DE102009019019A1 - Video-based mono camera navigation system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines video-basierten Mono-Kamera-Navigationssystems. Das System ist in der Lage, unter Nutzung einer einzigen Kamera und Markern versehen mit unterschiedlichen Geometrien und Farben die Ortsinformation eines Objektes zu bestimmen. Zu dem System gehören eine Videokamera (5), eine elektronische Datenverarbeitungsanlage (8), ein mit einem bestimmten Muster und einer bestimmten Farbe versehener erster Marker (6), der sich in einer bekannten festen Position zu einem ortsfesten oder ortsveränderlichen Objekt (10) befindet, und ein zweiter Marker (7), der mit einem anderen bestimmten Muster und einer anderen bestimmten Farbe versehen ist und mit einem lageveränderlichen Gegenstand (2), dessen jeweils eingenommene Lage in einem Messbereich erfasst werden soll, verbunden ist. Dieses System hat gegenüber bekannten Lösungen den Vorteil, dass nur eine Videokamera (5) benötigt wird und an diese Kamera (5) nur solche technischen Ansprüche gestellt werden, die von nahezu jeder käuflich erhältlichen Videokamera erfüllt werden.The invention relates to a method for producing a video-based mono-camera navigation system. The system is able to determine the location information of an object using a single camera and markers with different geometries and colors. The system includes a video camera (5), an electronic data processing system (8), a first marker (6) of a specific pattern and color, located in a known fixed position with respect to a stationary or mobile object (10) , and a second marker (7) provided with another particular pattern and color and associated with a position-variable object (2) whose respective position is to be detected in a measuring area. This system has the advantage over known solutions that only one video camera (5) is required and only such technical demands are placed on this camera (5) that are met by virtually any commercially available video camera.
Description
Die Erfindung betrifft ein Video-basiertes Kamera-Navigationssystem, bestehend aus einer Vorrichtung und einem Verfahren, welches die Erkennung von mit Markern versehenen Objekten im Raum und deren Ortsbestimmung mit nur einer Videokamera ermöglicht.The The invention relates to a video-based camera navigation system, consisting of a device and a method which the Detection of tagged objects in the room and their Location with only a video camera allows.
Es ist bekannt, die Lagebeziehung von Objekten zueinander mit optischen Navigationssystemen zu ermitteln. So beispielsweise auf den Gebieten der Lagertechnik, im Transportwesen, in der Metallbearbeitung und der Chirurgie. In der Chirurgie werden diese Systeme im Operationssaal angewandt, um die Position von Instrumenten relativ zum Patienten zu bestimmen und somit die Erfolgsaussichten einer Operation zu verbessern.It is known, the positional relationship of objects to each other with optical To determine navigation systems. For example, in the fields warehousing, transportation, metalworking and the surgery. In surgery, these systems are in the operating room applied to the position of instruments relative to the patient to determine and thus the chances of success of an operation too improve.
In
Die Koordinatensysteme der Kamera, des Patienten (CT-Schnittbilder) und des chirurgischen Instruments werden durch Registrierung in ein einheitliches Koodinatensystem überführt.The Coordinate systems of the camera, of the patient (CT sectional images) and the surgical instrument are registered by registration in a uniform coordinate system.
Dadurch ist es möglich, in den CT-Schnittbildern das chirurgische Instrument oder einen so genannter Pointer einzublenden. Der Chirurg ist damit in der Lage, in den CT-Schnittbildern auf einem Monitor die aktuelle Lage des Instruments am oder im Patienten zu bestimmen. Anhand der graphischen Darstellung des Instruments in den CT-Schnittbildern erkennt der Chirurg die Entfernung zum Zielgebiet und den zu schützenden Risikostrukturen (z. B. Nerven oder Gefäße).Thereby it is possible in surgical CT scans Instrument or a so-called pointer. The surgeon is thus able to display in CT scans on a monitor to determine the current position of the instrument on or in the patient. Recognized by the graphical representation of the instrument in the CT slice images the surgeon's distance to the target area and the one to be protected Risk structures (eg nerves or vessels).
