DE102005032577A1 - End robot position determination method for use during e.g. biopsy process, involves presetting reference value for robot`s movement, recording images of target area before and after movement, and finding actual value from images - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Endroboters.The The invention relates to a method for determining the position of an end robot.
Bei der Verwendung eines Endroboters zu interventionellen Eingriffen, z.B. bei der Endnahme eines Biopsie und der Platzierung eines therapeutischen Mittels (Medikament, Stent usw.) muss die räumliche Regelung und Ortung des Endroboters hochpräzise innerhalb des Hohlorgans erfolgen. Es kann der Fall eintreten, dass man sich auf die Regelung durch das kalibrierte Magnetsystem alleine nicht mehr verlassen möchte, sondern Ist- und Sollwert der Regelung durch Zusatzinformationen kontrollieren oder mittels iterativer Regelschleifen verbessern will.at the use of an end robot for interventional procedures, e.g. when taking a biopsy and placing a therapeutic By means (drug, stent, etc.) must be the spatial control and location of the end robot with high precision take place within the hollow organ. It may be the case that relying on regulation by the calibrated magnet system alone do not want to leave anymore, but Actual and setpoint of the control by additional information control or improve by means of iterative control loops want.
Aus
der
Weiterhin
ist in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Endroboters zu schaffen, das eine höhere Genauigkeit aufweist.task The present invention is a method for position determination to provide an end robot, which has a higher accuracy.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The The object is achieved by a Method according to claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are each the subject of further claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung eines Endroboters, der in einem Magnetfeld navigierbar ist, das von einem externen, durch ein Magnetfeld-Regelsystem regelbaren Magnetsystem erzeugt wird, umfasst folgende Verfahrensschritte:
- 1. Vorgabe eines Sollwertes für eine Bewegung des Endroboters an das Magnetfeld-Regelsystem,
- 2. Aufnahme eines ersten Bildes von einem Zielgebiet vor der Bewegung des Endroboters,
- 3. Einstellung des Magnetfeldes durch das Magnetfeld-Regelsystem, wodurch die Bewegung des Endroboters entsprechend dem Sollwert ausgeführt wird,
- 4. Aufnahme eines zweiten Bildes von dem Zielgebiet nach der Bewegung des Endroboters,
- 5. Bestimmung eines Istwertes für die Bewegung des Endroboters aus dem ersten und dem zweiten Bild,
- 6. Ermittlung der Abweichung des Istwertes von einem durch das Magnetfeld-Regelsystem vorgebbaren Sollwert,
- 7. Rückmeldung der Abweichung an das Magnetfeld-Regelsystem,
- 8. Berechnung eines optimierten Magnetfeldes aus der Abweichung.
- 1. Specification of a desired value for a movement of the end robot to the magnetic field control system,
- 2. taking a first image of a target area before moving the end robot,
- 3. adjustment of the magnetic field by the magnetic field control system, whereby the movement of the end robot is carried out according to the target value,
- 4. taking a second image of the target area after the movement of the end robot,
- 5. determination of an actual value for the movement of the end robot from the first and the second image,
- 6. determination of the deviation of the actual value from a setpoint that can be predetermined by the magnetic field control system,
- 7. feedback of the deviation to the magnetic field control system,
- 8. Calculation of an optimized magnetic field from the deviation.
Unter dem Begriff „Endroboter" ist bei der vorliegenden Erfindung eine magnetische Endoskopiekapsel zu verstehen, die auch als magnetisches Kapselendoskop bezeichnet wird. Weiterhin ist der Begriff „Endroboter" auch als Synonym für andere miniaturisierte medizinische Geräte zu verstehen.Under The term "end robot" is in the present Invention to understand a magnetic endoscopy capsule, too is referred to as a magnetic capsule endoscope. Furthermore, the term "end robot" is also synonymous for others miniaturized medical devices to understand.
