DE102005032579A1 - Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden - Google Patents

Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3-D-Rekonstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden, wobei die Rekonstruktion folgende Verfahrensschritte umfasst:
1. Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes in eine erste Position und Ermittlung der zugehörigen 3-D-Koordinaten und des zugehörigen Raumwinkels,
2. Segmentierung einer anatomischen Landmarke,
3. Aufnahme eines ersten Bildes, das die anatomische Landmarke enthält, und Messung der 2-D-Koordinaten der Landmarke im Bild,
4. Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes in eine zweite Position und Ermittlung der zugehörigen 3-D-Koordinaten und des zugehörigen Raumwinkels,
5. Aufnahme eines zweiten Bildes, das dieselbe anatomische Landmarke enthält, und Messung der 2-D-Koordinaten der Landmarke im Bild,
6. Berechnung der 3-D-Koordinaten der Landmarke aus den im ersten Bild und im zweiten Bild gemessenen 2-D-Koordinaten der Landmarke und der Positionsänderung des miniaturisierten medizinischen Gerätes zwischen der ersten Position und der zweiten Position.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden.
  • Um eine hohe diagnostische Sicherheit zu erreichen, muss bei endoskopischen Untersuchungen die Schleimhautoberfläche möglichst komplett und (um unnötigen Zeitaufwand zu vermeiden) mit geringer Redundanz untersucht werden,. Aufgrund der komplexen Struktur der inneren Oberfläche vieler Organe, z.B. des Dickdarms mit seinen typischen Einschnürungen und Auswölbungen, ist dieses Ziel nur schwer zu erreichen. Problematisch sind hierbei unter anderem Überdeckungen von Anteilen der Darmwand sowie Verschmutzungen im Darm, die Teile der Darmwand verdecken. Erschwerend liegen bei einem Endoskop sowie bei einer Endoskopiekapsel Lichtquelle und Optik prinzipbedingt sehr nahe beieinander. Der resultierende schwache Schattenwurf macht eine Erkennung von Überdeckungen damit schwierig.
  • Um eine verbesserte Erfassung der inneren Organwand für eine verbesserte diagnostisch relevante Auswertung zu erhalten, können Verfahren der Stereoendoskopie (zwei optische Systeme) eingesetzt werden. Aufgrund der schwierigen Realisierung werden derartige Verfahren nicht in großem Umfang genutzt. Besonders der geringe mögliche Abstand der Optiken schränkt die Realisierbarkeit ein.
  • In der DE 103 46 678 A1 ist ein Verfahren beschrieben, das eine lückenlose Abbildung der Oberfläche durch eine geeignete Rotation einer Endoskopiekapsel oder eines Endoskopiekopfes eines konventionellen Endoskops zu erzielen. Wie die 3D-Strukur der Oberfläche ermittelt wird, ist der DE 103 46 678 A1 jedoch nicht zu entnehmen.
  • Verfahren zur 3D-Rekonstruktion der Darmwand aus Datensätzen der Computer- oder Magnetresonanztomographie sind bekannt und wären prinzipiell geeignet, ein 3D-Bild zur Verfügung zu stellen, können aber nur schwer für die Endoskopie nutzbar gemacht werden, da sich die räumliche Struktur der Darmwand zwischen den verschiedenen Untersuchungen, z.B. durch Peristaltik, ändert.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu schaffen, das eine verbesserte optische Erfassung der inneren Organ- oder Gefäßwände für eine verbesserte diagnostische Auswertung ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur 3D-Konstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden, umfasst für die Rekonstruktion folgende Verfahrensschritte:
    • 1. Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes in eine erste Position und Ermittlung der zugehörigen 3D-Koordinaten und des zugehörigen Raumwinkels,
    • 2. Segmentierung einer anatomischen Landmarke,
    • 3. Aufnahme eines ersten Bildes, das die anatomische Landmarke enthält, und Messung der 2D-Koordnaten der Landmarke im Bild,
    • 4. Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes in eine zweite Position und Ermittlung der zugehörigen 3D-Koordinaten und des zugehörigen Raumwinkels,
    • 5. Aufnahme eines zweiten Bildes, das dieselbe anatomische Landmarke enthält, und Messung der 2D-Koordnaten der Landmarke im Bild,
    • 6. Berechnung der 3D-Koordnaten der Landmarke aus den im ersten Bild und im zweiten Bild gemessenen 2D-Koordinaten der Landmarke und der Positionsänderung des miniaturisierten medizinischen Gerätes zwischen der ersten Position und der zweiten Position.
  • Mit dem Verfahren nach Anspruch 1 kann auf einfache Weise ein 3D-Modell der inneren Organwand erstellt werden, das den Betrachter bei der Beurteilung unterstützt. Die Schleimhautoberfläche kann mit einfachen geometrischen Transformationen auf dieses 3D-Modell abgebildet werden. Damit kann eine lückenlose Erfassung der inneren Organwand sichergestellt werden, wobei die komplette optische Erfassung automatisch erfolgt.
  • Durch eine weitere geometrische Transformation kann die gesamte innere Organwand in einer 2D-Darstellung lückenlos und redundanzfrei abgebildet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine problemlose 3D-Konstruktion von Bildern aus Körper-Hohlorganen, wie Magen, Darm, Harnleiter, Fruchtblase, Lymphbahnen und Blutgefäßen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für ein klassisches Endoskop als auch für eine Endoskopiekapsel (Kapselendoskop), die z.B. in der DE 101 42 253 C1 beschrieben ist und eine Videokamera mit einem sehr großen Blickwinkel aufweist.
    •
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden, wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung ist mit 1 ein als Endoskopiekapsel ausgeführtes und mit einer Kamera 3 ausgestattetes miniaturisiertes medizinisches Gerät bezeichnet, das in einem Darm einge setzt ist, dessen innere Organwand 2 optisch untersucht werden soll. Die Endoskopiekapsel 1 wird in eine erste Position P1 bewegt. Hierzu werden die zugehörigen 3D-Koordinaten und die zugehörigen Raumwinkel α1 ermittelt.
  • Anschließend wird eine anatomische Landmarke LM segmentiert. Bei der anatomischen Landmarke LM handelt es sich um einen Bereich der inneren Organwand 2, die charakteristische Merkmale aufweist.
  • Anschließend wird ein erstes Bild aufgenommen, dass die anatomische Landmarke LM enthält und die 2D-Koordinaten der Landmarke LM im Bild werden gemessen.
  • Anschließend wird die Endoskopiekapsel 1 und damit die Kamera 3 um eine definierte Strecke S verschoben. Die von der Endoskopiekapsel 1 zurückgelegte Strecke S ist durch das Positionserkennungssystem bekannt.
  • Nachdem sich die Endoskopiekapsel 1 in einer zweiten Position P2 befindet, werden zu dieser Position die zugehörigen 3D-Koordinaten und die zugehörigen Raumwinkel α2 ermittelt.
  • Alternativ können die Raumwinkel α2 und die 3D-Koordinaten der zweiten Position P2 aus der ersten Position P1 und der Relativbewegung berechnet werden, wenn Richtung und Strecke der Relativbewegung bekannt sind. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine Ortsmessung aufwändig ist, Relativbewegungen jedoch einfach erfasst werden können.
  • In der zweiten Position P2 wird ein zweites Bild aufgenommen, das dieselbe anatomische Landmarke LM enthält und deren 2D-Koordinaten im Bild werden gemessen.
  • Abschließend werden aus dem im ersten Bild gemessenen 2D-Koordinaten der Landmarke und aus den im zweiten Bild gemessenen 3D-Koordinaten der Landmarke LM sowie aus der Positionsänderung der Endoskopiekapsel 1 zwischen der ersten Posi tion P1 und der zweiten Position P2 die 3D-Koordinaten der anatomischen Landmarke LM berechnet.
  • Zur Berechnung der 3D-Koordnaten der Landmarke LM wird vorzugsweise ein SIFT-Algorithmus (Scale Invariant Feature Transform) verwendet.
  • Wenn dieses Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Bildern auf eine hinreichend große Zahl (bis zu einigen 100) Landmarken angewandt wird, kann daraus ein daraus ein komplettes 3D-Modell der Darmwand errechnet werden.
  • Falls in diesem 3D-Modell eine Verdeckung erkannt wird, erfolgt eine Korrektur der Lage der Endoskopiekapsel 1 oder des Endoskopiekopfes, wie dies in der DE 103 46 678 A1 beschrieben ist. Außerdem können die in der DE 103 46 678 A1 beschriebenen Transformationen (Entrollung usw.) vorgenommen werden, um eine Bildauswertung zu erleichtern.