Aus
der Druckschrift
Die Nachteile dieser bekannten Lösungen bestehen darin, dass mindestens zwei Kameras in definierten Abstand zueinander benötigt werden, um Objekte im Raum zu erfassen. Es ist problematisch, die damit verbundenen großen Gehäuse oder Gerätewagen in einem Operationssaal unterzubringen.The Disadvantages of these known solutions are that at least two cameras needed in defined distance to each other be used to capture objects in space. It is problematic, the associated large housing or equipment cart in an operating room.
Ein weiterer Aspekt sind die hohen Kosten aufgrund der verwendeten Spezial-Stereo-Kameras.One Another aspect is the high costs due to the special stereo cameras used.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Video-basiertes Kamera-Navigationssystem zu entwickeln, das mit dem Einsatz einer einzigen Videokamera realisiert werden kann und an eine solche Videokamera keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Dadurch ist es möglich, eine kommerziell erhältliche Videokamera zu verwenden.Of the Invention is based on the object, a video-based camera navigation system to develop that realized with the use of a single video camera can be and to such a video camera no special requirements be put. This makes it possible to be a commercial available video camera to use.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Messsystem gelöst, das aus einer Vorrichtung nach dem des Anspruch 1 und nach einem Verfahren nach Anspruch 5 besteht.These Task is solved by an optical measuring system, which from a device according to claim 1 and a method according to claim 5.
Zu der Vorrichtung gehören
- • eine Videokamera,
- • eine elektronische Datenverarbeitungsanlage,
- • ein mit einem bestimmten Muster und einer bestimmten Farbe versehener erster Marker, der sich in einer bekannten festen Position zu einem ortsfesten oder ortsveränderlichen Objekt befindet, und
- • ein zweiter Marker, der mit einem anderen bestimmten Muster und einer anderen bestimmten Farbe versehenen ist und mit einem lageveränderlichen Gegenstand, dessen jeweils eingenommene Lage in einem Messbereich erfasst werden soll, verbunden ist.
- • a video camera,
- • an electronic data processing system,
- • a first marker provided with a specific pattern and color, which is in a known fixed position with respect to a stationary or mobile object, and
- • a second marker, which is provided with a different pattern and a different color, and which is connected to a variable object whose position is to be recorded in a measuring area.
Die beiden Marker bilden so zusammen eine Einheit zur Erfassung der räumlichen Position und Rotation in Umgebungen der virtuellen Realität eines ersten, räumlich feststehenden oder beweglichen Gegenstandes gegenüber einem zweiten, feststehenden oder beweglichen Gegenstand und werden ebenso wie die Videokamera an die elektronische Datenverarbeitungsablage angeschlossen.The Both markers together form a unit for recording the spatial position and rotation in environments of the virtual Reality of a first, spatially fixed or movable object with respect to a second, fixed or movable object and will as well the video camera connected to the electronic data processing system.
An die Videokamera zur Überwachung des Messbereiches werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Hierfür kann eine handelsübliche Videokamera verwendet werden, die über eine USB- oder eine andere Datenschnittstelle mit der elektronischen Datenverarbeitungsanlage verbunden wird.At the video camera to monitor the measuring range No special requirements. For this one can Commercially available video camera can be used over a USB or other data interface with the electronic Data processing system is connected.
