DE69724193T2

DE69724193T2 - Operationsmikroskop mit Multikoordinatenmanipulator und optischer Kohärenztomographie

Info

Publication number: DE69724193T2
Application number: DE69724193T
Authority: DE
Inventors: Prof.Dr. Thomas Hellmuth; Michael Dr. Kaschke; Gerhard Unold; John C. Half Moon Bay Moore
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2017-06-07
Also published as: EP0815801A3; EP0815801A2; JP4091143B2; JPH1071158A; EP0815801B1; DE69724193D1; US5795295A

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Operationsmikroskop, das eine OCT-(„Optical coherence tomography")-Vorrichtung und einen Mehrkoordinatenmanipulator enthält.
Allgemeiner Stand der Technik
Folgendes sind die Hauptrisikofaktoren, die während einer neurochirurgischen Operation auftreten: (a) Beschädigung an Blutgefäßen, wie etwa Arterien; (b) Zerstörung von vitalem Gehirngewebe und (c) Zerstörung oder Beschädigung von Nerven. Bei einer aktuellen Technik zur Vermeidung dieser Risikofaktoren werden Blutgefäße und Hauptnervenstränge unter Verwendung von Röntgenstrahlcomputertomographie-(„CT") und/oder Kernspinresonanz-(„NMR")-Diagnosebildgebungssystemen abgebildet. Mit von solchen Diagnosebildgebungssystemen gelieferten Diagnoseaufnahmen plant ein Neurochirurg eine neurochirurgische Operation, die versucht, Schäden an Blutgefäßen, Zerstörung von vitalem Gehirngewebe und Zerstörung oder Schäden an Nerven zu minimieren.
Ein Mehrkoordinatenmanipulator („MCM") ist, wie gut bekannt ist, ein an ein neurochirurgisches Mikroskop angeschlossenes Robotersystem, das während einer neurochirurgischen Operation verwendet wird. Wie gut bekannt ist, werden Diagnosebilddaten wie etwa CT- und/oder NMR-Diagnosebilddaten („CT/NMR-Diagnosebilddaten") in ein dem MCM zugeordnetes Computersystem eingegeben und dort gespeichert (das „MCM-Computersystem"). Der MCM bewegt das neurochirurgische Mikroskop entlang (x, y, z)-Achsen und fokussiert das neurochirurgische Mikroskop automatisch auf Stellen im Gehirn des Patienten, die: (a) von einem Bediener wie etwa einem Neurochirurgen vor der neurochirurgischen Operation spezifiziert und im MCM-Computersystem gespeichert wurden und/oder (b) von einem Bediener, wie etwa dem Neurochirurgen, während der neurochirurgischen Operation spezifiziert werden. Wie gut bekannt ist, wird eine Anzeige der gespeicherten Diagnosebilddaten auf einem dem MCM zugeordneten Videodisplay („MCM-Display") bereitgestellt.
Bei einer wohlbekannten Technik unter Verwendung des MCM betrachtet der Neurochirurg vor der neurochirurgischen Operation die Diagnosebilddaten auf dem MCM-Display und liefert mit Hilfe einer Bediener-Maschine-Schnittstelle („MCM-Bediener-Schnittstelle"), wie etwa einem Lichtstift, eine Eingabe in das MCM-Computersystem. Gemäß dieser Technik gibt der Neurochirurg beispielsweise auf dem MCM-Display mehrere Punkte an, und als Reaktion entwickelt und speichert das MCM-Computersystem einen die Punkte verbindenden Weg und zeigt den Weg auf dem MCM-Display an. Der Weg entspricht in der Regel einer Grenze, die einen Gehirntumor von normalem Gehirngewebe trennt. Dann zeigt das MCM-Computersystem während der neurochirurgischen Operation die Diagnosebilddaten und den Weg auf dem MCM-Display an. Als nächstes bewegt der MCM das neurochirurgische Mikroskop als Reaktion auf eine Bedienereingabe und fokussiert es automatisch auf Punkte entlang dem Weg. Außerdem kann der Bediener eine Eingabe durch die MCM-Bediener-Schnittstelle liefern, um zu bewirken, daß der MCM das neurochirurgische Mikroskop bewegt und es automatisch auf durch das MCM-Display gezeigte gewählte Stellen fokussiert. Wie gut bekannt ist, kann der MCM auch ein Operationswerkzeug, wie etwa eine Elektrokauterisationsvorrichtung und/oder eine Laservorrichtung in Koordination mit dem neurochirurgischen Mikroskop bewegen, so daß sich die Stelle der effektiven Wirkung des Operationswerkzeugs im Feld des Autofokus des neurochirurgischen Mikroskops befindet. Infolgedessen verwendet der Neurochirurg die Diagnosebilddaten als Anleitung, um einen Teil des Gehirns des Patienten anzusehen und den MCM anzuweisen: (a) das neurochirurgische Mikroskop auf einen Bereich im Teil des Gehirns automatisch zu fokussieren und (b) ein Operationswerkzeug zu diesem Bereich zu bewegen, damit es dort eingesetzt wird. Der Neurochirurg kann dann, wenn er mit der Positionierung zufrieden ist, das Operationswerkzeug aktivieren, um beispielsweise Gewebe zu schneiden.
Gemäß wohlbekannten Methoden basieren die CT/NMR-Diagnosebilddaten auf einem Koordinatensystem, dessen Ursprung reproduzierbar bezüglich einer identifizierbaren Stelle auf oder im Kopf des Patienten angeordnet ist und dessen Achsen reproduzierbar bezüglich einer identifizierbaren Orientierung von Achsen auf oder im Kopf des Patienten orientiert sind. Beispielsweise wird der Kopf des Patienten in der Regel in einem Gerät angeordnet, das folgendes liefert: (a) einen reproduzierbaren Ort einer identifizierbaren Position einer bestimmten Knochenstruktur oder einer identifizierbaren Position des Geräts und (b) eine Orientierung von am Gerät fixierten identifizierbaren Achsen.
Gemäß wohlbekannten Methoden wird das Koordinatensystem des MCM vor Beginn der neurochirurgischen Operation unter Referenz auf die identifizierbare Position und die identifizierbaren Achsen (die oben erwähnt wurden) so eingestellt, daß es mit dem Koordinatensystem der Diagnosebilddaten zusammenfällt. Dazu positioniert ein Neurochirurg mit dem MCM das neurochirurgische Mikroskop so, daß ein jeweiliger Referenzpunkt des Geräts in der Mitte des Blickfelds des Mikroskops sichtbar ist. Dann wird die axiale Position des Referenzpunkts durch das Autofokussystem des Mikroskops scharf gestellt. Dann werden die MCM-Koordinaten des jeweiligen Referenzpunkts des Geräts als Positionsvektor im MCM-Computersystem gespeichert. Dieser Vorgang wird mindestens dreimal wiederholt, da die Positionen von mindestens drei Punkten (nicht alle auf einer Linie) eines dreidimensionalen Körpers benötigt werden, um die dreidimensionale Position und Orientierung dieses Körpers im Raum zu beschreiben. Das Koordinatensystem des Patienten und deshalb des Geräts ist bis auf eine gewisse Genauigkeit mit dem Koordinatensystem der CT/NMR-Diagnosebilddaten identisch. Innerhalb dieses Koordinatensystems sind die Koordinaten dieser Referenzpunkte dem MCM-Computersystem als im CT/NMR-Diagnosebilddatensatz gespeicherte Vektoren bekannt. Wie dem Fachmann gut bekannt ist, existiert eine eindeutige lineare Transformation für das Transformieren der Positionsvektoren der Referenzpunkte im MCM-Koordinatensystem in jeweilige Positionsvektoren des Patienten-/Diagnosebilddatenkoordinatensystems.
Ein Problem existiert insofern, als der Ort einer durch das neurochirurgische Mikroskop sichtbaren Gehirnstruktur nur mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von mehreren Millimetern dem von den Diagnosebilddaten gelieferten Ort der Gehirnstruktur entspricht. Diese Ungewißheit wird hauptsächlich durch die Bewegung des Gehirns verursacht, wenn der Schädel zu Beginn der neurochirurgischen Operation geöffnet und der Gehirndruck gesenkt wird. Eine Genauigkeit in der Größenordnung mehrerer Millimeter reicht jedoch nicht aus, um Schäden an Positionen zu vermeiden, wo Blutgefäße oder Nerven in der Nähe eines Wegs oder unter einem Weg liegen, entlang dessen der Neurochirurg Gehirngewebe entfernen wird.
Angesichts des Obengesagten besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verwendung während einer neurochirurgischen Operation, damit ein MCM mit einer Auflösung im Submillimeterbereich Blutgefäße und Nerven im Gehirn eines Patienten lokalisieren kann.
Außerdem muß bei vielen neurochirurgischen Operationen Tumorgewebe entfernt werden. Für den Erfolg der neurochirurgischen Operation ist es wichtig, daß das Tumorgewebe ohne Beschädigung von Blutgefäßen, vitalem Gehirngewebe oder Nerven vollständig entfernt wird. Es sind Techniken entwickelt worden, um zwischen Tumorgewebe und normalem Gehirngewebe zu unterscheiden, indem versucht wird, metabolische Differenzen zwischen Tumorgewebe und normalem Gehirngewebe auszunutzen. Der Metabolismus von Tumorgewebe beispielsweise bewirkt, daß das Tumorgewebe einen geringeren Sauerstoffdruck als das umgebende normale Gehirngewebe aufweist. Gemäß einer derartigen Methode des Stands der Technik wird die Oxygenation des Gehirngewebes gemessen, indem eine Phosphoreszenzabklinglebensdauer einer in das systemische Blut injizierten phosphoreszierenden Sonde gemessen wird. Dieses Verfahren ist bekannt aus einem Artikel mit dem Titel „Localization of Tumors and Evaluation of Their State of Oxygenation by Phosphorescence Imaging" von David F. Wilson und George Cerniglia, Cancer Research, Band 52, 15. Juli 1992, S. 3988–3993.
