DE102004003329B3 - Method of geometrically measuring a surface covered with a transparent material film especially a fluid film such as for use in surgery where at least two measurements are made for each measurement point - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur geometrischen Vermessung einer mit einem transparenten Materialfilm, insbesondere einem Flüssigkeitsfilm, bedeckten Oberfläche, bei dem zwei getrennte Lichtbündel von zwei Ausgangspunkten, die in einem Bezugssystem einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, auf die Oberfläche gerichtet werden, die beiden Lichtbündel für eine erste Messung auf der Oberfläche in einem Messpunkt zur Überdeckung gebracht werden und bei Überdeckung im Messpunkt die Lage der beiden Lichtbündel im Bezugssystem erfasst wird, um über Triangulation die Entfernung des Messpunktes zu einem Bezugspunkt des Bezugssystems zu ermitteln.The The present invention relates to a geometric measurement method one with a transparent material film, in particular a liquid film, covered surface, at the two separate light bundles of two starting points, which in a reference system a predetermined Distance apart, be directed to the surface, the two light beam for one first measurement on the surface in a measuring point to cover be brought and covered recorded in the measuring point, the position of the two light bundles in the reference system is going to over Triangulation the distance of the measuring point to a reference point of the reference system.
Die geometrische Vermessung von Oberflächen mit optischen Messverfahren findet in vielen technischen Bereichen Anwendung. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellt das Gebiet der Chirurgie dar, auf dem in zunehmendem Umfang Navigationssysteme eingesetzt werden. Dies betrifft insbesondere die minimalinvasive Chirurgie aber auch konventionelle Eingriffe, bspw. bei roboterassistierten Anwendungen. Navigationssysteme ermöglichen eine Orientierung des Chirurgen bei der Führung von Instrumenten innerhalb des menschlichen Körpers, ohne dass der Chirurg eine unmittelbare Wahrnehmung von der Eingriffsstelle haben muss. Viele derartiger Navigationssysteme verwenden präoperativ erstellte, dreidimensionale Bilddaten von Computertomographen oder Magnetresonanztomographen. Weiterhin sind auch intraoperative Messverfahren bekannt, bei denen die Umgebungsinformation während des Eingriffs direkt an der Eingriffsstelle erfasst und zur Navigation dargestellt wird. Beispiele hierfür sind Messverfahren mit optischen 3D-Scannern an der Endoskopspitze, die kontinuierlich ein aktuelles, dreidimensional rekonstruiertes Bild des umgebenden Gewebes von der Endoskopspitze liefern.The geometric measurement of surfaces with optical measuring methods is used in many technical areas. A special Application area represents the field of surgery on which in Increasingly, navigation systems are being used. this concerns especially the minimally invasive surgery but also conventional Interventions, for example in robot-assisted applications. navigation systems enable an orientation of the surgeon in the guidance of instruments within of the human body, without the surgeon having an immediate perception of the intervention site must have. Many such navigation systems use preoperatively created, three-dimensional image data from computed tomography or Magnetic resonance imaging. Furthermore, intraoperative measuring methods are also available known in which the environmental information during the procedure directly detected at the point of intervention and displayed for navigation. Examples of this are measurement methods with optical 3D scanners at the endoscope tip, which is continuously a current, three-dimensional reconstructed Provide image of the surrounding tissue from the endoscope tip.
Neben diesem speziellen medizinischen Anwendungsgebiet lassen sich optische Verfahren zur geometrischen Vermessung einer Oberfläche auch in anderen technischen Bereichen einsetzen, wie bspw. zur Positionierung von Elementen, zur Qualitätssicherung in der Produktion oder im Bereich der technischen Endoskopie.Next This special medical application can be optically Method for geometric measurement of a surface as well in other technical areas, such as for positioning of elements, for quality assurance in production or in the field of technical endoscopy.
