilddaten eines ersten Volumenanteils des Volumens z.B. mithilfe der Röntgencomputertomographie und/oder der Magnetresonanztomographie erfasst. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden aus den erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten erste charakteristische Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils identifi- ziert. In einem anderen Verfahrensschritt werden optische zweite angiographische Bilddaten, insbesondere Videobilddaten, eines ersten oberflächennahen Bereichs des Gewebes erfasst. In einem dem vorstehenden Schritt folgenden Verfahrensschritt werden zweite charakteristische Strukturen innerhalb des ersten oberflächennahen Bereichs aus den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten identifiziert. Die einander entsprechenden ersten und zweiten cha- rakteristischen Strukturen werden in einem weiteren Schritt identifiziert. Nachfolgend wird wenigstens eine geometrische Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen berechnet und die wenigstens eine berechnete geometrische Abweichung, insbesondere nach Richtung und/oder Betrag und z.B. durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die optischen zweiten angiographischen Bilddaten zweidimensional in einer Betrachtungsebene erfasst werden, beispielsweise mit Hilfe einer Videokamera als 2D- Angiographie. Weiterhin kann eine Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten auf die Betrachtungsebene der erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchgeführt werden. Eine derartige Projektion ist eine rein geometrische Transformation der aufgenommenen ersten Bilddaten und kann daher unabhängig von Annahmen über die Struktur des betrachteten Gewebes durchgeführt werden. Weiterhin kann dann ein Musterabgleich zwischen der Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten und den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchgeführt werden, um einander entsprechende erste und zweite charakteristische Strukturen zu identifizieren. Durch die Projektion der ersten Bilddaten auf die Ebene der erfassten zweiten Bilddaten kann ein Musterabgleich mit bekannten Verfahren schnell und effizient durchgeführt werden, und entsprechende charakteristische Strukturen können zuverlässig identifiziert werden. Die erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten können in dem entsprechenden vorstehend beschriebenen Verfahrensschritt beispielsweise in Segmente unterteilt werden und es ist möglich, dass wenigstens eine der ersten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Volumenanteils identifiziert wird. Eine segmentierte Behandlung von Bilddaten hat den Vorteil der schnellen automatisierten Auffindbarkeit charakteristischer Strukturen.
Bei den zweiten optischen Bilddaten kann es sich um solche Bilddaten handeln, die mittels der Fluoreszenz-Angiographie erfasst worden sind. Die Verwendung der Fluoreszenz-Angiographie zur Erfassung der zweiten optischen Bilddaten zeichnet sich dadurch aus, dass sich gesundes Gewebe von Tumorgewebe vergleichsweise einfach unterscheiden lässt. Es wird auf die soge- nannte IR800-Funktionalität von Operationsmikroskopen der Anmelderin hingewiesen.
Auch die erfassten optischen zweiten Bilddaten können in Segmente unterteilt werden, wobei dann wenigstens eine der zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten oberflächennahen Bereichs identifiziert wird. Auch die Aufteilung der optischen Bild- daten in Segmente und deren segmentierte Analyse zeichnet sich durch eine schnelle automatisierte Auffindbarkeit charakteristischer anatomischer Strukturen oder Landmarken aus.
Neben den oben im Einzelnen beschriebenen Verfahrensschritten kann das erfindungsgemäße Verfahren auch den weiteren Verfahrensschritt„überlagertes Darstellen der optischen zweiten Bilddaten des ersten oberflächennahen Bereichs" umfassen. Eine überlagerte Darstellung der optischen zweiten Bilddaten und oberflächlichen Abweichungen zwischen den als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen ermöglicht es dem Chirurgen oder Assistenten Areale des für ihn sichtbaren Operationsraums zu identifizieren, die ohne Risiko behandelt werden können und Bereiche, in denen gesundes von krankem Gewebe nicht unterscheidbar ist. Das überlagerte Darstellen der optischen zweiten Bilddaten des ersten oberflächennahen Bereichs und der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung kann auf einem vorzugsweise in der Nähe des zu untersuchenden Objekts angebrachten Bildschirms oder durch Da- teneinspiegelung in wenigstens ein Okular eines (Operations-) Mikroskops erfolgen. Eine Bildschirmdarstellung zeichnet sich dadurch aus, dass Operateur, Assistent und ggf. Bedienpersonal stets denselben Eindruck vom zu untersuchenden Gewebe erhalten und den weiteren Operationsverlauf gemeinsam besprechen können. Eine Dateneinspiegelung hat den Vorteil, dass der betrachtende Chirurg seine Instrumente im Blick hat und der unmittelbare Einfluss der Behandlung auf den Behandlungserfolg sichtbar ist. Es ist möglich, zum Beispiel auf Basis eines Volumenmodells, insbesondere eines elastischen Gefäß- oder Gewebemodells, eine Aussage zu treffen, ob eine zutreffende Identifikation einander entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen stattgefunden hat. Erfindungsgemäß kann daher der Verfahrensschritt
- Berechnen einer Identifizierungswahrscheinlichkeit für die Richtigkeit der Identifikation zweier aneinander entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen vorgesehen sein.
Es ist möglich, dass diese Identifizierungswahrscheinlichkeit, beispielsweise mit Hilfe eines Monitors, auch zur Anzeige gebracht wird.
Das Verfahren kann in besonderer Ausgestaltung durch den weiteren Verfahrensschritt„Berechnen einer voraussichtlichen geometrischen Verschiebung wenigstens einer der identifizierten ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus wenigstens einer der berechneten geometrischen Abweichungen" gekennzeichnet sein. Zur Durchführung dieses Verfahrensschritts kann z.B. ein Volumenmodell, insbesondere ein elastisches Gefäß- oder Gewebemodell, zur Anwendung kommen. Die Implementierung dieses Verfahrensschritts in das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil der Möglichkeit einer verbesserten Operationsplanung gegenüber herkömmlichen Verfahren.