Aus US 5,419,320 ist ein Röntgenstrahlcomputertomographscanner bekannt, der mit einem optischen Überwachungssystem kombiniert ist. Dieses optische Überwachungssystem erfaßt individuell durch ein Objekt hindurchtretendes Licht. Die erfaßten optischen Daten werden durch die Lichtstreukoeffizientenverteilung und die Lichtabsorptionskoeffizientenverteilung beeinflußt. Die Lichtabsorptionsverteilung und das Röntgenstrahltomogrammbild werden mit individuellen Farben auf einem einzelnen Schirm angezeigt.
Der Nachteil der offenbarten optischen Technik besteht darin, daß nur die Oberfläche des Tumorgewebes für die optische Erfassung zugänglich ist und die offenbarte optische Technik infolgedessen keine Informationen über das Tumorgewebe unter der Oberfläche liefert.
Angesichts des Obengesagten besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Abbilden der Oxygenation von Gehirngewebe in drei Dimensionen, um mit einer Auflösung im Submillimeterbereich Tumorgewebe von normalem Gehirngewebe zu unterscheiden.
Kurze Darstellung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung zur Verwendung während einer neurochirurgischen Operation bereit, damit ein Mehrkoordinatenmanipulator („MCM") mit einer Auflösung im Submillimeterbereich Blutgefäße und Nerven im Gehirn eines Patienten lokalisieren kann. Außerdem stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbilden der Oxygenation von Gehirngewebe in drei Dimensionen bereit, um Tumorgewebe mit einer Auflösung im Submillimeterbereich von normalem Gehirngewebe zu unterscheiden.
Insbesondere handelt es sich bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um eine Operationsvorrichtung zur Verwendung bei der Ausführung eines Operationsvorgangs an einem Objekt, umfassend: (a) ein Operationsmikroskop; (b) ein MCM-System, das (i) das Operationsmikroskop parallel verschiebt und ausrichtet, (ii) Diagnosebilddaten speichert und (iii) das Operationsmikroskop automatisch fokussiert; (c) eine OCT-(„Optical coherence tomography")-Vorrichtung, die folgendes enthält: (i) Abtastmittel zum Abtasten des Objekts mit einer optischen Ausgabe der OCT-Vorrichtung als Reaktion auf eine Eingabe von dem MCM-System, (ii) zum Erzeugen von OCT-Scandaten als Reaktion auf Reflexionen der optischen Ausgabe vom Objekt und (iii) zum Übertragen der OCT-Scandaten zum MCM-System zur Analyse.
Kurze Beschreibung der Figur
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein neurochirurgisches Mikroskop umfaßt, das mit einer OCT-(„Optical coherence tomography")-Vorrichtung und einem Mehrkoordinatenmanipulator („MCM") kombiniert ist;
2 zeigt in bildlicher Form einen OCT-Querscanner zur Verwendung bei der Ausführungsform von 1;
3 zeigt in bildlicher Form einen weiteren OCT-Querscanner zur Verwendung bei der Ausführungsform von 1; und
4 zeigt in bildlicher Form eine faseroptische Ausführungsform eines OCT-Generators und -Analysators zur Verwendung bei der Ausführungsform von 1.
Zum leichteren Verständnis sind Komponenten, die in den verschiedenen Figuren gleich sind, mit den gleichen Zahlen versehen worden.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt ein Blockschaltbild der Ausführungsform 2000 der vorliegenden Erfindung, die folgendes umfaßt: ein neurochirurgisches Mikroskop 100; einen Mehrkoordinatenmanipulator („MCM") 600 mit zugeordnetem Computersystem 500 („MCM-Computersystem 500'') und zugeordneter Bediener-Maschine-Schnittstelle 610 (MCM-Bediener-Schnittstelle 610''); einen Generator und Analysator 400 für optische Kohärenztomographie („OCT-Generator und -Analysator 400''), einen Querscanner 420 für optische Kohärenztomographie („OCT-Querscanner 420'') und einen Videomonitor 210.
Wie in 1 gezeigt, enthält das neurochirurgische Mikroskop 100 eine Objektivlinse 110, die einen großen Objektabstand (200 mm) aufweist, um während einer neurochirurgischen Operation auf Teile des Gehirns 1000 eines Patienten zu fokussieren. Ein Strahlvereiniger 120 (obwohl in 1 als Strahlteiler gezeigt, sollte dem Durchschnittsfachmann klar sein, daß der Strahlvereiniger 120 auf mehrere andere Weisen verkörpert werden kann, wie beispielsweise ein Prisma) lenkt Beleuchtungsstrahlung 340 (ausgegeben vom Beleuchtungsweg 300) und einen OCT-Strahl 430 (ausgegeben vom OCT-Querscanner 420) auf die Objektivlinse 110. Wie in 1 gezeigt, enthält das neurochirurgische Mikroskop 100 weiterhin einen Wechsler 130 für die optische Vergrößerung, der so eingestellt wird, daß er eine für die Durchführung einer bestimmten neurochirurgischen Operation geeignete Vergrößerung liefert. Wie gut bekannt ist, enthält der Wechsler 130 für die optische Vergrößerung in der Regel mehrere Gruppen aus Linsen, die auf einer Trommel angeordnet sind, um verschiedene Vergrößerungen, wie etwa 5X, 12X, 20X und so weiter bereitzustellen. Bei der Strahlung, die auf den Wechsler 130 für die optische Vergrößerung auftrifft, handelt es sich hauptsächlich um Beleuchtungsstrahlung, die von einem Teil des Gehirns 1000 reflektiert worden ist und im wesentlichen kollimiert ist.
Das neurochirurgische Mikroskop 100 enthält weiterhin: (a) Übertragungslinsen 140 und interne Fokussierlinsen 150. Die Übertragungslinsen 140 nehmen vom Wechsler 130 für die optische Vergrößerung ausgegebene kollimierte Strahlung und bilden ein Zwischenbild eines Teils des Gehirns 1000, und die internen Fokussierlinsen 150 nehmen das von den Übertragungslinsen 140 gebildete Zwischenbild des Teils des Gehirns 1000 und liefern einen kollimierten Strahl. Vom MCM-Computersystem 500 zum Autofokusmotor 220 gesendete Autofokussignale bewegen die internen Fokussierlinsen 150 entlang einem Betrachtungsweg 550 auf und ab, um einen Mechanismus für die interne Fokuseinstellung zu liefern. Obwohl aus der in 1 gezeigten Ausführungsform des neurochirurgischen Mikroskops 100 hervorgeht, daß die automatische Fokussierung durch den Autofokusmotor 220 und die internen Fokussierlinsen 150 erfolgt, geschieht dies lediglich zum einfachen Verständnis der vorliegenden Erfindung. In der Praxis würde man eine Autofokussiervorrichtung einsetzen, wie sie im US-Patent Nr. 5,288,987 gezeigt ist, die durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Gemäß der im US-Patent Nr. 5,288,987 offenbarten Autofokussiervorrichtung kann ein Autofokusmotor Linsen wie etwa interne Fokussierlinsen 150 oder die Objektivlinse 110 bewegen. Weiterhin liefern die zum Herstellen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendeten Autofokussiervorrichtungen die Entfernung der Objektivlinse 110 vom Gewebe, wie etwa dem Gehirngewebe 1000, an das MCM-Computersystem 500.
Strahlung wird nach dem Durchtritt durch die internen Fokussierlinsen 150 kollimiert, und der Strahlteiler 160 koppelt einen Teil der kollimierten Strahlung in eine Videolinse 190. Die Ausgabe von der Videolinse 190 trifft auf eine CCD-Kamera 200 auf, und ein Videobild wird auf mindestens einem Teil des Schirms des Videomonitors 210 bereitgestellt. Wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres verstehen kann, liegt es, obwohl die Verwendung einer einzigen CCD-Kamera gezeigt ist, innerhalb des Gedankens der vorliegenden Erfindung, daß Ausführungsformen unter Verwendung von zwei Strahlteilern hergestellt werden können, das heißt, einem Strahlteiler 160 und einem ähnlich plazierten Strahlteiler, damit man durch zwei CCD-Kameras eine stereoskopische Betrachtung erhält.
Die Tubuslinsen 170 schließlich fokussieren durch die Strahlteiler 160 hindurchgetretene kollimierte Strahlung auf die Objektebenen der Okulare 180. Die Okulare 180 liefern dann die kollimierte Ausgabe, die von den Augen eines Betrachters fokussiert wird. Da der oben beschriebene Betrachtungsweg 550 zwei Okulare enthält, kann man eine stereoskopische Betrachtung erhalten.
Wie in 1 gezeigt, enthält der Beleuchtungsweg 300: (a) eine Glühlichtquelle 310; (b) eine Kondensorlinse 320 zum Sammeln von von der Lichtquelle 310 ausgegebener Strahlung und (c) eine Bildlinse 330 zum Füllen der Pupille der Objektivlinse 110 mit dem Glühfaden der Glühlichtquelle 310. Der Strahlvereiniger 350 vereinigt den OCT-Strahl 430 (vom OCT-Querscanner 420 ausgegeben) mit der Beleuchtungsstrahlung 340 (vom Beleuchtungsweg 300 ausgegeben). Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlvereiniger 350 ein Kaltspiegelstrahlvereiniger, d. h. ein Spiegel, der Strahlung mit niedrigeren Wellenlängen reflektiert, beispielsweise Wellenlängen unter etwa 700 nm, und Strahlung mit höheren Wellenlängen durchläßt, beispielsweise Wellenlängen über etwa 700 nm.
Die 2 und 3 zeigen in bildlicher Form eine erste und zweite Ausführungsform des OCT-Querscanners 420. Wie in 2 gezeigt, kollimiert die Linse 470 als eine Punktquelle von der Faser 250 des OCT-Generators und -Analysators 400 ausgegebene OCT-Strahlung 410 (eine Ausführungsform des OCT-Generators und -Analysators 400 ist in 4 gezeigt und unten näher beschrieben). Weiterhin lenkt die Linse 470 die kollimierte Strahlung auf die Scanspiegel 450 und 460. Die Scanspiegel 450 und 460 sind orthogonal montierte, von einem Galvanometer angetriebene Scanspiegel, die auf einem Paar nicht gezeigter Scanmotoren montiert sind. Die Scanmotoren werden durch das MCM-Computersystem 500 gesteuert. Dem Durchschnittsfachmann ist wohlbekannt, wie die Scanmotoren 450 und 460 beispielsweise durch ein Computersystem gesteuert werden. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Scanspiegel 450 und 460 in der Nähe des hinteren Brennpunkts der Objektivlinse 110 von 1 angeordnet. Da der hintere Brennpunkt der Objektivlinse 110 in der Nähe der Scanspiegel 450 und 460 liegt, verlaufen die Hauptstrahlen des OCT-Strahls 430 parallel zur optischen Achse im Objektraum, d. h. dem Gebiet zwischen der Objektivlinse 110 und dem Gehirn 1000.