Der verwendete Begriff „Bewegung" umfasst Rotationsbewegungen, Translationsbewegungen sowie Kombinationen von Rotationsbewegungen und Translationsbewegungen.Of the used term "movement" includes rotational movements, Translational movements as well as combinations of rotational movements and translational movements.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 umfasst im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte:
- – Positionierung des Endroboters derart, dass ein Zielgebiet im Kamerabild sichtbar ist,
- – Auswertung des Kamerabildes vom Zielgebiet,
- – Rückmeldung der Bildinformation über die Lage des Zielgebietes an das Magnetfeld-Bildschicht-Regelsystem, und
- – Verwendung dieser Bildinformation zur Optimierung der Magnetfeld-Regelung
- Positioning the end robot in such a way that a target area is visible in the camera image,
- - evaluation of the camera image of the target area,
- - Feedback image information about the location of the target area to the magnetic field image layer control system, and
- - Use of this image information to optimize the magnetic field control
Durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Position eines Endroboters aus optisch ermittelten Positionsinformationen darstellt, kann die Positionsgenauigkeit eines Endroboters ermittelt werden, wenn dieses Verfahren zusätzlich benutzt wird zu einem Verfahren für die Bestimmung der absoluten Position des Endroboters.By the method according to claim 1, which is a method for determining the relative position of a Endroboters from optically determined position information represents the position accuracy of an end robot can be determined if this procedure in addition is used to a method for the determination of the absolute Position of the end robot.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bildinformation eines im Endroboter integrierten Bilderzeugungssystems (z.B. CCD- oder CMOS-Kamera) verwendet, um mittels einer Bildauswertung die Soll- und Istwerte einer durch das externe Magnetsystem erzeugten räumlichen Bewegung des Endroboters mit hiervon unabhängigen weiteren Messwerten, nämlich den Bildern der Kamera bzw. hiervon durch das Bilderzeugungssystem abgeleiteten Größen zu kontrollieren und ggf. als Feedback-Größe zur Kalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems zu verwenden.at the method according to the invention becomes the image information of an image generation system integrated in the end robot (e.g., CCD or CMOS camera) is used to evaluate the image by means of image analysis Setpoints and actual values of a generated by the external magnet system spatial Movement of the end robot with independent further measured values, namely the images of the camera or thereof by the imaging system to control derived quantities and possibly as a feedback variable for calibration to use the magnetic field control system.
Falls ein Erfassungssystem für die absolute Position (Koordinaten und Winkel) des Endroboters vorgesehen ist, kann zwar theoretisch der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reali sierbare Vergleich eines Sollwertes für die Bewegung des Endroboters auch mit dem Erfassungssystem für die absolute Position des Endroboters realisiert werden.If a detection system for the absolute Position (coordinates and angle) of the end robot is provided, although theoretically be realized with the inventive method sizable comparison of a target value for the movement of the end robot with the detection system for the absolute position of the end robot.
Die Realisierung des Vergleichs von Sollwert und Istwert für die Bewegung des Endroboters hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die Position (Ortskoordinaten und Orientierung) des Endroboters vom Magnetfeld-Regelsystem bereits zur Einstellung des richtigen Sollwertes des Magnetfeldes verwendet werden musste, und somit keine unabhängige Messgröße mehr darstellt.The Realization of the comparison of setpoint and actual value for the movement However, the end robot has the decisive disadvantage that the Position (location coordinates and orientation) of the end robot from Magnetic field control system already for setting the correct setpoint of the magnetic field had to be used, and thus no longer an independent measure represents.
Demgegenüber greift das erfindungsgemäße Verfahren auf Bildinformationen und damit auf Messgrößen zurück, die unabhängig von den Werten des Erfassungssystems für die absolute Position des Endroboters sind.In contrast, attacks the inventive method to image information and thus to metrics that are independent of the values of the detection system for the absolute position of the end robot are.