Darüber hinaus können die weiteren Verfahrensschritte„Ändern der dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens entsprechend der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung und Darstellen der geänderten dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens" vorgesehen sein. Diese Maßnahme stellt dem Chirurgen oder Assistenten Informationen über die Zuverlässigkeit der dargestellten Bilder bereit, aus denen er wieder Rückschlüsse auf die weitere Operationsplanung ziehen kann.
Eine weitere Verbesserung der Informationen über die Zuverlässigkeit der bereitgestellten Bilddaten kann dadurch erzielt werden, dass in einem weiteren Verfahrensschritt eine Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung berechnet wird und diese berechnete Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung und ggf. auch die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung (z.B. nach Richtung und/oder Betrag) dargestellt werden (z.B. durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten). Das überlagerte Darstellen der dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils und der wenigstens einen berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung kann je nach oben beschriebenen Anforderungen auf einem Bild- schirm oder durch Dateneinspiegelung in wenigstens ein Okular eines Mikroskops erfolgen.
Zusammenfassend werden im Folgenden noch einmal die unterschiedlichen Aspekte der Erfindung aufgezeigt. Diese Aspekte sind Teil der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und legen nicht wie die Patentansprüche den Schutzbereich fest.
1. Anordnung zur Registrierung von Gewebeverschiebungen in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes mit: einer ersten Erfassungseinrichtung zum Erfassen von dreidimensionalen ersten Bild- daten eines ersten Volumenanteils des Volumens einer ersten Identifizierungseinrichtung zum Identifizieren von ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus den erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten, einer zweiten Erfassungseinrichtung zum Erfassen von optischen zweiten Bilddaten eines ersten Oberflächenanteils der Oberfläche einer zweiten Identifizierungseinrichtung zum Identifizieren von zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Oberflächenanteils aus den erfassten optischen zweiten Bilddaten, einer dritten Identifizierungseinrichtung zum Identifizieren von einander entsprechenden ersten und zweiten charakteristischen Strukturen, einer ersten Berechnungseinrichtung zum Berechnen wenigstens einer geometrischen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen, einer ersten Darstellungseinrichtung zum Darstellen der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung. Anordnung nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung ein Röntgencomputertomograph und/oder ein Magnetresonanztomograph ist. Anordnung nach einem der Aspekte 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Identifizierungseinrichtung Bestandteil eines Computers ist. Anordnung nach einem der Aspekte 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Identifizierungseinrichtung eingerichtet ist, die erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten in Segmente zu unterteilen und wenigstens eine der ersten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Volumenanteils zu identifizieren. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erfassungseinrichtung eine Videokamera, insbesondere eine Infrarotkamera, ist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Identifizierungseinrichtung Bestandteil eines Computers ist, insbesondere des
Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung umfasst. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Identifizierungseinrichtung eingerichtet ist, die erfassten optischen zweiten Bildda- ten in Segmente zu unterteilen und wenigstens eine der zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Oberflächenanteils zu identifizieren. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Identifizierungseinrichtung Bestandteil eines Computers ist, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung umfasst. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Berechnungseinrichtung Bestandteil eines Computers ist, insbesondere des Com- puters, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung umfasst. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Darstellungseinrichtung eingerichtet ist, die wenigstens eine geometrische Abwei- chung nach Richtung und/oder Betrag, insbesondere durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten, darzustellen. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Darstellungseinrichtung eingerichtet ist, die berechnete geometrische Abweichung und die optischen zweiten Bilddaten des ersten Oberflächenanteils der Oberfläche überlagert darzustellen. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Darstellungseinrichtung einen Bildschirm und/oder eine Dateneinspiegelungseinrich- tung umfasst, welche insbesondere in wenigstens einem Okular eines Mikroskops angeordnet ist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass eine Identifizierungswahrscheinlichkeitsberechnungseinrichtung zum Berechnen einer Wahrscheinlichkeit für die Richtigkeit der Identifikation zweier entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen. Anordnung nach Aspekt 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Darstellungseinrichtung eingerichtet ist oder eine weitere Darstellungseinrichtung vorgesehen ist, die berechnete Identifizierungswahrscheinlichkeit darzustellen. Anordnung nach einem der vorangegangenen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Berechungseinrichtung vorgesehen ist, um eine voraussichtliche geometrische Verschiebung wenigstens einer der identifizierten ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus wenigstens einer der berechneten geometrischen Abweichungen zu berechnen. Anordnung nach Aspekt 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Berechnungseinrich tung Bestandteil eines Computers ist, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung und/oder die erste Berechnungseinrichtung umfasst. Anordnung nach einem der Aspekte 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Berechnungseinrichtung eingerichtet ist, die voraussichtliche geometrische Verschiebung anhand eines Volumenmodells, insbesondere eines elastischen Gefäß- oder Gewebemodells, zu berechnen.