Wie in 3 gezeigt, überträgt die Übertragungslinse 480 die als eine Punktquelle von der Faser 250 des OCT-Generators und -Analysators 400 ausgegebene OCT-Strahlung 410 (eine Ausführungsform des OCT-Generators und -Analysators 400 ist in 4 gezeigt und wird unten näher beschrieben) zu einem Zwischenbild. Wie in 3 gezeigt, befindet sich das Zwischenbild zwischen den Scanspiegeln 450 und 460, und die Scanspiegel 450 und 460 sind sehr nahe am hinteren Brennpunkt der Scanlinse 490 angeordnet. Die Hauptstrahlen des OCT-Strahls zwischen den Scanspiegeln 450 und 460 und dem Gehirn 1000 verlaufen bei dieser Ausführungsform parallel im Übertragungsraum, d. h. dem Raum zwischen der Scanlinse 490 und der Objektivlinse 110, und die Hauptstrahlen werden nahe bei der optischen Achse der Objektivlinse 110 fokussiert. Die Scanspiegel 450 und 460 sind orthogonal montierte, von einem Galvanometer angetriebene Scanspiegel, die auf einem Paar nicht gezeigter Scanmotoren montiert sind. Die Scanmotoren werden durch das MCM-Computersystem 500 gesteuert. Dem Durchschnittsfachmann ist wohlbekannt, wie die Scanmotoren 450 und 460 beispielsweise durch ein Computersystem gesteuert werden.
4 zeigt in bildlicher Form eine faseroptische Ausführungsform des OCT-Generators und -analysators 400. Wie in 4 gezeigt, enthält der OCT-Generator und -analysator 400 drei CW-Strahlungsquellen 700, 710 und 715, bei denen es sich jeweils beispielsweise um eine Superlumineszenzleuchtdiode handelt. Die Leuchtdiode 700 arbeitet bevorzugt bei Wellenlängen über 800 nm (bevorzugt bei Wellenlängen von im wesentlichen etwa 830 nm), die Leuchtdiode 710 arbeitet bevorzugt bei Wellenlängen unter 800 nm (bevorzugt bei Wellenlängen von im wesentlichen etwa 750 nm), und die Leuchtdiode 715 arbeitet bevorzugt bei Wellenlängen von im wesentlichen etwa 800 nm. Die Strahlung von den Leuchtdioden 700, 710 und 715 wird durch einen faseroptischen Koppler 720 vereinigt, und die vereinigte Strahlung breitet sich durch die Faser 730 aus. Die sich in der optischen Faser 730 ausbreitende vereinigte Strahlung wird von einem Koppler 740 (beispielsweise einem faseroptischen Koppler) in zwei Strahlen zerlegt, so daß die Ausgabe des Kopplers 740 in eine Einmodenfaser 250 beziehungsweise Einmodenfaser 750 eingekoppelt wird. Die Ausgabe der Faser 750 wird von einer Linse 780 auf einen Referenzreflektor 790 abgebildet, und die Ausgabe der Faser 250 wird zum OCT-Querscanner 420 gelenkt. Wie in der Technik gut bekannt ist, kann der Referenzreflektor 790 auf mehrere Weisen verkörpert werden, einschließlich unter anderem durch einen im wesentlichen planaren Reflektor, einen Zentralspiegel und so weiter.
Wie oben im Hinblick auf 1 erörtert wurde, wird die Ausgabe des OCT-Querscanners 420 durch den Strahlvereiniger 120 und die Objektivlinse 110 so gelenkt, daß sie auf das Gehirn 1000 auftrifft. Dann wird vom Gehirn 1000 mindestens ein Teil dieser Strahlung reflektiert und zurück in die Faser 250 gekoppelt. Als nächstes wird der vom Gehirn 1000 reflektierte Strahlung vom Koppler 740 mit Strahlung überlagert, die vom Referenzreflektor 790 reflektiert wird, und zurück in die Faser 750 gekoppelt. Als nächstes wird die vom Koppler 740 ausgegebene überlagerte Strahlung in die Faser 800 gekoppelt. Als nächstes wird die in die Faser 800 gekoppelte Strahlung von einem dichroitischen Strahlteiler 805 (beispielsweise ein dichroitischer Faserkoppler) auf die Fasern 810, 815 und 820 aufgeteilt. Strahlung mit Wellenlängen von im wesentlichen etwa 830 nm wird in die Faser 810 gekoppelt, Strahlung mit Wellenlängen von im wesentlichen etwa 750 nm wird in die Faser 820 gekoppelt, und Strahlung mit Wellenlängen von im wesentlichen etwa 800 nm wird in die Faser 815 gekoppelt. Als nächstes wird Strahlung in der Faser 810 von einem Detektor 830 erfaßt, Strahlung in der Faser 815 wird von einem Detektor 835 erfaßt, und Strahlung in der Faser 820 wird von einem Detektor 840 erfaßt. Als nächstes verarbeiten drei getrennte Elektronikschaltungen die Detektorsignale und erzeugen OCT-Scandaten, die jedem Wellenlängenbereich entsprechen. Bekannterweise gibt es für jede der Wellenlängen eine Interferenz zwischen der vom Gehirn 1000 reflektierten Strahlung und der vom Referenzreflektor 790 reflektierten Strahlung, falls die optische Wegdifferenz kleiner ist als die Kohärenzlänge der entsprechenden Strahlungsquelle. Der Referenzreflektor 790 wird von dem Durchschnittsfachmann wohlbekannten Mitteln (nicht gezeigt) mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit bewegt, und die Position des Referenzreflektors 790 wird auf eine dem Durchschnittsfachmann wohlbekannte Weise vom MCM-Computersystem 500 bestimmt. Dadurch wird eine Interferenz als eine periodische Schwankung eines von jedem der Fotodetektoren 830, 835 beziehungsweise 840 ausgegebenen Detektorsignals erfaßt. Die periodische Schwankung jedes Detektorsignals weist eine Frequenz auf, die gleich der Frequenz einer Dopplerverschiebung ist, die durch den sich mit der im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit bewegenden Referenzreflektor 790 eingeführt wird. Die Ausgabe des Fotodetektors 830 wird von einem Demodulator 850 demoduliert; die demodulierte Ausgabe des Demodulators 850 wird von einem Analog-Digital-Umsetzer 860 (A/D 860) in ein digitales Signal umgewandelt, und die Ausgabe von dem A/D 860 wird als Eingabe an das MCM-Computersystem 500 angelegt, um analysiert zu werden. Die Ausgabe des Fotodetektors 835 wird von einem Demodulator 837 demoduliert; die demodulierte Ausgabe des Demodulators 837 wird von einem Analog-Digital-Umsetzer 839 (A/D 839) in ein digitales Signal umgewandelt, und die Ausgabe von dem A/D 839 wird als Eingabe an das MCM-Computersystem 500 angelegt, um analysiert zu werden. Analog wird die Ausgabe des Fotodetektors 840 von einem Demodulator 870 demoduliert; die demodulierte Ausgabe des Demodulators 870 wird von einem Analog-Digital-Umsetzer 880 (A/D 880) in ein digitales Signal umgewandelt, und die Ausgabe von dem A/D 880 wird als Eingabe an das MCM-Computersystem 500 angelegt, um analysiert zu werden. Das Interferenzsignal verschwindet, sobald die optische Wegdifferenz zwischen der vom Gehirn 1000 reflektierten Strahlung und der vom Referenzreflektor 790 reflektierten Strahlung größer wird als die Kohärenzlänge der jeweiligen Quelle. Wie unten näher beschrieben wird, werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die von den drei Strahlungsquellen erzeugten Bilder dazu verwendet, zwischen normalem Gehirngewebe und Tumorgewebe zu unterscheiden. Der Durchschnittsfachmann erkennt ohne weiteres, daß eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, die nur eine der Leuchtdioden 700, 710 und 715 verwendet. Eine derartige Ausführungsform würde beispielsweise hergestellt, indem die Leuchtdioden 710 und 715, der faseroptische Koppler 720, der dichroitische Faserkoppler 805, die Detektoren 835 und 840, die Demodulatoren 837 und 870 und die A/Ds 839 und 880 entfallen. Weiterhin erkennt der Durchschnittsfachmann, daß an der in 4 gezeigten Ausführungsform viele Abwandlungen vorgenommen werden können, um die beschriebene Funktion zu erzielen. Beispielsweise sind unter anderem äquivalente Ausführungsformen für die Koppler, die Fasern, die Demodulatoren, die A/D-Umsetzer und so weiter, die oben beschrieben sind, wohlbekannt.
Der MCM 600 von 1 ist auf in der Technik wohlbekannte Weise mit dem neurochirurgischen Mikroskop 100 verbunden und steuert das neurochirurgische Mikroskop 100 auf eine ebenfalls in der Technik wohlbekannte Weise unter der Anleitung des MCM-Computersystems 500 an. Das MCM-Computersystem 500 ist jedoch im Vergleich zu einem herkömmlichen MCM-Computersystem gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert: (a) um mit dem OCT-Generator und -analysator 400 und dem OCT-Querscanner 420 zu interagieren und (b) um die OCT-Scandaten zum Verbessern der Interaktion und Koordination zwischen dem MCM 600 und dem neurochirurgischen Mikroskop 100 zu verwenden. Bevor eine ausführliche Beschreibung der Verbesserungen erfolgt, erfolgt nachstehend eine Beschreibung der herkömmlichen Aspekte der Interaktion zwischen dem MCM 600 und dem neurochirurgischen Mikroskop 100, was als Hintergrund und als Basis zum leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung dient.