Aus
der
Gerade beim Einsatz einer derartigen Vorrichtung im Bereich der Chirurgie besteht jedoch das Problem, dass die zu vermessenden Oberflächen während der Operation häufig durch natürliche Körperflüssigkeiten oder Spülflüssigkeiten bedeckt sind. Diese dünnen Flüssigkeitsfilme auf der Oberfläche können die Messung durch Brechungseffekte verfälschen. Das Gleiche gilt für andere Anwendungsgebiete, bspw. bei der technischen Endoskopie oder industriellen Anwendungen mit gefluteten Oberflächen, bei denen die zu vermessenden Oberflächen mit einem dünnen transparenten Materialfilm bedeckt sind.Just when using such a device in the field of surgery However, there is the problem that the surfaces to be measured during the Operation often by natural body fluids or rinsing fluids are covered. This thin one liquid films on the surface can falsify the measurement by refraction effects. The same is true for others Areas of application, for example in technical endoscopy or industrial Applications with flooded surfaces where the ones to be measured surfaces with a thin one transparent material film are covered.
Die
Auch
die
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein optisches Messverfahren anzugeben, das die geometrische Vermessung einer mit einem transparenten Materialfilm bedeckten Oberfläche mit hoher Genauigkeit ermöglicht.outgoing from this prior art, the object of the present The invention is to provide an optical measuring method that the geometric measurement of a transparent material film covered surface with high accuracy.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is solved by the method according to claim 1. advantageous Embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be understood from the following description and the embodiments remove.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur geometrischen Vermessung einer mit einem transparenten Materialfilm, insbesondere einem Flüssigkeitsfilm, bedeckten Oberfläche werden zwei getrennte Lichtbündel von zwei Ausgangspunkten, die in einem Bezugssystem einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, auf die Oberfläche gerichtet. Die beiden Lichtbündel werden für eine erste Messung auf der Oberfläche in einem Messpunkt zur Überdeckung gebracht und die Lage der beiden Lichtbündel im Bezugssystem bei Überdeckung im Messpunkt erfasst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass für den Messpunkt zumindest eine zweite Messung bei einer definiert anderen Lage der beiden Ausgangspunkte relativ zur Oberfläche durchgeführt wird und aus den erfassten Lagen der Lichtbündel, der definierten Lageänderung der beiden Ausgangspunkte und dem Abstand der beiden Ausgangspunkte die Entfernung des Messpunktes zu einem Bezugspunkt des Bezugssystems unter Berücksichtigung der Lichtbrechung im Materialfilm ermittelt wird. Der vorgegebene Abstand der beiden Ausgangspunkte bleibt selbstverständlich bei der Lageänderung erhalten.at the present method for geometrical measurement of a a transparent material film, in particular a liquid film, covered surface become two separate light bundles of two starting points, which in a reference system a predetermined Distance apart, directed to the surface. The two light bundles will be for one first measurement on the surface in a measuring point to cover brought and the location of the two light bundles in the reference system at coverage recorded at the measuring point. The method is characterized in that for the Measuring point at least one second measurement at a defined other Location of the two starting points is performed relative to the surface and from the detected positions of the light bundles, the defined change in position the two starting points and the distance of the two starting points the distance of the measuring point to a reference point of the reference system considering the refraction of light in the material film is determined. The default Of course, the distance between the two starting points remains the change of position receive.