Weiterhin ist das von einer Kamera aufgenommene Bild des Zielortes eines interventionellen Eingriffs im besonderen Maße als Kontrollgröße geeignet, da letztendlich nicht die absolute Position des Endroboters, sondern die relative Position des Endrooboters zum Zielgebiet entscheidend für die Genauigkeit des Eingriffs ist.Farther is the image taken by a camera of the target site of an interventional procedure in particular suitable as a control variable, because ultimately not the absolute position of the end robot, but the relative position of the endro robot to the target area is crucial for the Accuracy of engagement is.
Mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 wird eine genauere Positionierung des Endroboters erreicht, was insbesondere bei interventionellen Eingriffen das Ergebnis des Eingriffs verbessert. Eine Kontrolle der Kalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems mittels einer Auswertung des von der Endroboter-Kamera aufgenommenen Bildes ist auch deswegen besonders vorteilhaft, weil damit Informationen über das eigentliche Zielgebiet eines Eingriffs unmittelbar in die Kalibrierung eingehen.through of the method according to claim 1, a more accurate positioning reached the end robot, which is especially in interventional Interventions improved the result of the procedure. A checkpoint the calibration of the magnetic field control system by means of an evaluation of the image taken by the end robot camera is also because of this information about the actual target area of an intervention directly in the calibration received.
Mit
der Erfindung sind beispielsweise die nachfolgend beschriebenen
Szenarien möglich:
Soll
der Endroboter in dem vom externen Magnetsystem erzeugten Magnetfeld
ortsstabil zum Zielgebiet gehalten werden, sind hierzu die Informationen
der Kamerabilder kontinuierlich auszuwerten, um ggf. eine Veränderung
der Lage des Zielgebietes im Bild und damit eine Veränderung
des Zielgebietes relativ zum Endroboter festzustellen. Diese relative
Positionsänderung
des Endroboters zum Zielgebiet wird an das Magnetfeld-Regelsystem übermittelt.
Das Magnetfeld-Regelsystem verändert
daraufhin das Magnetfeld derart, dass die Positionsänderung
korrigiert wird.With the invention, for example, the scenarios described below are possible:
If the end robot in the magnetic field generated by the external magnetic system is to be held stationarily stable to the target area, the information of the camera images are continuously evaluate this to possibly determine a change in the location of the target area in the image and thus a change of the target area relative to the end robot. This relative change in position of the end robot to the target area is transmitted to the magnetic field control system. The magnetic field control system then changes the magnetic field so that the position change is corrected.
Ist eine Bewegung des Endroboters im Zielgebiet gewünscht, z.B. 3 mm zurück und wieder vorwärts oder Drehung um 30° gegen eine Achse des Endroboters, dann sind hierzu wiederum die Informationen der Kamerabilder kontinuierlich auszuwerten. Aus den ausgewerteten Informationen wird ein Istwert für die Bewegung des Endroboters berechnet und mit dem Sollwert der Bewegung des Endroboters verglichen. Damit kann beispielsweise unmittelbar vor Beginn eines interventionellen Eingriffs im Zielgebiet eine „Feinkalibrierung" des Magnetfeld-Regelsystems bzw. der Regelschleife aus Magnetfeld-Regelsystem und Positionssensor des Endroboters erfolgen, so dass die Intervention besonders genau durchgeführt werden kann. Während der Durchführung des Verfahrens zur Positionsbestimmung werden ggf. die mit dem Positionssensor gemessenen Ortskoordinaten des Endroboters kontrolliert, so dass z.B. eine durch eine Bewegung des Hohlorgans verursachte Positionsveränderung des Endroboters die vorgenommene Feinkalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems nicht verfälscht bzw. nach einer Verschiebung der Position des Endroboters während der Intervention durch eine Bewegung des Hohlorgans eine neue Feinkalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems vorgenommen werden kann.is desired movement of the end robot in the target area, e.g. 3 mm back and again forward or turn by 30 ° an axis of the end robot, then this is again the information continuously evaluate the camera images. From the evaluated Information becomes an actual value for the movement of the end robot is calculated and with the setpoint of the Movement of the end robot compared. This can, for example, immediately before Beginning of an interventional intervention in the target area a "fine calibration" of the magnetic field control system or the control loop of magnetic field control system and position sensor of the end robot, so that the intervention performed very precisely can be. While the implementation of the method for determining the position, if necessary, with the position sensor measured spatial coordinates of the end robot controlled so that e.g. a change in position caused by a movement of the hollow organ the final robot made the fine calibration of the magnetic field control system not distorted or after a shift in the position of the end robot during the Intervention by a movement of the hollow organ a new fine calibration the magnetic field control system can be made.