Bekannterweise ist der MCM 600 ein Robotersystem, das als Reaktion auf vom MCM-Computersystem 500 empfangene Befehle arbeitet. Bei einer typischen Ausführungsform weist der MCM 600 drei Motoren auf, die die drei Hauptachsen des MCM 600 als Reaktion auf Signale vom MCM-Computersystem 500 antreiben. Durch das Antreiben dieser drei Hauptachsen kann der MCM 600 das neurochirurgische Mikroskop 100 in drei Dimensionen positionieren, beispielsweise entlang der (x, y, z)-Achse. Außerdem ist das neurochirurgische Mikroskop 100 so montiert, daß die drei Achsen des Mikroskops durch drei unabhängige Motoren als Reaktion auf eine Eingabe vom MCM-Computersystem 500 angetrieben werden. Ein Bediener kann durch die Eingabe von Befehlen in das MCM-Computersystem 500 durch die MCM-Bediener-Schnittstelle 610 die Position und Orientierung des neurochirurgischen Mikroskops 100 ändern. Bei einer typischen Ausführungsform sind die drei Drehachsen des neurochirurgischen Mikroskops 100 so angeordnet, daß die Rotationsmitte des neurochirurgischen Mikroskops 100 die Mitte der Brennebene des Mikroskops ist.
Wie gut bekannt ist, schickt das MCM-Computersystem 500 Signale an den MCM 600 und an den Autofokusmotor 220.
Als Reaktion auf diese Signale: (a) bewegt, orientiert und fokussiert der MCM 600 automatisch das neurochirurgische Mikroskop 100, so daß es entlang einer bestimmten Richtung auf einen ausgewählten Teil des Gehirns 1000 fokussiert. Gemäß wohlbekannten Techniken können der ausgewählte Teil des Gehirns 100 und die Orientierung: (a) von einem Bediener, wie etwa einem Neurochirurgen vor einer neurochirurgischen Operation spezifiziert werden, wobei die Koordinaten des ausgewählten Teils des Gehirns 1000 und die Orientierung für die Ansicht im MCM-Computersystem 500 gespeichert sind, und/oder (b) können vom Bediener während der neurochirurgischen Operation spezifiziert werden. Wie gut bekannt ist, kann der Neurochirurg Informationen in das MCM-Computersystem 500 eingeben, um den MCM 600 so anzuleiten, daß er das neurochirurgische Mikroskop 100 bewegt und orientiert, so daß es sich auf eine gewünschte Stelle scharf stellt, indem die MCM-Bediener-Schnittstelle 610 zur Eingabe derartiger Informationen verwendet wird. Beispielsweise handelt es sich bei einer bevorzugten Ausführungsform bei der MCM-Bediener-Schnittstelle 610 um einen Lichtgriffel, mit dem Stellen auf auf dem Schirm (beispielsweise des Videomonitors 210) angezeigten Bilddaten angegeben werden. Wie gut bekannt ist, kann der Neurochirurg außerdem durch Hervorheben mehrerer Punkte mit dem Lichtgriffel eine Linie oder eine Grenze spezifizieren. Als Reaktion erzeugt das MCM-Computersystem 500 eine Linie, die durch die hervorgehobenen Punkte geht, und das MCM-Computersystem 500 überträgt Daten an den Videomonitor 210, die auf dem Schirm des Videomonitors 210 als die Linie angezeigt werden.
Wie gut bekannt ist, werden Diagnosebilddaten, beispielsweise durch Röntgenstrahlcomputertomographie („CT") und/oder Kernspinresonanz („NMR") erzeugte Diagnosebilddaten im MCM-Computersystem 500 gespeichert. Das MCM-Computersystem 500 überträgt diese Diagnosebilddaten an den Videomonitor 210, damit sie auf mindestens einem Teil des Schirms des Videomonitors 210 angezeigt werden. Beispielsweise kann der Videomonitor 210 ein durch das neurochirurgische Mikroskop 100 gesehenes optisches Bild eines Teils des Gehirns 1000 und ein Diagnosebild des Teils des Gehirns 1000 gleichzeitig auf dem Schirm des Videomonitors 210 anzeigen (Seite an Seite oder einander überlagert). Gemäß wohlbekannten Techniken kann das MCM-Computersystem 500 außerdem gespeicherte Wege und/oder Grenzen zum Videomonitor 210 übertragen, damit sie beispielsweise als eine Einblendung der auf dem Schirm des Videomonitors 210 angezeigten Diagnosebilddaten angezeigt werden.
Wie gut bekannt ist, basieren die Diagnosebilddaten auf einem Koordinatensystem dessen Ursprung reproduzierbar bezüglich einer identifizierbaren Stelle auf oder im Gehirn 1000 des Patienten angeordnet ist und dessen Achsen reproduzierbar bezüglich einer identifizierbaren Orientierung von Achsel auf oder im Gehirn 1000 des Patienten orientiert sind. Beispielsweise wird der Kopf eines Patienten in der Regel in einem Gerät angeordnet, das folgendes liefert: (a) einen reproduzierbaren Ort einer identifizierbaren Position einer bestimmten Knochenstruktur oder einer identifizierbaren Position des Geräts und (b) eine Orientierung von am Gerät fixierten identifizierbaren Achsen.
Gemäß wohlbekannten Methoden wird das Koordinatensystem des MCM 600 vor Beginn einer neurochirurgischen Operation unter Referenz auf die identifizierbare Position und die identifizierbaren Achsen (die oben erwähnt wurden) so eingestellt, daß es mit dem Koordinatensystem der Diagnosebilddaten zusammenfällt. Dazu positioniert ein Neurochirurg mit dem MCM 600 das neurochirurgische Mikroskop 100 so, daß ein jeweiliger Referenzpunkt des Geräts in der Mitte des Blickfelds des Mikroskops 100 sichtbar ist. Die axiale Position wird durch das Autofokussystem des Mikroskops 100 scharf gestellt. Als Reaktion auf durch die MCM-Bediener-Schnittstelle 610 eingegebene Befehle werden die MCM-Koordinaten des jeweiligen Referenzpunkts des Geräts als Positionsvektor im MCM-Computersystem 500 gespeichert. Dieser Vorgang wird mindestens dreimal wiederholt, da die Positionen von mindestens drei Punkten (nicht alle auf einer Linie) eines dreidimensionalen Körpers benötigt werden, um die dreidimensionale Position und Orientierung dieses Körpers im Raum zu beschreiben. Das Koordinatensystem des Patienten und deshalb des Geräts ist bis auf eine gewisse Genauigkeit mit dem Koordinatensystem der CT/NMR-Diagnosebilddaten identisch. Innerhalb dieses Koordinatensystems sind die Koordinaten dieser Referenzpunkte dem MCM-Computersystem 500 als im CT/NMR-Diagnosebilddatensatz gespeicherte Vektoren bekannt. Wie dem Fachmann gut bekannt ist, existiert eine lineare Transformation für das Transformieren der Positionsvektoren der Referenzpunkte im MCM-Koordinatensystem in die jeweiligen Positionsvektoren des Patienten-/Diagnosebilddatenkoordinatensystems.
Als nächstes folgt eine Beschreibung der Art und Weise, wie das MCM-Computersystem 500 den OCT-Generator und -Analysator 400 und den OCT-Querscanner 420 steuert, damit OCT-Scandaten gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert werden. Dem Durchschnittsfachmann sollte klar sein, daß der OCT-Generator und -analysator 400 und/oder der OCT-Querscanner 420 nicht unbedingt durch das MCM-Computersystem 500 gesteuert werden müssen. Es liegt insbesondere innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, daß sie von einer getrennten Vorrichtung gesteuert werden können, wie etwa einem Prozessor, der Informationen zum MCM-Computersystem 500 überträgt und Befehle von diesem empfängt. Es wird jedoch bevorzugt, zur Erzielung der beschriebenen Steuerung das MCM-Computersystem 500 einzusetzen. Es sollte dem Durchschnittsfachmann natürlich auch klar sein, daß das MCM-Computersystem 500 selbst einen oder mehrere Prozessoren umfassen kann.
Wie in 1 gezeigt, gibt der OCT-Generator und -Analysator 400, gesteuert durch das MCM-Computersystem 500, durch die optische Faser 250 einen OCT-Strahl 410 aus. Eine Ausführungsform des OCT-Generators und -Analysators 400 ist in 4 gezeigt und wurde oben ausführlich beschrieben. Wie oben beschrieben, wird der von der optischen Faser 250 ausgegebene OCT-Strahl 410, gesteuert durch das MCM-Computersystem 500, durch den OCT-Querscanner 420 in einer Querrichtung abgelenkt. Ausführungsformen des OCT-Querscanners 420 sind in den 2 und 3 gezeigt und wurden oben ausführlich beschrieben. Die Querrichtung liegt in einer (als die Querebene bezeichneten) Ebene, die senkrecht zur axialen Richtung des neurochirurgischen Mikroskops 100 verläuft (die axiale Richtung des neurochirurgischen Mikroskops 100 verläuft parallel zur optischen Achse der Objektivlinse 110). Da der OCT-Querscanner 420, wie in 1 gezeigt, intern an das neurochirurgische Mikroskop 100 gekoppelt ist, sind die (x, y)-Koordinaten in der Querebene bezüglich des neurochirurgischen Mikroskops 100 bekannt.
Der OCT-Generator und -Analysator 400 umfaßt, wie in 4 gezeigt, einen Referenzreflektor 790, der mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit bewegt wird, um Signale zu liefern, die sich aus der vom Gewebe in verschiedenen Tiefen im Gehirn 1000 reflektierten Strahlung ergeben, wobei die Tiefen verschiedenen Werten entlang einer Richtung parallel zur axialen Richtung des neurochirurgischen Mikroskops 100 (als die z-Achse bezeichnet) entsprechen. Wenn der Referenzreflektor 790 über eine Strecke in der Größenordnung von mehreren Millimetern bewegt wird, wird insbesondere OCT-Scanstrahlung aus Gewebetiefen empfangen, die sich (entlang der z-Achse) über eine Entfernung erstrecken, die dem fokussierenden Bild der internen Fokussierlinse 150 im Objektraum des neurochirurgischen Mikroskops 100 entspricht. Die Nullposition des Referenzreflektors 790 ist so gewählt, daß die resultierende z-Koordinate einer nominellen oder vorbestimmten Entfernung der Objektebene von der Objektlinse 110 entspricht.