Claims (8)

  1. Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Bildern, die von einem miniaturisierten medizinischen Gerät aufgenommen werden, wobei die Rekonstruktion folgende Verfahrensschritte umfasst: 1. Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes in eine erste Position und Ermittlung der zugehörigen 3D-Koordinaten und des zugehörigen Raumwinkels, 2. Segmentierung einer anatomischen Landmarke, 3. Aufnahme eines ersten Bildes, das die anatomische Landmarke enthält, und Messung der 2D-Koordnaten der Landmarke im Bild, 4. Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes in eine zweite Position und Ermittlung der zugehörigen 3D-Koordinaten und des zugehörigen Raumwinkels, 5. Aufnahme eines zweiten Bildes, das dieselbe anatomische Landmarke enthält, und Messung der 2D-Koordnaten der Landmarke im Bild, 6. Berechnung der 3D-Koordnaten der Landmarke aus den im ersten Bild und im zweiten Bild gemessenen 2D-Koordinaten der Landmarke und der Positionsänderung des miniaturisierten medizinischen Gerätes zwischen der ersten Position und der zweiten Position.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Berechnung der 3D-Koordnaten der Landmarke ein SIFT-Algorithmus (Scale Invariant Feature Transform) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verfahrensschritte 1. bis 6. mehrfach durchgeführt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das miniaturisierte medizinische Gerät in einem Körper-Hohlorgan bewegt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das miniaturisierte medizinische Gerät als Endoskop ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das miniaturisierte medizinische Gerät als Endoskopiekapsel ausgebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das miniaturisierte medizinische Gerät als Neuroendoskop ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Endoskopiekapsel durch ein magnetisches Feld bewegt wird.
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