Anordnung nach einem der Aspekte 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Berechnungseinrichtung vorgesehen ist, um die dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens entsprechend der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung zu ändern und dass die erste Darstellungseinrichtung eingerichtet ist, die geänderten dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens darzustellen. Anordnung nach Aspekt 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Berechnungseinrichtung Bestandteil eines Computers ist, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung und/oder die erste Berechnungseinrichtung und/oder die zweite Berechnungseinrichtung umfasst. Anordnung nach einem der Aspekte 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Berechnungseinrichtung vorgesehen ist, um eine Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung zu berechnen. Anordnung nach Aspekt 20, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Berechnungseinrich- tung Bestandteil eines Computers ist, insbesondere des Computers, welcher die erste Identifizierungseinrichtung und/oder die zweite Identifizierungseinrichtung und/oder die dritte Identifizierungseinrichtung und/oder die erste Berechnungseinrichtung und/oder die zweite Berechnungseinrichtung und/oder die dritte Berechnungseinrichtung umfasst. Anordnung nach einem der Aspekte 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Darstellungseinrichtung eingerichtet ist und/oder eine zweite Darstellungseinrichtung vorgesehen ist, um die berechneten Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung darzustellen. Anordnung nach einem der Aspekte 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Darstellungseinrichtung und/oder eine zweite Darstellungseinrichtung eingerichtet sind/ist, die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung darzustellen. Anordnung nach Aspekt 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung nach Richtung und/oder Betrag erfolgt. 25. Anordnung nach einem der Aspekte 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten erfolgt.
26. Anordnung nach einem der Aspekte 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Darstellungseinrichtung einen Bildschirm und/oder eine in wenigstens einem Okular eines Mikroskops angeordnete Dateneinspiegelungseinrichtung ist. 27. Verfahren zur Registrierung von Gewebeverschiebungen in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes mit den Schritten:
Erfassen von dreidimensionalen ersten Bilddaten eines ersten Volumenanteils des Volumens
Identifizieren von ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus den erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten,
Erfassen von optischen zweiten Bilddaten eines ersten Oberflächenanteils der Oberfläche
Identifizieren von zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Oberflächenanteils aus den erfassten optischen zweiten Bilddaten,
Identifizieren von einander entsprechenden ersten und zweiten charakteristischen Strukturen,
Berechnung wenigstens einer geometrischen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen,
Darstellen der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung, 28. Verfahren nach Aspekt 27, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen ersten Bilddaten mithilfe der Röntgencomputertomographie und/oder der Magnetresonanztomographie erfasst werden.
29. Verfahren nach einem der Aspekte 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten in Segmente unterteilt werden und dass wenigstens eine der ersten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Volumenanteils identifiziert wird.
30. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten optischen Bilddaten Videobilddaten sind.
31. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten optischen Bilddaten mittels Fluoreszenz- Angiographie erfasst werden.
32. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten optischen zweiten Bilddaten in Segmente unterteilt werden und dass wenigstens eine der zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Oberflä- chenanteils identifiziert wird.
33. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellen der wenigstens einen geometrischen Abweichung nach Richtung und/oder Betrag erfolgt. 34. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellen der wenigstens einen geometrischen Abweichung durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten erfolgt.
35. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 34, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt: - überlagertes Darstellen der optischen zweiten Bilddaten des ersten Oberflächenanteils der Oberfläche Verfahren nach Aspekt 35, dadurch gekennzeichnet, dass das überlagerte Darstellen der optischen zweiten Bilddaten des ersten Oberflächenanteils der Oberfläche und der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung auf einem Bildschirm oder durch Da- teneinspiegelung in wenigstens ein Okular eines Mikroskops erfolgt. Verfahren nach einem der vorangegangenen Aspekte, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:
- Berechnen einer Identifizierungswahrscheinlichkeit für die Richtigkeit der Identifikation zweier einander entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen. Verfahren nach Aspekt 37, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:
- Darstellen der Identifizierungswahrscheinlichkeit. Verfahren nach einem der Aspekte 27 bis 38, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
- Berechnen einer voraussichtlichen geometrischen Verschiebung wenigstens einer der identifizierten ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus wenigstens einer der berechneten geometrischen Abweichungen. Verfahren nach Aspekt 39, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen der voraussichtlichen geometrischen Verschiebung ein Volumenmodell, insbesondere ein elastisches Gefäß- oder Gewebemodell verwendet wird. Verfahren nach einem der Aspekte 39 oder 40, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
- Ändern der dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens entsprechend der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung und - Darstellen der geänderten dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens.
42. Verfahren nach einem der Aspekte 39 bis 41 , gekennzeichnet durch den weiteren Verfah- rensschritt:
- Berechnen einer Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung. 43. Verfahren nach Aspekt 42, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
- Darstellen der berechneten Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung. 44. Verfahren nach einem der Aspekte 39 bis 43, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
- Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung. 45. Verfahren nach Aspekt 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung nach Richtung und/oder Betrag erfolgt.
46. Verfahren nach einem der Aspekte 44 oder 45, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung durch Falschfarbendar- Stellung oder durch Vektorkarten erfolgt.
47. Verfahren nach einem der Aspekte 44 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass das überlagerte Darstellen der dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils und der wenigstens einen berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung auf einem Bild- schirm oder durch Dateneinspiegelung in wenigstens ein Okular eines Mikroskops erfolgt. 48. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Aspekte 27 bis 47, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
49. Computer, der zur Ausführung des Verfahrens Aspekte nach einem der Aspekte 27 bis 47 eingerichtet ist.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Registrierung,
Quantifizierung und Darstellung von Gefäß Verschiebungen
Figur 2 mit Blut durchströmte Blutgefäße in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes, welches mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach der Figur 1 untersucht wird
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Registrierung von
Gewebeverschiebungen
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Registrierung, Quantifizierung und Darstellung von Gefaßverschiebungen. Die Anordnung 100 umfasst einen Röntgen-Computertomographen 101 in Form eines C-Bogens sowie ein Operationsmikroskop 1 10 mit angekoppelter Videokamera 11 1.