An den Objekten, wie beispielsweise Personen, Instrumenten oder Werkzeugen, deren Ortsparameter bestimmt werden sollen, wird ein charakteristisches Merkmal (Marker) angebracht. Der Marker wird mit verschiedenen Markierungen bzw. Geometrien versehen, die von der vollautomatischen Bildverarbeitung durch die Videokamera erkannt und durch die Farb-Form-Kodierung zugeordnet werden können. Die Größe, Farbe und Form des Markers ist beliebig. Die Grundfarbe sollte sich lediglich mit den auf ihr aufgebrachten farbigen Markierungen unterscheiden. Die Farbtöne der Markierungen können theoretisch beliebig gewählt werden. In Hinblick auf eine optimale Bildverarbeitung sind jedoch kräftige Farbkontraste vorzuziehen. Für die Positionsberechnung werden charakteristische Punkte der Geometrie wie Eckpunkte, Mittelpunkte oder Schwerpunkte herangezogen. Die Form, die Farbe und der Abstand bzw. die Anordnung der Geometrien auf dem jeweiligen Marker ist dem Mono-Kamera-Navigationssystem bekannt.On the objects, such as persons, instruments or tools whose location parameters are to be determined, a characteristic feature (marker) is attached. The marker is provided with various markings or geometries, which are provided by the fully automatic image processing be recognized by the video camera and can be assigned by the color-shape coding. The size, color and shape of the marker is arbitrary. The base color should differ only with the colored markings applied to it. The color tones of the markers can theoretically be chosen arbitrarily. For optimal image processing, however, strong color contrasts are preferable. For the position calculation, characteristic points of the geometry such as corner points, centers or centers of gravity are used. The shape, the color and the distance or the arrangement of the geometries on the respective marker is known to the mono-camera navigation system.
Eine speziell entwickelte Bildverarbeitungssoftware greift die aufgenommenen Bilder der Videokamera auf und detektiert in diesen vollautomatisch die farbigen Markierungen. Durch die anschließende Zuordnung der charakteristischen Schwer- oder Eckpunkte der Markierungen im aufgenommenen Kamerabild zu den am Marker angebrachten Geometrien unter der Berücksichtigung der Kameraeigenschaften erfolgt die Positionsberechnung des Objektes im Raum. Die Bildverarbeitungssoftware benötigt keine Spezialhardware. Sie kann auf einem handelsüblichen PC installiert und ausgeführt werden.A Specially developed image processing software attacks the recorded Pictures of the video camera on and detected in these fully automatic the colored markers. By the subsequent assignment the characteristic heavy or corner points of the markings in the recorded camera image to the attached to the marker geometries the consideration of the camera characteristics is the Position calculation of the object in the room. The image processing software does not need special hardware. It can be on a commercial PC installed and running.
Das Navigationssystem arbeitet nach folgenden Verfahrensschritten:
- a) Anbringen eines ersten Markers in einer festen Position am ersten feststehenden oder beweglichen Objekt,
- b) Anbringen eines zweiten Markers am zweiten feststehenden oder beweglichen Objekt,
- c) Ausrichten der Videokamera auf beide Marker unter der Berücksichtigung ihres möglichen Bewegungsbereiches,
- d) Eingabe der Position des feststehenden Zielgebiets,
- e) Bildakquirierung über die Videokamera,
- f) Bildvorverarbeitung,
- g) Objekterkennung,
- h) Zuordnung der Objekte zu den bekannten Geometrien – Klassifizierung,
- i) Farbbestimmung der Geometrien der Markierungen,
- j) Zuordnung der aufgenommenen charakteristischen Bildpunkte (beispielsweise Eckpunkte) einer Geometrie zu den am realen Objekt angebrachten Markierungen,
- k) Berechnen der Transformation T über den zugeordneten Punkten der Marker und den Kameraparametern (Brennweite, Bildverzerrung),
- l) Anzeigen des Bildes auf dem Bildschirm,
- m) Erfassung der neuen Positionen der beiden Marker durch die Videokamera,
- n) Senden der neuen Kameraparameter an die elektronische Datenverarbeitungsanlage,
- o) Wiederholung der Schritte e) bis n).