Wie oben beschrieben wurde, steuert das MCM-Computersystem 500 somit die (x, y)-Koordinaten des OCT-Strahls 430 in der Querebene und zeichnet diese auf, indem es den OCT-Querscanner 420 auf eine Weise steuert, die unten ausführlich beschrieben wird, und das MCM-Computersystem 500 steuert die Tiefen, aus denen die OCT-Scanstrahlung vom Gewebe reflektiert wird und zeichnet diese auf, d. h. ihre z-Koordinaten, indem es die Position des Referenzreflektors 790 steuert und aufzeichnet. Infolgedessen steuert das MCM-Computersystem 500 die (x, y, z)-Koordinaten des OCT-Strahls 430 relativ zu den (x, y, z)-Koordinaten, die zum automatischen Fokussieren des neurochirurgischen Mikroskops 100 verwendet werden, und zeichnet diese auf.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die in den 2 und 3 gezeigten Scanspiegel 450 und 460 auf eine dem Durchschnittsfachmann wohlbekannte Weise jeweils mit einer Sägezahnspannungsfunktion angetrieben. Wenn die Phase und Frequenz der jeweiligen Antriebsspannungen gleich sind, ist das sich ergebende Scanmuster in der Querebene eine gerade Linie. Wenn ein durch die Scanspiegel 450 und 460 erzeugter derartiger linearer Scan mit dem durch die Bewegung des Referenzreflektors 790 erzeugten Längsscan in das Gehirn 1000 kombiniert wird, kommt es in einer als die OCT-Längsscanebene bezeichneten Ebene zu einem OCT-Scan. Wie man ohne weiteres erkennt, liegt die z-Achse in der OCT-Längsscanebene. Mit anderen Worten erzeugen die Scanspiegel 450 und 460 einen linearen OCT-Querscan, und an vorbestimmten Punkten im linearen OCT-Querscan wird die von allen streuenden Stellen im Weg der OCT-Strahlung entlang der z-Achse reflektierte OCT-Strahlung mit Strahlung von einem Referenzweg verglichen, dessen optische Länge periodisch verändert wird und dessen optische Länge präzise bekannt ist. Wie oben beschrieben wurde, wird ein OCT-Ausgangssignal nur dann erzeugt, wenn die optische Länge der vom Gewebe im Gehirn 1000 reflektierten OCT-Strahlung gleich der optischen Länge des Referenzwegs ist, und zwar mit einer Genauigkeit innerhalb der zeitlichen Kohärenzlänge der OCT-Strahlung. Gemäß den vorliegenden Informationen erhält man Amplitudeninformationen für reflektierte OCT-Strahlung als Funktion der Tiefe entlang der z-Achse in das Gehirn 1000 an jedem der vorbestimmten Punkte im linearen Querscan. Nach dem OCT-Scan hat das MCM-Computersystem 500 somit Amplitudeninformationen umfassende Daten über die Längsscanebene gesammelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden OCT-Scandaten für ein Volumen des Gehirns 1000 dadurch erhalten, daß die Richtung des linearen OCT-Querscans um einen vorbestimmten Betrag gedreht wird, indem die Amplitude jeder zum Antreiben der Scanspiegel 450 und 460 verwendeten Sägezahnspannungsfunktion auf eine dem Durchschnittsfachmann wohlbekannte Weise beispielsweise so variiert wird, daß die Orientierung des linearen Scans und somit die Orientierung der OCT-Längsscanebene geändert wird. Die Orientierung des linearen Scans und somit die Orientierung der OCT-Längsscanebene wird durch das Verhältnis der Amplituden jeder Sägezahnspannungsfunktion bestimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die OCT-Längsscanebene (die z-Achse ist die Drehachse) somit gedreht werden, indem das Verhältnis der Amplituden jeder Sägezahnspannungsfunktion variiert wird. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die OCT-Längsscanebene so gedreht, daß man OCT-Scandaten in verschiedenen Längsebenen um die z-Achse herum erhält und die von den verschiedenen OCT-Längsscans empfangenen Daten durch das MCM-Computersystem 500 verknüpft werden, damit man in einem von den mehreren OCT-Längsscanebenen abgedeckten Volumen dreidimensionale („3D") OCT-Scandaten erhält. Mit anderen Worten wird die Richtung des linearen OCT-Querscans auf die oben beschriebene Weise um einen vorbestimmten Betrag gedreht, Daten werden für die Ebene in der gedrehten Position gesammelt, die Ebene wird wieder gedreht und so weiter, bis Daten für das Volumen gesammelt sind. Mit derartigen 3D-Daten kann das MCM-Computersystem 500 OCT-Scandaten liefern, die Ebenen mit unterschiedlichen Orientierungen (nicht nur Quer- oder Längsebenen) im 3D-Volumen entsprechen, und diesen Ebenen entsprechende Bilder können auf dem Videomonitor 210 angezeigt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Phase der oben beschriebenen Sägezahnspannungsfunktionen individuell auf eine dem Durchschnittsfachmann wohlbekannte Weise eingestellt werden, damit man einen Scan in der Querebene erhält, die einen Bereich abdeckt. Dies wird als ein OCT-Rasterscan bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform steuert das MCM-Computersystem 500 den Referenzreflektor 790, um zu bewirken, daß die OCT-Strahlung an verschiedenen der (x, y)-Koordinaten des OCT-Rasterscans in der Querebene einen Längsscan vornimmt. Dadurch erhält man OCT-Scandaten für bei verschiedenen Werten von z, d. h. bei verschiedenen Tiefen, genommene Schnitte durch das Gehirn 1000 (verschiedene Querebenen). Wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennt, wird der tiefste Schnitt bei einer Tiefe genommen, die eine ausreichende Transmission der OCT-Strahlung liefert, damit man ein erfaßbares Signal erhält. Während des OCT-Rasterscans wird von OCT-Generator und -Analysator 400: (a) die reflektierte OCT-Strahlung erfaßt und ein Erfassungssignal erzeugt; (b) das Erfassungssignal analysiert, um OCT-Scandaten zu erzeugen, und (c) die OCT-Scandaten zum MCM-Computersystem 500 übertragen. Das MCM-Computersystem 500 analysiert die OCT-Scandaten bei vorbestimmten Positionen des Referenzreflektors 790. Mit den vorbestimmten Positionen des Referenzreflektors 790 werden die Entfernungen der verschiedenen Querebenen von der Objektivlinse 110 bestimmt, d. h. die z-Koordinate der verschiedenen Querebenen. Wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres daraus erkennen kann, werden die vom OCT-Generator und -Analysator 400 ausgegebenen OCT-Scandaten vom MCM-Computersystem 500 analysiert, damit man Bilder einer Reihe von Querschnitten von Gehirngewebe bei verschiedenen Tiefen im Gehirn 1000 mit einer Auflösung erhält, die die OCT-Vorrichtung liefert, d. h. eine Auflösung im Bereich zwischen zehn und zwanzig Mikrometern. Weiterhin werden die von den verschiedenen OCT-Rasterscans empfangenen Daten vom MCM-Computersystem 500 verknüpft, damit man in einem Volumen, das von den mehreren OCT-Rasterscanebenen abgedeckt wird, 3D-OCT-Scandaten erhält. Mit diesen 3D-Daten kann das MCM-Computersystem 500, wie oben beschrieben wurde, OCT-Scandaten liefern, die Ebenen mit unterschiedlichen Orientierungen im 3D-Volumen entsprechen, und diesen Ebenen entsprechende Bilder können auf einem Videomonitor 210 angezeigt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie unten ausführlich beschrieben wird, werden die OCT-Scandaten in mehreren verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren verwendet.
Bei einem ersten Verfahren zur Verwendung der OCT-Scandaten gemäß der vorliegenden Erfindung schickt das MCM-Computersystem 500 ein oder mehrere Bilder von OCT-Scandaten zum Videomonitor 210, damit sie auf mindestens einem Teil des Schirms des Videomonitors 210 angezeigt werden. Die Ebenen oder Orientierungswinkel der Ebenen können durch eine über die MCM-Bediener- Schnittstelle 610 empfangene Eingabe vom Bediener bestimmt werden und/oder eine Ebene kann standardmäßig für eine durch den Neurochirurgen untersuchte Richtung als eine der Querebenen eingestellt werden (d. h. Ebenen senkrecht zur optischen Achse der Objektivlinse 110). Zum Beispiel liefert ein Bild einer aus 3D-OCT-Scandaten des Gehirns 1000 erzeugten bestimmten Ebene einen Querschnitt des Gehirns 1000 in einer bestimmten Tiefe entlang einer bestimmten Richtung. Aufgrund unterschiedlicher Rückstreueigenschaften von unterschiedlichen Strukturen im Gehirn 1000 unterstützen die aus den OCT-Scandaten erzeugten Bilder, beispielsweise ein durch das OCT-Rasterscan gelieferter Querschnitt, einen Neurochirurgen beim Finden von Nerven und Blutgefäßen, die von Gehirngewebe verdeckt sind, oder beim Finden eine Gehirntumors. Weiterhin kann der Neurochirurg in den durch die OCT-Scandaten gelieferten Bildern unterschiedliche Strukturen identifizieren, indem er sie unter Verwendung der MCM-Bediener-Schnittstelle 610 auf die gleiche Weise skizziert, wie oben in bezug auf CT/NMR-Diagnosebilddaten beschrieben ist, d. h. bewirkt, daß das MCM-Computersystem 500 aus der Bedienereingabe mehrerer Punkte entlang der Grenze unter Verwendung der MCM-Bediener-Schnittstelle 610 eine Grenze erzeugt. Das MCM-Computersystem 500 kann darüber hinaus für Strukturen, die gegenüber dem umgebenden Gewebe einen ausreichenden Kontrast aufweisen, durch den Einsatz von Analysetechniken, die in der Technik für das Erfassen der Grenzen zwischen Bereichen unterschiedlicher Intensität wohlbekannt sind, eine Grenze erzeugen. Zudem kann der Neurochirurg bewirken, daß sich der MCM 600 als Reaktion auf eine Eingabe von der MCM-Bediener-Schnittstelle 610 zu verschiedenen Positionen entlang einer angezeigten Grenze der Struktur bewegt und ein chirurgisches Instrument, wie etwa eine Laservorrichtung und/oder eine Elektrokauterisationsvorrichtung, in Anlage an den Brennpunkt des neurochirurgischen Mikroskops 100 bewegen, damit entlang der Grenze Gewebe geschnitten wird.