Der C-Bogen 101 ist in an sich üblicher Weise ausgebildet. Er umfasst zwei riesige Arme lOld, lOle, an deren äußeren Enden sich eine Röntgenquelle 101a und ein Röntgendetektor 101b diametral gegenüberstehen. Die beiden Arme l Old, l Ole mit der Röntgenquelle 101a und dem Röntgendetektor 101b können den Körper, insbesondere z.B. den Kopf 200 eines auf einer Liege 160 liegenden Patienten 161 z.B. kreisförmig oder spiralförmig umfahren. Vorliegend sind Röntgenquelle 101a und Röntgendetektor 101b derart gegenüberliegend angeordnet, dass die auf den Röntgendetektor 101b ausgerichteten Röntgenstrahlen 101 f der Röntgenquelle 101a den Kopf 200 des Patienten 161 durchdringen und eine CT-angiographische Aufnahme des Gewebes 163 des Gehirns 162 mit den Blutgefäßen 164 ermöglichen, wie dies z.B. in der Figur 2 dargestellt ist.
Der Röntgen-Computertomograph 101 ist über eine Datenleitung 101c mit einem Computer 140 verbunden. Dieser Computer 140 ist zum einen für die Steuerung der Funktionalität des Computertomographen 101 ausgebildet, zum anderen ermöglicht er die Datenerfassung und Auswertung von dreidimensionalen Bilddaten der in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Art. Insbesondere umfasst er ein Rechenmodul 102 mit einem Computerprogramm mit Programmcode, welches es erlaubt ortsaufgelöst charakteristische Strukturen im untersuchten Gewebe 163 aus den von dem Computertomographen 101 erfassten dreidimensionalen Bilddaten zu identifizieren. Vorzugsweise werden charakteristische Gefäßstrukturen identifiziert, die eindeutige und überall im Gehirn in ausreichender Anzahl verfügbare anatomische Landmarken darstellen, die sich zur Registrierung und Korrektur des Brain-Shifts eignen. Die identifizierten charakteristischen Gefäßstrukturen können z.B. durch Hervorhebung der Umrandung im vorliegenden Aus- führungsbeispiel zusammen mit den von dem Computertomographen 101 insgesamt erfassten Gefäßstrukturen 164 am Bildschirm 106 dargestellt werden, der über eine Datenleitung 106a mit dem Computer 140 verbunden ist. Wahlweise ist auch eine Ausgabe über den ebenfalls über eine Datenleitung 107a an den Computer 140 angeschlossenen Drucker 107 möglich. Ferner ist eine Tastatur 108 vorgesehen, welche über eine Datenleitung 108a mit dem Computer 140 verbunden ist, um einem Benutzer die Möglichkeit zu geben, verschiedene Funktionalitäten des Computertomographen 101 oder anderer angeschlossener Geräte einzustellen.
Schließlich ist der Computer 140 noch über eine Steuerleitung 109a mit einem oder mehreren Stellmotoren 109 verbunden, welche es erlauben, den C-Bogen 101 in jede beliebige Stellung in Bezug auf den Körper des Patienten 161 zu verbringen. Der Computer 140 umfasst zu diesem Zweck ein Rechenmodul 103 mit einem Computerprogramm mit Programmcode. Das Stellmo- torsteuerungs-Rechenmodul 103 ist dabei zum einen ausgebildet und eingerichtet, die Stellmotoren 109 auf Anforderung des Benutzers über die Tastatur 108 anzusteuern, zum anderen ist vor- gesehen, die Position des C-Bogens 101 entsprechend einem vorbestimmten Scanprogramm (vgl. hierzu den Hinweis in der Beschreibungseinleitung) oder auch aufgrund von über die Da- tenleitung 140a erhaltenen Informationen einzustellen, wie dies im weiteren im Detail beschrieben wird.
Der Computer 140 wird in der Regel weitere Rechenmodule 104, 105 in Form von Computer- Programmen mit Programmcode umfassen, welche für die Funktionalität des Systems erforderlich oder zweckdienlich sind. Die entsprechenden Rechenmodule 104, 105 sind in der Zeichnung gestrichelt dargestellt.
Das Operationsmikroskop 1 10 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet. Es umfasst eine Mik- roskopieoptik 1 10a mit einem Hauptobjektiv 1 10b mit einer optischen Achse 1 10h, die das Hauptobjektiv 1 10b zentral durchsetzt. In der Objektebene des Hauptobjektivs 1 10b ist das zu untersuchende Objekt, im vorliegenden Fall das Gehirn 162 des aus der Liege 160 liegenden Patienten 161 angeordnet. Von dem Gehirn 162 ausgehende optische Strahlung (z.B. sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht) wird von dem Hauptobjektiv 1 1 Od in ein paralleles Strahlenbündel überführt. In dem parallelen Strahlenbündel sind zwei mit Abstand von der optischen Achse angeordnete Zoomsysteme 1 10c angeordnet. Diese greifen aus dem parallelen Strahlenbündel jeweils ein Teilstrahlenbündel 1 lOd heraus und führen diese über in der Zeichnungsfigur nicht dargestellte Umlenkprismen Okularen 1 lOe zu, in welche ein Betrachter mit seinem linken und rechten Auge 1 lOf Einblick nimmt, um eine vergrößerte Darstellung des Ob- jekts, nämlich des Gehirns 162, als Bild wahrzunehmen. Hierbei entspricht das mit dem linken Auge wahrgenommene Bild einem Bild bei Betrachtung unter einem Winkel α zur optischen Achse 1 10h und das von dem rechten Auge wahrgenommene Bild entspricht einem Bild bei Betrachtung des Objekts 162 unter einem Winkel -a zur optischen Achse 1 10h, so dass der Betrachter mit seinen beiden Augen 1 1 Of insgesamt ein stereoskopisches Bild des Objekts 162 erhält.