Für die Vermessung der gesamten Oberfläche werden Messungen an mehreren über die Oberfläche verteilten Messpunkten vorgenommen, wobei je Messpunkt zwei Messungen mit unterschiedlicher Lage der Ausgangspunkte durchgeführt werden. Die Messpunkte müssen dabei nicht explizit vorgegeben sein, bspw. als Markierungen. Die jeweilige Lageänderung der beiden Ausgangspunkte zwischen den beiden Messungen wird definiert vorgenommen, so dass sie für die Auswertung bekannt ist. Eine derartige Lageänderung erfolgt vorzugsweise durch eine Veränderung des Abstandes der Ausgangspunkte zur Oberfläche um eine definierte Distanz. Durch die doppelte Vermessung jedes Messpunktes mit dieser unterschiedlichen Lage der Ausgangspunkte lässt sich der Einfluss der Brechung der Lichtbündel an der Grenzschicht zum transparenten Materialfilm ermitteln und somit der exakte Abstand des Bezugspunktes zur Oberfläche bestimmen. In gleicher Weise kann aus dieser Messung auch die Dicke des transparenten Materialfilms bestimmt werden.For the survey the entire surface Measurements are made at several over distributed the surface Measured points, wherein each measurement point two measurements with different Location of the starting points carried out become. The measuring points must not explicitly specified, for example, as markings. The respective change in position the two starting points between the two measurements is defined made, so they for the evaluation is known. Such a change in position is preferably carried out through a change the distance of the starting points to the surface by a defined distance. By double measuring each measuring point with this different Location of the starting points leaves the influence of the refraction of the light bundles at the boundary layer to determine transparent material film and thus the exact distance the reference point to the surface determine. In the same way, from this measurement, the thickness of the transparent material film.
Somit ermöglicht das vorliegende Verfahren die geometrische Vermessung einer mit einem transparenten Materialfilm bedeckten Oberfläche mit hoher Genauigkeit. Messfehler, die bei dem in der Beschreibungseinleitung genannten Verfahren aufgrund von Brechungseffekten bei gefluteten Oberflächen speziell im direkten Abstand zwischen Vorrichtung und Oberfläche sowie zusätzlich bei schräger Einstrahlung zur Oberfläche durch einen seitlichen Versatz erzeugt werden, können beim vorliegenden Verfahren kompensiert werden. Das Verfahren erweitert somit das Einsatzspektrum derartiger optischer Messsysteme auf Anwendungen mit speziellen Umgebungsbedingungen.Consequently allows the present method, the geometric measurement of a a transparent material film covered surface with high accuracy. Measurement errors, which in the description introduction mentioned methods due to refraction effects in flooded surfaces especially in the direct distance between the device and the surface as well additionally at an angle Radiation to the surface can be generated by a lateral offset, in the present method be compensated. The process thus expands the range of applications such optical measuring systems on applications with special Environmental conditions.
Bei der Konzeption des vorliegenden Verfahrens wurde erkannt, dass die durch einen transparenten Materialfilm auf der Oberfläche verursachte Lichtbrechung durch doppelte Vermessung jedes Messpunktes mit unterschiedlicher Lage der Ausgangspunkte bei der Rekonstruktion der Oberfläche berücksichtigt werden kann. Die Anzahl der aufzulösenden Unbekannten ist bei der doppelten Vermessung jedes Messpunktes geringer als die Anzahl der sich aus der geometrischen Situation ergebenden Gleichungen. Der Brechungskoeffizient des Materialfilms wird dabei als bekannt vorausgesetzt. Dies ist bei den eingangs genannten Anwendungen in der Regel der Fall.at The concept of the present proceedings was recognized to be that caused by a transparent film of material on the surface Refraction by double measurement of each measuring point with different Location of the starting points considered during the reconstruction of the surface can be. The number of unknowns to be resolved is included twice the measurement of each measurement point less than the number the equations resulting from the geometric situation. The refractive index of the material film is known as provided. This is in the applications mentioned in usually the case.
Bei der Bestimmung des Abstandes des Messpunktes vom Bezugspunkt aus den beiden Messungen stellt der Normalenvektor zur Oberfläche des transparenten Materialfilms eine wichtige Größe dar. Vorzugsweise wird dieser. Normalenvektor aus den jeweiligen Gleichungen für die beiden Messungen numerisch bestimmt.When determining the distance of the measuring point from the reference point from the two measurements represents the normal vector to the surface of the transparent material film is an important size. Preferably, this is. Normal vector determined numerically from the respective equations for the two measurements.