Bei einem zweiten Verfahren zum Verwenden der OCT-Scandaten gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch Analyse der OCT-Scandaten erhaltene Bilder von Querschnitten des Gehirns 1000 mit gespeicherten Diagnosebilddaten, wie etwa CT/NMR-Diagnosebilddaten, korreliert, um die Auflösung der Diagnosebilddaten zu verbessern. Wie gut bekannt ist, erfolgt während einer chirurgischen Operation folgendes: Während der MCM 600 das neurochirurgische Mikroskop 100 ständig dreht und parallel verschiebt, dreht das MCM-Computersystem 500 den dreidimensionalen („3D") Datensatz gespeicherter CT/NMR-Diagnosebilddaten ständig und verschiebt diesen parallel entsprechend den Dreh- und Parallelverschiebungskoordinaten des MCM 600. Während das neurochirurgische Mikroskop 100 gedreht und parallelverschoben wird, werden dabei gemäß der vorliegenden Erfindung ständig OCT-Scandaten erfaßt. Wie oben beschrieben wurde, entsprechen die CT/NMR-Diagnosebilddaten nur mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Millimetern den jeweiligen Koordinaten des Gewebes im Gehirn 1000. Aus diesem Grund gibt es einen Dreh- und Parallelverschiebungsoffset, ebenfalls in der Größenordnung von Millimetern, zwischen den OCT-Scandaten und den CT/NMR-Diagnosebilddaten. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die CT/NMR-Diagnosebilddaten während eines Korrelationsvorgangs, der unten näher beschrieben wird, weiter gedreht und parallelverschoben, um eine Korrelationsfunktion der OCT-Scandaten und der CT/NMR-Diagnosebilddaten zu maximieren. Bei der Orientierung und Position, die eine maximale Korrelation erzeugt, ist die wahre Position des Gehirns 1000 dem MCM-Computersystem 500 bekannt. Das MCM-Computersystem 500 korrigiert dann die CT/NMR-Diagnosebilddaten und zeigt die korrigierten Diagnosebilddaten beispielsweise auf dem Videomonitor 210 an.
Die Korrelation zwischen den OCT-Scandaten und den Diagnosebilddaten wird wie folgt durchgeführt.
Beispielsweise durch Mustererkennung wird im Gehirn 1000 ein Merkmal gefunden. Bei dem verwendeten Mustererkennungsalgorithmus kann es sich um jeden standardmäßigen Mustererkennungsalgorithmus handeln, und wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres versteht, ist der jeweilige verwendete Mustererkennungsalgorithmus für die Ausführung der vorliegenden Erfindung unkritisch. Alternativ kann ein Merkmal im Gehirn 1000 und/oder eine bestimmte Stelle, die als Merkmal verwendet werden soll, vom Neurochirurgen hervorgehoben werden, wenn er sich die auf dem Videomonitor 210 dargestellten Diagnosebilddaten betrachtet. Der Neurochirurg nimmt die Hervorhebung beispielsweise unter Verwendung der MCM-Bediener-Schnittstelle 610 vor. Als nächstes werden Koordinaten des Merkmals in den OCT-Scandaten auf eine Weise bestimmt, die unten ausführlich beschrieben wird, und Koordinaten des Merkmals in den Diagnosebilddaten werden auf eine Weise bestimmt, die unten ausführlich beschrieben wird. Als nächstes wird eine Korrelation zwischen den beiden Datensätzen für die Koordinaten auf eine Weise vorgenommen, die unten ausführlich beschrieben wird. Schließlich wird das Ergebnis der Korrelation dazu verwendet, die Auflösung der Diagnosebilddaten zu verbessern und die Position des Autofokus des neurochirurgischen Mikroskops 100 zu verändern, und zwar auf eine Weise, die unten ausführlich beschrieben wird. Obwohl die Eindringtiefe von OCT-Strahlung im Gehirngewebe wegen der hohen Streustärke von Gehirngewebe nur ein bis zwei Millimeter beträgt, wird die Auflösung der Diagnosebilddaten durch Verknüpfen der OCT-Scandaten mit den Diagnosebilddaten gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert. Schließlich kombiniert das MCM-Computersystem 500 die OCT-Scandaten (die OCT-Scandaten können Blutgefäße und Nerven identifizieren und/oder ordnungsgemäß finden) mit den Diagnosebilddaten, damit man eine einzelne Anzeige erhält, die korrigierte (oder neu entdeckte) Stellen der Blutzellen und Nerven anzeigt. Wie man ohne weiteres erkennt, kann der Neurochirurg mit der einzelnen Anzeige beispielsweise mit Hilfe der Eingabe über einen Lichtgriffel bewirken, daß der MCM 600 sich zu Stellen bewegt, die die Blutgefäße und/oder Nerven vermeiden.
Im einzelnen wird die oben beschriebene Korrelationsprozedur wie folgt ausgeführt.

Schritt 1: Mit Diagnosebilddaten identifiziert der Neurochirurg während des Planungsstadiums eines neurochirurgischen Eingriffs ein oder mehrere kritische Merkmale im Gehirn des Patienten, wie Nerven und Blutgefäße in der Nähe eines geplanten Kanals, indem er mit einem Lichtgriffel oder einer anderen Zeigeeinrichtung ein das oder die kritischen Merkmale enthaltendes Gebiet, beispielsweise in vorbestimmten Schnitten der Diagnosebilddaten identifiziert (ein vorbestimmter Schnitt der Diagnosebilddaten ist ein Satz der Diagnosebilddaten, der in einer Ebene mit einer vorbestimmten Orientierung ein Bild erzeugt). In der Regel umfaßt ein Gebiet beispielsweise einen kreisförmigen Bereich vorbestimmter Größe, wobei der Bereich größer ist als das oder die kritischen Merkmale. Das oder die kritischen Merkmale werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Grenzlinien in [Lakune] der vorbestimmten Schnitte der Diagnosebilddaten eingegrenzt. Beispielsweise umschließen bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung derartige Grenzlinien einen Bereich des Schnitts der Diagnosebilddaten, der Pixel umfaßt, deren Grauwerte sich von denjenigen von Pixeln in einem umgebenden Bereich des Schnitts der Diagnosebilddaten unterscheiden. Bei einer derartigen Ausführungsform kann eine Grenzlinie wie folgt unter Verwendung eines Schwellwertalgorithmus definiert werden. In einem Gebiet innerhalb beispielsweise eines kreisförmigen Bereichs mit einem vorbestimmten Radius, wobei der Kreis seine Mitte an einem von dem Neurochirurgen mit dem Lichtgriffel angegebenen Punkt aufweist, werden die Grauwerte aller Pixel innerhalb dieses Gebiets zu einem Histogramm sortiert, das die Anzahl der Pixel mit einem bestimmten Grauwert zeigt. Wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennt, variiert gemäß der vorliegenden Erfindung die Größe des vorbestimmten Radius je nach der typischen Größe des oder der kritischen Merkmale. Weiterhin kann die Größe des Radius vom Neurochirurgen verändert werden, indem er über die MCM-Bediener-Schnittstelle 610 eine Eingabe liefert. Darüber hinaus kann es sich bei dem Bereich um ein Quadrat mit einer vorbestimmten Seitenlänge handeln, oder verschiedene andere Formen können verwendet werden. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt es zwei Klassen von Grauwerten. Pixel innerhalb des oder der kritischen Merkmale häufen sich im Histogramm bei einem anderen Grauwert (Grauwert 1) als Pixel außerhalb des oder der kritischen Merkmale (Grauwert 2). Gemäß dieser Ausführungsform werden Pixel mit einem Grauwert, der beispielsweise größer ist als (Grauwert 1 – Grauwert 2)/2 auf 1 gesetzt. Die anderen Pixel werden auf 0 gesetzt. Diese Binärdaten und die Koordinaten der Pixel werden als ein getrennter Datensatz gespeichert, der in den folgenden Schritten als binäre Diagnosebilddaten bezeichnet wird.
Schritt 2: Während des neurochirurgischen Eingriffs identifiziert der Neurochirurg mit OCT-Scandaten das oder die kritischen Merkmale in entsprechenden Schnitten des OCT-Scanbilds, indem er mit einem Lichtgriffel oder einer anderen Zeigeeinrichtung im OCT-Scanbild ein das oder die kritischen Merkmale enthaltendes Gebiet identifiziert. In der Regel umfaßt das Gebiet beispielsweise einen kreisförmigen Bereich vorbestimmter Größe, der größer ist als das oder die kritischen Merkmale. Weiterhin assoziiert der Neurochirurg das oder die im OCT-Scanbild identifizierten kritischen Merkmale mit einem oder mehreren in den Diagnosebilddaten identifizierten kritischen Merkmalen, wobei er beispielsweise die MCM-Bediener-Schnittstelle 610 verwendet. Die Pixel der OCT-Scandaten im OCT-Schnitt in dem oder den kritischen Merkmalen unterscheiden sich wegen der wesentlich anderen Streu- und Absorptionseigenschaften des oder der kritischen Merkmale in ihrem Grauwert von den Pixeln der OCT-Scandaten im OCT-Schnitt in einem das oder die kritischen Merkmale umgebenden Bereich. Deshalb können gemäß der vorliegenden Erfindung Pixel in dem oder den kritischen Merkmalen identifiziert werden, wobei die gleiche, oben in Schritt 1 beschriebene Klassifizierungsprozedur zum Identifizieren von Pixeln in dem oder den kritischen Merkmalen in Diagnosebilddaten verwendet wird. Das Ergebnis ist ein binärer OCT-Scandatensatz aus binären Daten und den Koordinaten der Pixel, wobei Pixelwerte gleich 1 für Pixel in dem oder den kritischen Merkmalen und Pixelwerte gleich 0 für Pixel außerhalb des oder der kritischen Merkmale gilt. Es sollte klar sein, daß die Assoziation des oder der kritischen Merkmale in den beiden Datensätzen vor der Erzeugung der binären Datensätze oder danach unter Verwendung seitlich aneinanderliegender oder eingeblendeter Bilder der binären Pixelwerte erfolgen kann.