In einem der Teilstrahlbündel 1 lOd ist ein teildurchlässiger Spiegel 1 10g angeordnet, um einen Teil der optischen Strahlung des Teilstrahlbündels 1 lOd als Unterteilstrahlbündel 1 lOi auszukoppeln. Das Unterteilstrahlbündel 1 lOi wird über eine Kameraadapteroptik l i la auf eine lichtempfindliche Fläche 1 1 1c der Videokamera 1 1 1 derart überführt, dass diese ein Bild des Objekts 162 bei Betrachtung unter dem Winkel -a zur optischen Achse 110h des Hauptobjektivs 1 10b aufnimmt. Die von der Kamera 1 11 aufgenommenen Bilder werden als Bilddaten über eine Datenleitung 1 1 lb an einen Computer 150 übermittelt. Im vorliegenden Fall ist die lichtempfindli- che Fläche der Kamera 1 1 1 sensitiv gegenüber infrarotem Licht. Die Kamera 1 1 1 erlaubt demnach die Detektion der Emission des Fluoreszenzfarbstoffes Indocyaningrün (ICG), welcher sich nach einer entsprechenden Bolusgabe im Blut des Patienten 161 anreichert und zum einen für die Erkennbarkeit der Gefäßstruktur 164 des untersuchten Gewebes 163 sorgt, zum anderen als fort- schreitende Farbstofffront die Erfassung der Bewegung des durch die Gefäße 164 strömenden Bluts erlaubt.
Der Computer 150 umfasst eine Mehrzahl an Rechenmodulen 1 12, 1 13, 1 14, 1 15, 120, 122 in Form von Computerprogrammen mit Programmcode. Das Rechenmodul 1 12 stellt eine Identifi- zierungseinrichtung zum Identifizieren von charakteristischen Strukturen auf der von der (Videokamera 11 1 erfassten Oberfläche dar. Das Rechenmodul 1 13 ist als Identifizierungs- oder Zuordeneinrichtung ausgebildet, um die Bilddaten des Röntgen-Computertomographen 101, welche von dem Computer 140 über die Datenleitung 140a dem Computer 150 zur Verfügung gestellt werden, und die von der Videokamera 1 1 1 zeitlich fortlaufend erfassten optischen Bild- daten einander örtlich zuzuordnen. In der Fachsprache wird häufig auch der Begriff„matching" verwendet für diesen Vorgang. Anders ausgedrückt erfolgt eine Zuordnung der mit der Videokamera 1 1 1 beobachtenden Gefäße 164 zu den mithilfe des Computertomographen 101 aufgenommenen Bildern der Gefäße 164. Dies kann einerseits über Neuronavigation oder durch Vergleich charakteristischer anatomischer Strukturen, insbesondere des Verlaufs oder der Orientie- rung der Blutgefäße 164 selbst erfolgen.
Der Computer 150 umfasst ferner das Rechenmodul 1 14, nachfolgend als Abweichungsberech- nungs-Modul 1 14, bezeichnet. Dieses Abweichungsberechnungs-Modul 114 fungiert als Berechnungseinrichtung zum Berechnung wenigstens einer geometrischen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten charakteristischen Strukturen, insbesondere von unmittelbar unterhalb der Oberfläche angeordneten Blutgefäßen 164.
Der Computer 150 umfasst ein weiteres Rechenmodul 1 15 vorgesehen. Dieses nachfolgend als Verschiebungsberechungsmodul 1 15 bezeichnete Rechenmodul ist dazu eingerichtet, eine vor- aussichtliche geometrische Verschiebung der mittels CT bestimmten charakteristischen Strukturen innerhalb des untersuchten Volumens aus den berechneten geometrischen Abweichungen z.B. mittels eines elastischen Gefäß- oder Gewebemodells zu berechnen. Dasselbe Rechenmodul 1 15 ist weiter eingerichtet, die dreidimensionalen CT-Bilddaten entsprechend den voraussichtlichen geometrischen Verschiebungen zu ändern. Auf dem Bildschirm 1 16 können dann die geänderten dreidimensionalen CT-Bilddaten dargestellt werden.
Schließlich ist noch ein Rechenmodul 121 vorgesehen, um Vorhersagewahrscheinlichkeiten für die berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebungen zu berechnen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die berechneten Vorhersagewahrschein- lichkeiten nach Betrag und Richtung für die berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebungen mittels des Bildschirms 1 16 zur Anzeige zu bringen. Graphische Darstellungsmöglichkeiten sind z.B. Falschfarbendarstellungen oder Vektorkarten.
An den Computer 150 ist über eine Datenleitung 1 16a auch ein Bildschirm 1 16 angeschlossen. Weiterhin ist an den Computer 150 über die Datenleitung 1 17a ein Drucker 1 17 angeschlossen. Beide Einrichtungen, nämlich der Bildschirm 1 16 und der Drucker 1 17 dienen als Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben der zeitlich fortlaufend aus den optischen Bilddaten der Videokamera berechneten geometrischen Abweichung zwischen den als einander entsprechend identifizierten charakteristischen Strukturen aus der CT-Bildaufnahme und der Kamerabildaufnahme.