In Fällen, in denen die numerische Bestimmung aufgrund von Messungenauigkeiten zu Problemen führt, wird vorzugsweise ein grober Startwert für diesen Normalenvektor vorgegeben, von dem aus die numerische Ermittlung durchgeführt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird dieser Startwert aus einer herkömmlichen Vermessung der Oberfläche gewonnen. Hierbei werden zunächst alle Messpunkte mit einer oder beiden Messungen erfasst, im Folgenden auch als Scan bezeichnet, und ohne Berücksichtigung der transparenten Materialschicht über einfache Triangulation aus einer der Messungen ein Oberflächenverlauf ermittelt. Aus diesem Oberflächenverlauf wird für jeden Messpunkt ein vorläufiger Normalenvektor bestimmt. Anschließend wird für jeden Messpunkt auf Basis beider Messungen gemäß dem vorliegenden Verfahren die exakte Entfernungs bestimmung durchgeführt, wobei bei der Bestimmung des Normalenvektors der vorher ermittelte vorläufige Normalenvektor als grober Startvektor vorgegeben wird.In cases in which the numerical determination due to measurement inaccuracies leads to problems a rough starting value is preferably given for this normal vector, from which the numerical determination is performed. In an advantageous Embodiment of the method, this starting value from a conventional Surveying the surface won. Here are first all measuring points recorded with one or both measurements, below also called scan, and without taking into account the transparent Material layer over simple triangulation from one of the measurements a surface course determined. For this surface course is for every measuring point a preliminary one Normal vector determined. Subsequently, based on each measurement point both measurements according to the present Method performed the exact range determination, wherein in the determination of the normal vector, the previously determined preliminary normal vector is specified as a rough start vector.
Bei Einsatz einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der die flächenhafte Abtastung der Oberfläche über einen rotatorischen Antrieb erfolgt, kann die definierte Lageänderung bei der Vermessung jedes Messpunktes auch dadurch hervorgerufen werden, dass die Verbindungsachse zwischen den Ausgangspunkten exzentrisch zur Rotationsachse angeordnet wird. Eine Lageänderung wird dann durch eine leichte Drehung der Rotationsachse erreicht.at Use of a device for carrying out the method, in which the areal Scanning the surface over one rotatory drive is performed, the defined change in position also caused by the measurement of each measuring point be that the connecting axis between the starting points eccentric is arranged to the axis of rotation. A change of position is then by a slight rotation of the axis of rotation achieved.
Vorzugsweise
wird beim vorliegenden Verfahren eine Vorrichtung eingesetzt, wie
sie aus der bereits dargelegten
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The The present method will now be described with reference to an exemplary embodiment explained in more detail in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Ist
jedoch die Oberfläche
Die
Verhältnisse
in einem derartigen Fall sind anhand der
Der
Richtungsvektor r2 →S1,2 ist jeweils von den
folgenden Parametern abhängig
Aus den letzten beiden Gleichungen lassen sich unter der Annahme der ebenen Oberfläche λS1 durch λS2 und μS1 durch μS1 ausdrücken (oder umgekehrt). Damit stehen bei bekanntem Normalenvektor mit der obigen Ebenengleichung 3 Gleichungen mit 2 Unbekannten zur Verfügung.From the last two equations, assuming the flat surface, λ S1 can be expressed by λ S2 and μ S1 by μ S1 (or vice versa). Thus, with a known normal vector with the above plane equation, 3 equations with 2 unknowns are available.