Gemäß einem weiteren Szenario soll der Endroboter gegenüber einem beweglichen Organ in konstanter relativer Position gehalten werden. Zu den beweglichen Organen zählen z.B. die Darmwand, die sich durch Peristaltik bewegt, Hohlorgane im Oberbauch, die einer Atemverschiebung unterliegen, oder Organe, auf die sich Gefäßpulsationen übertragen. Eine konstante relative Position des Endroboters ist beispielsweise erforderlich, wenn eine Punktion oder eine Biopsie durchgeführt werden soll, wozu sich der Endroboter synchron zum Zielgebiet bewegen muss. In diesem Fall reichen die Ortssensoren des externen Magnetsystems nicht aus. Werden jedoch die Informationen aus den von der Endroboter-Kamera aufgenommenen Bildern genutzt, kann der Endroboter entsprechende Kompensationsbewegungen durchführen. Im Idealfall erfolgt die Bewegungskompensation derart, dass bei der Bedienperson der Eindruck eines unbewegten Zielgebietes entsteht. Bei der relativen Bewegung des Endroboters zum Zielgebiet kann der Fall auftreten, dass der Endroboter nur die stabile Position einnimmt und sich nur das Zielgebiet bewegt. In diesem Fall ergibt die Auswertung der Informationen aus dem Kamerabild eine Positionsveränderung (Änderung der Ortskoordinaten und/oder der Raumwinkel). Führen der Endroboter und das Zielgebiet eine gleichsinnige Bewegung aus, dann nimmt der Endroboter zum Zielgebiet eine stabile relative Position ein.According to one Another scenario is the end robot to a moving organ held in a constant relative position. To the moving ones Count organs e.g. the intestinal wall, which moves by peristalsis, hollow organs in the upper abdomen, which are subject to a shift of breath, or organs to which Transfer vascular pulsations. A constant relative position of the end robot is, for example required if a puncture or biopsy is performed should, what the end robot must move synchronously to the target area. In this case, the location sensors of the external magnet system are sufficient not from. However, the information from the end of the robot camera used images taken, the end robot corresponding Perform compensatory movements. Ideally, the motion compensation is done so that at the operator of the impression of a stationary target area arises. In the relative movement of the end robot to the target area of the Case occur that the end robot occupies only the stable position and only the target area moves. In this case, the evaluation results the information from the camera image a position change (Modification the location coordinates and / or the solid angle). Guide the end robot and the Target area a same direction movement, then takes the end robot to the target area a stable relative position.