Schließlich ist zur Bedienung des Operationsmikroskops 1 10, der Videokamera 1 11 sowie der Ausgabeeinrichtungen 1 16, 1 17 eine Tastatur 1 18 über eine Datenleitung 1 18a an den Computer 150 angeschlossen. Als weitere besondere Funktionalität ist das Operationsmikroskop 1 10 mit einem oder mehreren Stellmotoren 1 19 ausgestattet, welche es erlauben, das Operationsmikroskop in Bezug auf das zu untersuchende Gewebe auszurichten. Die Ansteuerung der Stellmotoren 119, von denen in der Figur 1 lediglich einer explizit dargestellt ist, erfolgt über eine Steuerleitung 119a, über die die Stellmotoren 119 mit dem Computer 150 verbunden sind. Das Rechenmodul 120, nachfolgend auch als Stellmotorsteuerung 120 bezeichnet, sorgt für eine Ausrichtung des Operationsmikroskops 1 10 anhand von manuell beispielsweise über die Tastatur 1 18 eingegebene Befehle, einen automatisch ablaufenden Algorithmus oder über Informationen, welche von dem Computer 140 über die Datenleitung 140a dem Computer 150 zur Verfügung gestellt werden können. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist das Rechenmodul 120 derart eingerichtet und ausgebildet, dass das Operationsmikroskop 110 und insbesondere Videokamera 1 1 1 anhand der von der von dem CT-Bogen 101 erfassten 3-dimensionalen Bilddaten ein zeitlich fortlaufendes Erfassen der optischen Bilddaten der gewünschten Oberfläche ermöglichend auszurichten. In entsprechender Weise ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Rechenmodul 103 derart eingerichtet und ausgebildet, die Stellmotoren 109 für den C-Bogen 101 anhand der von der Videokamera 1 11 erfassten optischen Bilddaten ein Erfassen der 3-dimensionalen Bilddaten des der Oberfläche zugeordneten Volumens ermöglichend auszurichten.
Wie der Computer 140 kann der Computer 150 mit weiteren Funktionalitäten ausgestattet sein. Im Ausführungsbeispiel ist dies mit Hilfe des gestrichelt dargestellten Rechenmoduls 122 kenntlich gemacht. Anhand des in Figur 3 dargestellten Flussdiagramms 300 wird nachfolgend die Identifikation und Zuordnung anatomischer Strukturen (Landmarken) und deren Darstellung für den Chirurgen aufgezeigt. Es sei angenommen, dass der Chirurg über das schematisch in der Figur 1 dargestellte Equipment verfügt. Es wird davon ausgegangen, dass ein Patient 161 auf einer Liege 160 angeordnet ist. Medizinisch ausgebildetes Fachpersonal (nicht dargestellt) bereitet den Patienten 161 und einen Computertomographen 101 für eine CT- Aufnahme vor (Start 301). Es wird präoperativ eine CT- Angiographie des Kopfes 200 des Patienten 161 in der eingangs beschriebenen Weise aufgenommen (Schritt 302).
Der Computer 140 segmentiert die präoperativ aufgenommene Angiographie (Schritt 303) und identifiziert in einem weiteren Schritt 304 aus diesen Daten charakteristische Strukturen (Landmarken). Diese charakteristischen Strukturen können (hier nicht explizit dargestellt) durch farbliche Markierung oder dergleichen auf dem die 3 D- Angiographie anzeigenden Bildschirm 106 für den Bediener kenntlich gemacht werden. Es wird weiter angenommen, dass der Chirurg krankes oder verändertes Gewebe mit Hilfe der CT-Angiographie identifiziert hat und eine Operation unumgänglich ist. Nach Aufnahme der präoperativen 3 D- Angiographie (Schritt 302) wird der Patient 161 daher für die Operation vorbereitet. Die Schädeldecke wird geöffnet und das Gehirn 162 in der zu behandelnden Region freigelegt, wie dies in Figur 2 ebenfalls schematisch aufgezeigt ist (in Figur 3 nicht dargestellt).
Nunmehr wird in einem Schritt 305 intraoperativ eine IR800-Angiographie, also eine optische Fluoreszenz-Angiographie, durchgeführt. Diese Angiographie liefert anders als die per CT durchgeführte Angiographie keine dreidimensionalen Bilddaten, stellt also keine 3D- Angiographie dar, sondern lediglich zweidimensionale Bilddaten eines oberflächenahen Bereichs des betrachteten Gehirns 162. Man spricht daher auch von 2D- Angiographie.
Der angeschlossene Computer 150 segmentiert die intraoperativ aufgenommene 2D- Angiographie (Schritt 306) und identifiziert in einem weiteren Schritt 307 aus diesen Daten cha- rakteristische Strukturen (Landmarken). Diese charakteristischen Strukturen können (hier ebenfalls nicht explizit dargestellt) durch farbliche Markierung oder dergleichen auf dem die 2D- Angiographie anzeigenden Bildschirm 1 16 für den Bediener kenntlich gemacht werden.
Bei der Verwendung des intraoperativen Angiographie- Verfahrens wird im Allgemeinen nicht nur die Oberfläche des abgebildeten Bereichs aufgenommen, sondern es können grundsätzlich auch tiefer liegende Blutgefäße des Gehirns 162 abgebildet werden, welche von oberflächlichen Gewebestrukturen verdeckt sind. Somit ermöglicht die 2D-Angiographie, beispielsweise auch solche Blutgefäße und Gewebestrukturen als Landmarken zu erkennen und automatisch zu identifizieren, welche nicht direkt an der Oberfläche des betrachteten Gehirns 162 sichtbar sind. Dies erhöht die Anzahl und die Genauigkeit der Landmarken, welche aus den intraoperativ aufgenommenen Bilddaten identifiziert werden können.
Bei dem hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel werden vor allem oberflächennahe Blutgefäße durch die intraoperative 2D-Angiographie aufgenommen und ausgewertet. Durch die Erfassung von oberflächennahen Strukturen lässt sich insbesondere eine Verschiebung der Oberfläche des betrachteten Gehirns 162 wie nachfolgend beschrieben ermitteln. Wenn das verwendete angiographische Verfahren derart ausgelegt ist, dass auch beispielsweise die Fluoreszenz von tiefer liegenden Strukturen aufgenommen wird, können auch Verlagerungen tiefer liegender Volumenbereiche des betrachteten Gehirns 162 ermittelt werden.