Dieses
Verhältnis
reicht jedoch bei unbekanntem Normalenvektor (3 zusätzliche
Unbekannte) nicht aus. Zur Lösung
dieses Problems wird daher beim vorliegenden Verfahren ein weiterer
Scan durchgeführt,
bei dem die Scannerspiegel entweder um einen definierten Offset-Betrag entlang der
z-Achse verschoben werden oder bei einer Konstruktion, bei der die
Verbindungsachse der Spiegel, d.h. das Trägerelement
Der Normalenvektor wird hierbei numerisch angenähert. Dazu können alle möglichen Normalenvektoren durchprobiert werden, bis die Gleichungssysteme eine gemeinsame Lösung haben. Die Beschreibung dieser Lösung kann selbstverständlich auf unterschiedlichen Wegen erfolgen, ebenso wie die Art, in der die Gleichungen aufgelöst werden. Bei einer möglichen Vorgehensweise werden die Gleichungssysteme so zu einer einzigen Gleichung umformuliert, dass bei einer richtigen Wahl des Normalenvektors das Ergebnis dieser Gleichung 0 wird.Of the Normal vector is approximated numerically. All can do this potential Normal vectors are tried until the equation systems a common solution to have. The description of this solution of course done in different ways, as well as the way in which the equations are resolved become. In one possible The equation systems thus become a single equation reformulated that with a proper choice of the normal vector the result of this equation becomes 0.
Durch Messfehler kann in der Praxis das Ergebnis allerdings verzerrt werden, so dass die Gleichung niemals exakt den Wert 0 ergibt. Durch diese Abweichung können auch bei anderen Normalenvektoren die Ergebnisse des Gleichungssystems lokale Minima aufweisen. Eine Unterscheidung der falschen von den richtigen Ergebnissen wird dadurch erschwert. Um diese Problematik zu vermeiden, sollte eine möglichst exakte Auswahl eines Startwertes für den Normalenvektor erfolgen, so dass der Suchvorgang an der richtigen Stelle, d. h. in der Nähe des tatsächlichen Minimums begonnen wird.By Measurement error can be distorted in practice the result, however, so that the equation never exactly gives the value 0. Through this Deviation can also with other normal vectors the results of the equation system have local minima. A distinction of the wrong from the correct results are made more difficult. To this problem should avoid one as possible exact selection of a starting value for the normal vector, so that the search is in the right place, d. H. near the actual Minimums is started.
Dieser Startvektor, d. h. die grobe Richtung des Normalenvektors, wird vorzugsweise aus den Oberflächennormalen der unkompensiert, d. h. als wäre keine Flüssigkeit vorhanden, errechneten und daher verschobenen Oberflächenpunkte angenähert. Mit diesem Startwert und den Gleichungen aus der zusätzlichen Messung lassen sich die tatsächlichen Abstände ohne nähere Kenntnis über die tatsächliche Flüssigkeitsdicke an jedem Messpunkt errechnen. Die Voraussetzung für eine derartige Annäherung des Normalenvektors ist ein Flächenscan, so dass das Messverfahren in diesem Fall eine flächige Mehrpunktmessung voraussetzt.This Start vector, d. H. the rough direction of the normal vector becomes preferably from the surface normals the uncompensated, d. H. as would no liquid present, calculated and therefore shifted surface points approximated. With this starting value and the equations from the additional measurement let the actual distances without further details Knowledge about the actual Liquid thickness calculate each measuring point. The prerequisite for such an approximation of the Normal vector is a surface scan, so that the measuring method in this case requires a surface multipoint measurement.
Aus
den entsprechenden Gleichungen lässt
sich nicht nur der Abstand zum Messpunkt
Im
vorliegenden Beispiel wird die jeweils zweite Messung für jeden
Messpunkt durch Versatz des Trägerelementes
- 11
- erster Spiegelfirst mirror
- 22
- zweiter Spiegelsecond mirror
- 33
- Trägerelementsupport element
- 44
- Lichtbündellight beam
- 55
- zu vermessende Oberflächeto measuring surface
- 66
- Messpunktmeasuring point
- 77
- transparenter Materialfilmtransparent Footage
- 88th
- Bezugssystemreference system
- 99
- Rotationsachse (z-Achse)axis of rotation (Z-axis)
- 1010
- Verschiebung um die z-Achseshift around the z-axis
- 1111
- Stellwinkelsetting angle
Claims (5)
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