Schritt 3: Wie oben beschrieben wurde, sind die Koordinaten von Pixeln in den OCT-Scandaten dem MCM-Computersystem 500 bekannt, da der OCT-Querscanner 420 und die Optik im OCT-Generator und -Analysator 400 starr an das neurochirurgische Mikroskop 100 angeschlossen sind. Wie oben weiter beschrieben wurde und wie gut bekannt ist, können die Mikroskop-/MCM-Koordinaten in das Koordinatensystem der Diagnosebilddaten transformiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Koordinaten der OCT-Scandaten entsprechend dem binären OCT-Scandatensatz in das Diagnosebildkoordinatensystem transformiert. Infolgedessen weist das MCM-Computersystem 500 binäre Diagnosedatensätze im Diagnosebildkoordinatensystem für die Schnitte und binäre OCT-Scandatensätze im Diagnosebildkoordinaten system für die entsprechenden Schnitte auf. Die Diagnose- und OCT-Scandatensätze unterscheiden sich jedoch in der Lage wegen der obenerwähnten Ungenauigkeit in der Größenordnung eines Millimeters zwischen den Diagnosebildkoordinaten und den MCM-Koordinaten. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden binäre OCT-Datensätze mit binären Diagnosebilddatensätzen in entsprechenden Schnitten gemäß Schritt 4 korreliert.
Schritt 4: M ist eine binäre Diagnosebilddatensatzmatrix für einen Schnitt und N ist eine transformierte binäre OCT-Scandatensatzmatrix für den entsprechenden Schnitt (d. h. in das Diagnosekoordinatensystem transformiert). Die Zeilen und Spalten jeder Matrix entsprechen den Pixelwerten in jedem der Datensätze für Pixel, die den Bereich eines kritischen Merkmals abdecken. Beispielsweise entsprechen die Zeilen der x-Richtung und die Spalten der y-Richtung. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß beide Matrizen n*n-Matrizen sind. Die Korrelationsfunktion wird dann durch die folgende Prozedur bestimmt.
1) I = 0, J = 0
2) A(I, J) = Σ über (i = 1 → n, j = 1 → n) von {M(i + I, j + J)* N(i, j)}
3) I = I + 1
4) FALLS I < n GEHE ZU 2
5) J = J + 1
6) FALLS J < n GEHE ZU 2 Die resultierende Korrelationsfunktion A(I, J) weist einen durch (I_max, J_max) gegebenen Höchstwert bei (Zeile, Spalte) auf, wobei der Höchstwert der besten Anpassung zwischen dem binären OCT-Scandatensatz und dem binären Diagnosebilddatensatz entspricht. Die Entfernung s zwischen Diagnosebilddatenpixeln ist bekannt. Infolgedessen beträgt der Offset zwischen den OCT-Scandaten und den Diagnosebilddaten in der x-Richtung s*I_max und in der y-Richtung s*J_max. Mit den Verschiebungswerten werden dann die Diagnosebilddaten in ihre wahre Position verschoben.
Schritt 5: Durch die oben beschriebene Prozedur kann das MCM-Computersystem 500 die Diagnosebilddatenkoordinaten in dem einen Schnitt an die wahren Patientenkoordinaten anpassen. Dann wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein weiterer Schnitt mit einer anderen Orientierung benötigt, um die Diagnosebilddatenkoordinaten in allen drei Dimensionen an die wahren Patientenkoordinaten anzupassen. Beispielsweise ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zweiter Schnitt eine Ebene, die in einer orthogonal zum ersten Schnitt verlaufenden Richtung orientiert ist. Falls beispielsweise die Ebene des ersten Schnitts als die x-y-Ebene bezeichnet wird, wird die Ebene des zweiten, orthogonalen Schnitts als die y-z-Ebene bezeichnet. Die den verschiedenen Ebenen entsprechenden Daten werden wie erläutert aus den 3D-OCT-Scandaten erhalten. Schritt 4 wird dann wiederholt, um eine weitere Korrelationsfunktion A'(J, K) mit einem durch (J_max, K_max) gegebenen Höchstwert bei (Zeile, Spalte) zu erhalten. Dadurch beträgt der Offset zwischen den OCT-Scandaten und den Diagnosebilddaten in der y-Richtung s*J_max (bereits mit dem ersten Schnitt bestimmt) und in der z-Richtung s*K_max.

Bei einem dritten Verfahren zum Verwenden der OCT-Scandaten gemäß der vorliegenden Erfindung ist der OCT-Generator und -Analysator 400 gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform aufgebaut. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine derartige Ausführungsform des OCT-Generators und -Analysators 400 dazu verwendet, die in 1 gezeigte Vorrichtung zum Unterscheiden zwischen einem Gehirntumor und normalem Gehirngewebe herzustellen. Wie in 1 eines Artikels mit dem Titel „Noninvasive Methods for Estimating In Vivo Oxygenation" von David A. Benaron, William E. Benitz, Ronald L. Ariagno und David K. Stevenson, Clinical Pediatrics, Mai 1992, S. 258–273, gezeigt wird, ist die Absorption von Oxyhämoglobin (Oxy-Hb) und Hämoglobin (Hb) unterschiedlich und insbesondere ist diese Absorption unter und über 800 nm verschieden. Wie im Artikel gezeigt wird, ist speziell bei etwa 800 nm die Absorption von Oxyhämoglobin gleich der Absorption von Hämoglobin, was als der isosbestische Punkt bekannt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung mißt das MCM-Computersystem 500 den vom Gewebe zurückgestreuten Lichtfluß bei drei Wellenlängen, um zwischen Gewebestrukturen mit unterschiedlichen Sauerstoffdrücken zu unterscheiden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind gemäß der folgenden Erläuterung zu verstehen.
Der oben beschriebene OCT-Strahl 430 trifft mit einer Intensität I_in(0) auf das Oberflächengewebe des Gehirns 1000 auf. Der OCT-Strahl 430 dringt in das Gewebe des Gehirns 1000 ein und wird gedämpft. Die Dämpfung ist auf die Streuung und Absorption zurückzuführen und kann durch die folgende Differentialgleichung der Intensität der Strahlung an einer Stelle z im Gehirn 1000 beschrieben werden. Die Entfernung z ist die Entfernung zwischen der Oberfläche des Gehirns 1000 (z = 0) und der axialen Position z. dI(z)/dz = –α(z)I(z) (1)wobei α(z) ein positionsabhängiger Dämpfungskoeffizient ist, der einen Streufaktor S(z) und einen Absorptionsfaktor A(z) umfaßt. Die Differentialgleichung (1) wird dann zu: dI(z)/dz = –S(z)A(z)I(z) (2)
Die Lösung der Differentialgleichung (2) ist gegeben durch: I(z) = Iin(0)exp[– z 0 S(z')A(z')dz'] (3)
An jeder axialen Position z wird Strahlung in der Richtung des einfallenden Strahls zurückgestreut. Die Streustärke hängt von dem Streufaktor S(z) ab, doch wird von der Faser 250 des OCT-Generators und -Analysators 400 nur ein Bruchteil σ erfaßt. Die Intensität der zurückgestreuten Strahlung hängt auch von der Intensität an der Position z ab. Die zurückgestreute Strahlung wird durch zwischen der axialen Position z und der Oberfläche des Gehirns 1000 bei z = 0 liegendes Gewebe weiter gedämpft. Die resultierende Intensität der zurückgestreuten Strahlung an der Oberfläche des Gehirns 1000, d. h. an der axialen Position z = 0, ist gegeben durch: Iback(0, z) = Iin(0)σS(z)exp[–2 z 0 s(z')A(z')dz'] (4)
Der Streufaktor S(z) ist im allgemeinen über einen breiten Wellenlängenbereich nicht wellenlängenabhängig. Wie jedoch im obenerwähnten Artikel von Benaron et al. gezeigt, hängt der Absorptionskoeffizient A(z) wesentlich von der Wellenlänge ab. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden drei Lichtquellen mit den Wellenlängen λ₁, λ₂ beziehungsweise λ₃ verwendet (siehe obige Beschreibung der in 4 gezeigten Ausführungsform). Die Intensitäten der von der axialen Position z zurückgestreuten Strahlung an der Oberfläche des Gehirns 1000 (z = 0) sind gegeben durch: Iback(λi, 0, z) = Iin(λi)σS(z)exp[-2 z 0 S(z')A(λi, z')dz'] (5) wobei i = 1, 2, 3. Der Einfachheit halber und zum leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß I_in(λ_i) für alle drei Wellenlängen gleich ist. Man erhält mit einfachen Transformationen: {d/dz}In[Iback(λ1, 0, z)/Iback(λ2, 0, z) = –2S(z)(A(λ1, z) – A(λ2, z)} (6) {d/dz}In[Iback(λ3, 0, z)/Iback(λ2, 0, z) = –2S(z)(A(λ3, z) – A(λ2, z)} (7)
Aus den Gleichungen (6) und (7) erhält man:
Der Absorptionskoeffizient A(λ_i, z) hängt wie folgt von der Konzentration C_ox(z) und dem Absorptionskoeffizienten a_ox(λ_i) oxygenierten Hämoglobins und von der Konzentration C_non(z) und dem Absorptionskoeffizienten a_non(λ_i) nichtoxygenierten Hämoglobins ab: A(λi, z) = Cox(z)aox(λi) + Cnon(z)ano n(λi) (9)wobei i = 1, 2, 3. Mit Gleichung (9) erhält man die folgende Gleichung für die Sauerstoffsättigung R(z): R(z) = Cox(z)/[Cox(Z) + Cnon(z)] = 1/{1 + (d*f – b)/(a – c*f)} (14)wobei: a = aox(λ1) – aox(λ2) b = anon(λ1) – anon(λ2) c = aox(λ3) – aox(λ2) d = anon(λ3) – anon(λ2) f = {d/dz}In[Iback(λ1, 0, z)/Iback(λ2, 0, z))/{d/dz}In[Iback(λ3, 0, z)/Iback(λ2, 0, z)]
Mit den oben beschriebenen Gleichungen berechnet man die Sauerstoffsättigung R(z) an der Position z im Gehirngewebe, wenn die zurückgestreuten Intensitäten I_back(λ_i, 0, z) gemäß dem oben beschriebenen OCT-Verfahren räumlich aufgelöst gemessen werden. Die relativen Absorptionskoeffizienten a_ox(λ_i) und a_non(λ_i) können experimentell erhalten werden, oder sie werden dem obenerwähnten Artikel von Benaron et al. entnommen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden OCT-Scandaten unter Verwendung von bei drei verschiedenen Wellenlängen erzeugter OCT-Strahlung erfaßt. Die Bildsignalintensitäten werden bestimmt, indem die jeweiligen Signalstärken bei jedem Pixel der OCT-Scandaten bestimmt werden. Mit diesen Informationen bestimmt das MCM-Computersystem 500 die Sauerstoffsättigung für jedes der Pixel in den OCT-Scandaten gemäß dem oben hinsichtlich Gleichungen (1)–(10) ausführlich beschriebenen Verfahren. Die OCT-Scandaten werden dazu verwendet, in verschiedenen Ebenen Bilder zu liefern, die die Sauerstoffsättigung zeigen. Vorteilhafterweise werden derartige Bilder der Sauerstoffsättigung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer durch den OCT-Generator und -Analysator 400 bestimmten Auflösung mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von zehn bis zwanzig Mikrometern geliefert. Das MCM-Computersystem 500 überträgt die Bilder an den Videomonitor 210, damit sie auf mindestens einem Teil des Schirms des Videomonitors 210 angezeigt werden, so daß ein Neurochirurg einen Gehirntumor finden kann. Mit Sauerstoffsättigungsdaten über ein 3D-Volumen kann ein Neurochirurg durch Eingabe (unter Verwendung der MCM-Bediener-Schnittstelle 610) oder das MCM-Computersystem 500 (unter Verwendung von oben beschriebenen Merkmalserkennungstechniken) oder eine Kombination aus beiden die Sauerstoffsättigungsdaten dazu verwenden, einen Gehirntumor zu identifizieren und/oder zu finden. Beispielsweise kann der Neurochirurg nach der Anzeige eines Bilds der Sauerstoffsättigung durch Eingabe, wie etwa durch einen Lichtgriffel, einen Tumorgewebeumriß hervorheben. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das MCM-Computersystem 500 Tumorgewebe durch Verwendung eines Schwellwerts der Sauerstoffsättigung identifizieren, um eine Grenze zu liefern.