Die (relative) Änderung der Position des Endroboters zu einem Zielgebiet kann in vorteilhafter Weise durch eine Veränderung der Brennweite des Linsensystems der Endroboter-Kamera bestimmt werden. Hierzu wird in einem Abstand x1 von einem Zielgebiet (Darmwand) ein Bild aufgenommen. Die Brennweite der Endroboter-Kamera wird definiert von f1 nach f2 verstellt und der Endroboter wird senkrecht auf das Zielgebiet um eine Strecke s zubewegt (Translationsbewegung). Der Endroboter weist nunmehr zu dem Zielgebiet einen neuen Abstand x2 auf. Im Abstand x2 wird ein zweites Bild aufgenommen. Die Strecke s ist so bemessen, dass das Gesichtsfeld der Endroboter-Kamera im Abstand x1 mit der Brennweite f1 und im Abstand x2 mit der Brennweite f2 theoretisch exakt gleich ist. Die beiden Bilder werden anschließend ausgewertet. Sind die beiden Bilder nicht exakt gleich, kann beispielsweise durch einen Vergleich der Flächen zweier korrespondierender Konturen (anatomische Landmarken) festgestellt werden, wie groß die Ab weichung von der Sollstrecke s ist und die berechnete Abweichung zur Kalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems verwendet werden (Translationsbewegung).The (relative) change of the position of the end robot to a target area can advantageously be determined by a change in the focal length of the lens system of the end robot camera. For this purpose, at a distance x 1 from a Target area (intestinal wall) taken a picture. The focal length of the end robot camera is adjusted in a defined manner from f 1 to f 2 and the end robot is moved perpendicular to the target area by a distance s (translation movement). The end robot now has a new distance x 2 to the target area. At the distance x 2 , a second image is taken. The distance s is dimensioned such that the field of view of the end robot camera is theoretically exactly the same at the distance x 1 with the focal length f 1 and at the distance x 2 with the focal length f 2 . The two images are then evaluated. If the two images are not exactly the same, for example, by comparing the surfaces of two corresponding contours (anatomical landmarks), it can be determined how large the deviation from the nominal distance s is and the calculated deviation is used for calibrating the magnetic field control system (translational movement). ,
In ähnlicher Weise kann ein Sollwert einer Verkippung bzw. Verdrehung (Rotationsbewegung) des Endroboters mit einem Istwert der Rotationsbewegung verglichen werden und eine ermittelte Abweichung zur Kalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems herangezogen werden. Hierzu wird in einer Stellung A des Endoroboters ein Bild eines Zielgebietes aufgenommen. Der Endroboter wird anschließend um einen Sollwert in eine Stellung B verkippt. In der Stellung B des Endoroboters wird ein zweites Bild von der Endroboter-Kamera aufgenommen und z.B. mittels entsprechender Konturen (anatomische Landmarken) im Bild und den bekannten Abbildungsmaßstäben der Endroboter-Kamera ein Istwert für die Verkippung des Endroboters berechnet. Die Differenz aus dem Sollwert für die Rotationsbewegung und dem Istwert für die Rotationsbewegung wird zur Kalibrierung des Magnetfeld-Regelsystems herangezogen.In similar Way, a setpoint of tilting or rotation (rotational movement) of the Endroboters be compared with an actual value of the rotational movement and a determined deviation for the calibration of the magnetic field control system be used. This is done in a position A of Endoroboters taken a picture of a target area. The end robot is then transferred tilted a setpoint to a position B. In position B of the Endoroboters a second image is taken from the end robot camera and e.g. by means of corresponding contours (anatomical landmarks) in the picture and the known image scales of the end robot camera Actual value for the Tilting of the end robot calculated. The difference from the setpoint for the Rotational movement and the actual value for the rotational movement is used for calibration of the magnetic field control system.
Zur Unterstützung der Bildauswertung kann in vorteilhafter Weise sowohl in das erste Bild des Zielgebietes als auch in das zweite Bild des Zielgebietes eine Längenskala eingeblendet werden.to support The image analysis can be beneficial both in the first Image of the target area as well as the second image of the target area a length scale to be displayed.
Bei einer Ausstattung des Endroboters mit zwei Kameras, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind, vorzugsweise in einem Winkel von 180°, können Drehungen des Endroboters leichter und genauer erfasst und quantifiziert werden.at one equipment of the end robot with two cameras in one Are arranged angle to each other, preferably at an angle from 180 °, can rotations of the end robot can be more easily and accurately detected and quantified.
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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