Das Matching-Modul 1 13 des Computers 150 ordnet in dem nachfolgenden Schritt 308 die in der IR800-Angiographie identifizierten Strukturen den in der CT-Angiographie identifizierten Strukturen zu. Diese Zuordnung umfasst zuerst eine Projektion der präoperativen 3D- Angiographie-Daten auf die Betrachtungsebene der intraoperativ aufgenommenen 2D- Angiographie. Eine derartige Projektion ist unabhängig von der Struktur oder der physiologischen Eigenschaften des aufgenommenen Gehirns, sondern umfasst eine rein geometrische Transformation der aufgenommenen Daten. Die Betrachtungsebene der intraoperativ aufgenommenen 2D-Angiographie-Daten ist aus der Position, Ausrichtung und den Abbildungseigenschaften des verwendeten Operationsmikroskops bekannt. Somit können die präoperativ aufgenommenen 3D-Angiographie-Daten durch eine reine Koordinatentransformation bzw. Projektion oder geometrische Abbildung auf die Betrachtungsebene der intraoperativ aufgenommenen 2D- Angiographie-Daten umgerechnet werden.
Somit liegen nach der Projektion der präoperativen 3 D- Angiographie-Daten auf die Betrachtungsebene der intraoperativen 2D- Angiographie-Daten zwei Angiographie-Bilddatensätze vor, welche im Wesentlichen die gleichen Blutgefäße und Gewebestrukturen aus der gleichen Per- spektive zeigen. Aus diesen, weitgehend miteinander übereinstimmenden Bildern können mit Hilfe bekannter Verfahren zum Musterabgleich automatisiert jeweils übereinstimmende Strukturen identifiziert und einander zugeordnet werden.
Das Abweichungsberechnungsmodul 114 des Computers 150 berechnet dann in Schritt 309 die geometrischen Abweichungen zwischen den einander zugeordneten (oberflächennahen) Strukturen der IR800- und der CT-Angiographie.
Im Ausführungsbeispiel hat der Bediener die Auswahl (Schritt 310), ob er sich die geometrischen Abweichungen nach Betrag und Richtung als Vektorkarte wie in Schritt 311 oder nur nach Betrag als Falschfarbendarstellung wie in Schritt 312 auf dem Bildschirm 1 16 anzeigen lassen will. Für beide Varianten (31 1 und 312) hat der Benutzer die Auswahlmöglichkeit (Schritt 313), sich zusätzlich überlagert die IR800- Angiographie darstellen zu lassen (Schritt 314).
In einem weiteren Schritt 315 berechnet das Verschiebungsberechungsmodul 1 15 aus den in Schritt 31 1 berechneten geometrischen Abweichungen eine fiktive aktuelle (d.h. intraoperativ vorliegende) 3D-Angiographie. Das Vorhersagewahrscheinlichkeitsberechnungsmodul 121 berechnet die zugehörige örtliche Abweichungswahrscheinlichkeit.
Der Benutzer hat nunmehr wiederum die Auswahlmöglichkeit (Schritt 316), sich die berechnete vermutliche 3D-Angiographie auf dem Monitor 116 intraoperativ darstellen zu lassen (Schritt 317). Weiter hat er die Auswahlmöglichkeit (Schritt 318), sich auch noch die berechnete örtliche Abweichungswahrscheinlichkeit in Falschfarbendarstellung anzeigen zu lassen (Schritt 319). Das Ende der Prozedur ist in der Zeichnung durch das mit dem Bezugszeichen 320 gekennzeichnete Symbol kenntlich gemacht.
Bezugszeichenliste
100 Anordnung zur quantitativen Bestimmung des Blutflusses
101 Röntgen-Computertomograph in Form eines C-Bogens
101a Röntgenquelle
101b Röntgendetektor
101c Datenleitung
lOld Arm
lOle Arm
lOlf Röntgenstrahlen
102 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Identifizierungsrechner)
103 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode
(Stellmotorsteuerung)
104 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode
105 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode
106 Bildschirm
106a Datenleitung
107 Drucker
107a Datenleitung
108 Tastatur
108a Datenleitung
109 Stellmotor(en)
109a Steuerleitung
1 10 Operationsmikroskop
1 10a Mikroskopieoptik
1 1 Ob Hauptobj ekti v
110c Zoomsysteme
1 1 Od Teilstrahlbündel
HOe Okulare
HOf Augen
1 10g teildurchlässiger Spiegel 1 1 Oh optische Achse des Hauptobjektivs
I I Oi Unterteilstrahlbündel
I I I Kamera
l i la Kameraadapteroptik
1 1 1b Datenleitung
1 12 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Relativwertrechner)
1 13 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Matching-Modul)
1 14 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Abweichungsberechnungs-Modul)
115 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Verschiebungsberechungsmodul)
1 16 Bildschirm
1 16a Datenleitung
1 17 Drucker
1 17a Datenleitung
118 Tastatur
1 18a Datenleitung
1 19 Stellmotor(en)
1 19a Steuerleitung
120 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Stellmotorsteuerung)
121 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode (Vorhersagewahrscheinlichkeitsberechnungsmodul)
122 Rechenmodul umfassend ein Computerprogramm mit Programmcode 140 Computer
140a Datenleitung
150 Computer
160 Liege
161 Patient
162 Gehirn Gewebe
Blutgefäße
Kopf
Flussdiagramm Operationsschritt Operationsschritt Entscheidungsschritt Operationsschritt Operationsschritt Entscheidungsschritt Operationsschritt Operationsschritt Entscheidungsschritt Operationsschritt Entscheidungsschritt Operationsschritt Operationsschritt

Claims

Patentansprüche :
1. Anordnung (100) zur Registrierung von Gewebeverschiebungen in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes (163) mit: einer ersten Erfassungseinrichtung (101) zum Erfassen von dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten eines ersten Volumenanteils des Volumens einer ersten Identifizierungseinrichtung (102) zum Identifizieren von ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus den erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten, einer zweiten Erfassungseinrichtung (1 1 1) zum Erfassen von optischen zweiten angiographischen Bilddaten eines ersten oberflächennahen Bereichs des Gewebes, einer zweiten Identifizierungseinrichtung (1 12) zum Identifizieren von zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten oberflächennahen Bereichs aus den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten, einer dritten Identifizierungseinrichtung (1 13) zum Identifizieren von einander entsprechenden ersten und zweiten charakteristischen Strukturen, einer ersten Berechnungseinrichtung (1 14) zum Berechnen wenigstens einer geometrischen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen, einer ersten Darstellungseinrichtung (1 16, 117) zum