Außerdem kombiniert das MCM-Computersystem 500 die OCT-Datenbilder mit den Diagnosebilddaten, damit man ein einzelnes Display erhält, mit dem der Neurochirurg einen Gehirntumor identifizieren kann. Dies geschieht wie folgt. Die Werte der Pixel des dreidimensionalen OCT-Datensatzes, der wie oben beschrieben als Tumorgewebe identifiziert worden ist, werden auf 1 gesetzt, und die Werte aller anderen Pixel werden auf 0 gesetzt. Die neuen Pixelwerte und die Koordinaten der Pixel werden in einem binären OCT-Scandatensatz gespeichert. Als nächstes wird die oben für das Korrelieren der OCT-Scandaten und der Diagnosebilddaten beschriebene Prozedur auf den binären OCT-Scandatensatz angewendet. Die transformierten binären OCT-Scandatenkoordinaten sind dann zu dem dreidimensionalen Diagnosebilddatenfeld und dem MCM-Koordinatensystem isometrisch. Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die binären OCT-Scandatenwerte zu Anzeigezwecken punktweise, d. h. Pixel für Pixel, zu den Diagnosebilddaten addiert. Auf der Basis der Position/Orientierung des MCM-Querschnitts wird der der Brennebene des neurochirurgischen Mikroskops 100 entsprechende Diagnosebilddatensatz mit dem entsprechenden Querschnitt des OCT-Scandatensatzes als Einblendung auf dem Videomonitor 210 dargestellt. Zur besseren Unterscheidung zwischen den Bildern kann die OCT-Scandateneinblendung als ein Falschfarbenmuster realisiert werden.
Der Fachmann erkennt, daß die obige Beschreibung nur zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt worden ist. Sie soll als solche nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form beschränken. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung zwar in Form eines neurochirurgischen Eingriffs und eines neurochirurgischen Mikroskops beschrieben worden, doch ist die vorliegende Erfindung nicht so beschränkt. Tatsächlich betrifft die vorliegende Erfindung Operationsmikroskope allgemein.

Claims

Operationsvorrichtung zur Verwendung bei der Ausführung eines Operationsvorgangs an einem Objekt, umfassend: ein Operationsmikroskop (100); ein Mehrkoordinatenmanipulator-(„MCM")-System (500, 600, 610), das: (a) das Operationsmikroskop parallel verschiebt und eine optische Achse des Operationsmikroskops ausrichtet, (b) Diagnosebilddaten speichert und (c) das Operationsmikroskop automatisch fokussiert; eine OCT-(Optical coherence tomography)-Vorrichtung (400), die folgendes enthält: (a) Abtastmittel zum Abtasten des Objekts mit einer optischen Ausgabe der OCT-Vorrichtung (400) als Reaktion auf eine Eingabe von dem MCM-System, (b) ein Mittel zum Erzeugen von OCT-Scandaten als Reaktion auf Reflexionen der optischen Ausgabe vom Objekt (1000) und (c) Mittel zum Übertragen der OCT-Scandaten zum MCM-System zur Analyse.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das MCM-System weiterhin folgendes umfaßt: ein Analysemittel (500) zum Analysieren der OCT-Scandaten, um OCT-Scandaten in Ebenen zu erhalten und um die OCT-Scandaten in den Ebenen zu verknüpfen, damit man OCT-Scandaten in einem dreidimensionalen Volumen erhält.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das MCM-System weiterhin ein Displaymittel (500, 210) umfaßt, um OCT-Bilder der OCT-Scandaten in Ebenen mit unterschiedlichen Orientierungen durch das dreidimensionale Volumen anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Displaymittel (500, 210) weiterhin ein Mittel umfaßt, um Diagnosedatenbilder in Ebenen mit den verschiedenen Orientierungen durch das dreidimensionale Volumen anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Displaymittel (500, 210) weiterhin ein Mittel umfaßt, um die OCT-Bilder und die Diagnosedatenbilder gleichzeitig anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Mittel (500, 210) zum Anzeigen der OCT-Bilder und der Diagnosedatenbilder Einblendungen der Bilder liefert.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das MCM-System (500, 600, 610) weiterhin ein Mittel umfaßt, um Merkmale in den Diagnosebilddaten und in den OCT-Scandaten in entsprechenden Ebenen zu identifizieren.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Identifizierungsmittel weiterhin ein Mittel umfaßt, um Merkmale in den Diagnosebilddaten Merkmalen in den OCT-Scandaten zuzuordnen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das MCM-System ein Mittel (500) umfaßt, um zugeordnete Merkmale in den Diagnosebilddaten und den OCT-Scandaten zu korrelieren und um die Diagnosebilddaten als Reaktion auf eine Ausgabe von dem Korrelationsmittel zu transformieren.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Displaymittel (500, 210) weiterhin ein Mittel umfaßt, um die transformierten Diagnosebilddaten in Ebenen mit unterschiedlichen Orientierungen durch das dreidimensionale Volumen anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Displaymittel (500, 210) weiterhin ein Mittel umfaßt, um OCT-Bilder der OCT-Scandaten in den Ebenen anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Ausgabe der OCT-Vorrichtung (400) Strahlung umfaßt, die im wesentlichen eine erste, zweite und dritte Wellenlänge aufweist.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die OCT-Scandaten erste OCT-Scandaten umfassen, die durch die Strahlung mit im wesentlichen der ersten Wellenlänge erzeugt werden, zweite OCT-Scandaten, die von der Strahlung mit im wesentlichen der zweiten Wellenlänge erzeugt werden, und dritte OCT-Scandaten, die von der Strahlung mit im wesentlichen der dritten Wellenlänge erzeugt werden.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das MCM-System (500, 600, 610) weiterhin folgendes umfaßt: ein Vergleichsanalysemittel zum Analysieren der ersten, zweiten und dritten OCT-Scandaten, um eine Gewebeart von einer anderen Gewebeart zu unterscheiden.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Vergleichsanalysemittel ein Mittel umfaßt, um Sauerstoffsättigungsdaten für ein dreidimensionales Volumen zu messen, aus dem die OCT-Scandaten durch die Strahlung mit der ersten, zweiten und dritten Wellenlänge erzeugt werden.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Vergleichsanalysemittel ein Mittel umfaßt, um eine Eigenschaft eines Gewebes zu messen, das in einem dreidimensionalen Volumen enthalten ist, von dem die OCT-Scandaten durch die Strahlung mit der ersten, zweiten und dritten Wellenlänge erzeugt werden.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das MCM-System (500, 600, 610) weiterhin ein Mittel umfaßt, um eine erste Gewebeart von mindestens einer weiteren Gewebeart zu unterscheiden, indem OCT-Scandaten mit vorbestimmten Werten der Eigenschaft gruppiert werden.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Displaymittel (500, 210) ein Mittel umfaßt, um OCT-Bilder der OCT-Scandaten anzuzeigen, die die Eigenschaft in Ebenen mit verschiedenen Orientierungen durch das dreidimensionale Volumen zeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Displaymittel (500, 210) ein Mittel umfaßt, um als Reaktion auf eine Eingabe von einem Bediener unter Verwendung eines Bedienereingabemittels eine Gewebeart von einer anderen Gewebeart zu unterscheiden.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das MCM-System (500, 600, 610) weiterhin ein Mittel umfaßt, um Bilder der einen Gewebeart in den OCT-Scandaten mit Diagnosebilddaten zu korrelieren und um als Reaktion auf eine Ausgabe des Korrelationsmittels die OCT-Scandaten zu transformieren.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Displaymittel (500, 210) ein Mittel umfaßt, um Diagnosebilddaten in Ebenen mit verschiedenen Orientierungen durch das dreidimensionale Volumen und die transformierten OCT-Scandaten anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Displaymittel (500, 210) ein Mittel umfaßt, um die transformierten OCT-Scandaten, die die erste Gewebeart zeigen, als eine Einblendung anzuzeigen.
Operationsvorrichtung nach Anspruch 22, wobei es sich bei der Einblendung um ein Falschfarbenmuster handelt.