- a) attaching a first marker in a fixed position on the first fixed or movable object,
- b) attaching a second marker to the second fixed or movable object,
- c) Aligning the video camera on both markers taking into account their possible range of motion,
- d) entering the position of the fixed target area,
- e) image acquisition via the video camera,
- f) image preprocessing,
- g) object recognition,
- h) assignment of the objects to the known geometries - classification,
- i) color determination of the geometries of the markings,
- j) assignment of the recorded characteristic pixels (for example corner points) of a geometry to the markings attached to the real object,
- k) calculating the transformation T over the associated points of the markers and the camera parameters (focal length, image distortion),
- l) displaying the image on the screen,
- m) recording of the new positions of the two markers by the video camera,
- n) sending the new camera parameters to the electronic data processing system,
- o) repetition of steps e) to n).
Aufgrund des Einsatzes einer handelsüblichen Videokamera, dem einfachen Aufbau der Marker und der Verwendung eines Standard-PC's wird dem Anwender eine sehr wirtschaftliche Navigationslösung angeboten. Die kostengünstige Hardware ermöglicht es, die Technik in neuen Marktfeldern zu etablieren und sie einer größeren Menge an potentiellen Kunden zur Verfügung zu stellen.by virtue of the use of a commercially available video camera, the simple Structure of the markers and the use of a standard PC's is the Users offered a very economical navigation solution. The cost-effective hardware allows the To establish technology in new market fields and make them a bigger one To provide quantity to potential customers.
Ein weiterer Vorteil zu bisherigen optischen Navigationssysteme besteht darin, das anstatt zwei oder mehr, nur eine Kamera zur Positionsbestimmung genutzt wird. Diese neuartige Umsetzung löst verschiedene Problematiken:
- – Der Aufbau des Systems wird sehr klein gehalten. Es müssen keine Kameras entfernt im Raum aufgestellt werden, was die Flexibilität und Nutzbarkeit des Systems einschränkt.
- – Es können beliebige Kamerasysteme eingesetzt werden. Somit ist eine Anpassung an die Messanforderung, den Stand der modernsten Kameratechnik und wirtschaftlicher Systeme ist jederzeit ohne größere Aufwendungen möglich.
- – Die Sichtbarkeit der Marker (Line of Sight-Problem) ist besser gewährleistet, da sich die Videokamera im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen nicht zwei bis drei Meter vom zu messenden Gebiet entfernt befindet. Am bevorzugten Beispiel eines medizinischen Einsatzes wird sie entweder am OP-Tisch oder direkt am Patienten bzw. chirurgischen Instrument angebracht.
- – Die Kameraposition kann flexibler an die Dimensionen des zu vermessenen Gebietes angepasst werden. Bei einem kleinen Areal kann die einzelne Videokamera problemlos näher an das zu vermessende Gebiet bewegt werden. Muss ein größeres Gebiet überwacht werden, wird die Kamera in einem größeren Abstand aufgestellt. Die Auflösung der Videokamera und die damit korrelierende Messgenauigkeit kann dadurch optimal an die jeweilige Messsituation angepasst werden. Eine höhere Messgenauigkeit wird bei kleineren und eine gröbere Messgenauigkeit bei größeren Gebieten erzielt.
- - The structure of the system is kept very small. No need to place cameras in the room, which limits the flexibility and usability of the system.
- - Any camera system can be used. Thus, an adaptation to the measurement requirement, state of the art camera technology and economic systems is possible at any time without major expenses.
- - The visibility of the markers (line of sight problem) is better ensured, since the video camera, in contrast to conventional systems is not two to three meters from the area to be measured. The preferred example of a medical insert is either attached to the operating table or directly to the patient or surgical instrument.
- - The camera position can be adapted more flexibly to the dimensions of the area to be measured. In a small area, the single video camera can be easily moved closer to the area to be surveyed. If a larger area needs to be monitored, the camera will be set up at a greater distance. The resolution of the video camera and the correlating measuring accuracy can thus be optimally adapted to the respective measurement situation. Higher measurement accuracy is achieved with smaller and coarser measurement accuracy in larger areas.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von 3 Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert, die sämtlich die Anwendung des Mono-Kamera-Navigationssystems bei der Operation eines Patienten betreffen.The Invention will be described below with reference to 3 embodiments and associated drawings explained in more detail, all the application of the mono camera navigation system in the operation of a patient.