Darstellen der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erfassungseinrichtung (1 11) zweidimensionale optische zweite angiographische Bilddaten in einer Betrachtungsebene erfasst, und dass die dritte Identifizierungseinrichtung (113) derart ausgebildet ist, dass sie eine Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten auf die Betrachtungsebene der erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchführt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Identifizierungseinrichtung (1 13) derart ausgebildet ist, dass sie einen Musterabgleich zwischen der Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten und den erfassten optischen zweiten angiographischenBilddaten durchführt, um einander entsprechende erste und zweite charakteristische Strukturen zu identifizieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Identifi- zierungswahrscheinlichkeitsberechnungseinrichtung zum Berechnen einer Identifizierungswahrscheinlichkeit für die Richtigkeit der Identifikation zweier einander entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen vorgesehen ist und dass die erste Darstellungseinrichtung oder eine weitere Darstellungseinrichtung zum Darstellen der Identifizierungswahrscheinlichkeit eingerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Berechungseinrichtung vorgesehen ist, um eine voraussichtliche geometrische Verschiebung wenigstens einer der identifizierten ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus wenigstens einer der berechneten geometrischen Abweichungen zu berechnen.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Berechnungseinrichtung vorgesehen ist, um die dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens entsprechend der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung zu ändern und dass die erste Darstellungseinrichtung eingerichtet ist und/oder eine zweite Darstellungseinrichtung vorgesehen ist, die geänderten dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens darzustellen.
Verfahren (300) zur Registrierung von Gewebeverschiebungen (164) in einem eine Oberfläche aufweisenden Volumen eines Gewebes mit den Schritten: Erfassen (302) von dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten eines ersten Volumenanteils des Volumens
Identifizieren (304) von ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus den erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten,
Erfassen (305) von optischen zweiten angiographischen Bilddaten eines ersten ober- flächennahen Bereichs des Gewebes,
Identifizieren (307) von zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten oberflächennahen Bereichs aus den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten,
Identifizieren (308) von einander entsprechenden ersten und zweiten charakteristischen Strukturen,
Berechnen (309) wenigstens einer geometrischen Abweichung zwischen wenigstens zwei der als einander entsprechend identifizierten ersten und zweiten charakteristischen Strukturen,
Darstellen (311, 312) der wenigstens einen berechneten geometrischen Abweichung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen zweiten angiographischen Bilddaten zweidimensional in einer Betrachtungsebene erfasst werden, und dass eine Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten auf die Betrachtungsebene der erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Musterabgleich zwischen der Projektion der erfassten dreidimensionalen ersten angiographischen Bilddaten und den erfassten optischen zweiten angiographischen Bilddaten durchgeführt wird, um einander entsprechende erste und zweite charakteristische Strukturen zu identifizieren.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erfassten dreidimensionalen ersten Bilddaten in Segmente unterteilt werden und dass wenigstens eine der ersten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Volumenanteils identifiziert wird und/oder dass
- die erfassten zweidimensionalen optischen zweiten Bilddaten in Segmente unterteilt werden und dass wenigstens eine der zweiten charakteristischen Strukturen innerhalb eines der Segmente des ersten Oberflächenanteils identifiziert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Darstellen der wenigstens einen geometrischen Abweichung nach Richtung und/oder Betrag erfolgt und/oder dass
- das Darstellen der wenigstens einen geometrischen Abweichung durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
- Berechnen einer Identifizierungswahrscheinlichkeit für die Richtigkeit der Identifizierung einander entsprechender erster und zweiter charakteristischer Strukturen
- Darstellen der Identifizierungswahrscheinlichkeit
- überlagertes Darstellen der zweidimensionalen optischen zweiten Bilddaten des ersten oberflächennahen Bereichs.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
- Berechnen einer voraussichtlichen geometrischen Verschiebung wenigstens einer der identifizierten ersten charakteristischen Strukturen innerhalb des ersten Volumenanteils aus wenigstens einer der berechneten geometrischen Abweichungen
- Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
- Ändern der dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens entsprechend der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung und
- Darstellen der geänderten dreidimensionalen ersten Bilddaten des ersten Volumenanteils des Volumens.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
- Berechnen einer Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung,
- Darstellen der berechneten Vorhersagewahrscheinlichkeit für die berechnete voraussichtliche geometrische Verschiebung.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung nach Richtung und/oder Betrag erfolgt und/oder dass
- das Darstellen der berechneten voraussichtlichen geometrischen Verschiebung durch Falschfarbendarstellung oder durch Vektorkarten erfolgt.
17. Computerprogramm (102, 103, 112, 113, 1 14, 1 15, 121) mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (300) nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wenn das Programm in einem Computer (140, 150) ausgeführt wird.
18. Computer (140, 150), der zur Ausführung des Verfahrens (300) nach einem der Ansprüche 7 bis 16 eingerichtet ist.
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