Es zeigen:It demonstrate:
Das
in
Erfindungswesentlich
ist die Verwendung von zwei Markern
1. Ausführungsbeispiel1st embodiment
Dieses
1. Ausführungsbeispiel beinhaltet die Anwendung des Kamera-Navigationssystems
bei der Operation eines Patienten, wobei das operative Zielgebiet
während des gesamten chirurgischen Eingriffs auf dem OP-Tisch
die gleiche Position und Lage einnimmt. Dabei ist es von großer
Bedeutung, das operative Zielgebiet unter gleichzeitiger Schonung
der Risikostrukturen wie z. B. Nerven oder Gefäße
zu erreichen. Die Unterstützung des Chirurgen bei der Operation
durch das Mono-Kamera-Navigationssystem besteht in der optischen
Navigation. Der Chirurg kann bei Bedarf jederzeit auf dem Bildschirm
Wenn
sich der am Instrument
Dabei
werden durch eine punktbasierte Registrierung die Koordinaten-Systeme
von Patient (CT/MRT-Schnittbilder), Videokamera
Während
der Chirurg das Instrument
Das Verfahren zur Anwendung des Video-basierten Mono-Kamera-Navigationssystem bei der Operation erfolgt in folgenden Schritten:
- 1.
Anbringen eines ersten Markers
6 ist in einer festen Position am Patienten10 , - 2. Anbringen eines zweiten Markers
7 am Instrument2 des Chirurgen, - 3. Eingabe der Position des operativen Zielgebiets
3 , - 4. Eingabe der Position des Angriffspunktes des chirurgischen
Instruments
2 , - 5. Bildakquirierung über die Videokamera
5 , - 6. Bildvorverarbeitung,
- 7. Objekterkennung,
- 8. Zuordnung der Objekte zu den bekannten Geometrien-Klassifizierung,
- 9. Farbbestimmung der Geometrien der Markierungen,
- 10. Zuordnung der aufgenommenen charakteristischen Bildpunkte (beispielsweise Eckpunkte) einer Geometrie zu den am realen Objekt angebrachten Markierungen,
- 11. Berechnen der Transformation T über den zugeordneten Punkten der Marker und den Kameraparametern (Brennweite, Bildverzerrung),
- 12. Anzeigen des Bildes auf dem Bildschirm
1 , - 13. Erfassung der neuen Positionen der beiden Marker
6 ,7 durch die Videokamera5 , - 14. Senden der neuen Kameraparameter an die elektronische Datenverarbeitungsanlage
8 , - 15. Wiederholung der Schritte 5 bis 14.
- 1. Attaching a first marker
6 is in a fixed position on the patient10 . - 2. Attach a second marker
7 on the instrument2 of the surgeon, - 3. Enter the position of the operative target area
3 . - 4. Entry of the position of the point of application of the surgical instrument
2 . - 5. Image acquisition via the video camera
5 . - 6. image preprocessing,
- 7. object recognition,
- 8. Assignment of the objects to the known geometry classification,
- 9. color determination of the geometries of the markings,
- 10. Assignment of the recorded characteristic pixels (for example corner points) of a geometry to the markings attached to the real object,
- 11. Calculate the transformation T over the assigned points of the markers and the camera parameters (focal length, image distortion),
- 12. Display the image on the screen
1 . - 13. Detecting the new positions of the two markers
6 .7 through the video camera5 . - 14. Send the new camera parameters to the electronic data processing system
8th . - 15. Repeat steps 5 through 14.
2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment
Bei
Operationen am Gehirn wird dessen Position nach der Schädelöffnung
verändert (Brainshift). Da die MRT-Daten präoperativ
aufgenommen wurden, ist die tatsächliche Position des Hirntumors
als operatives Zielgebiet
Mit
einem 2D-Ultraschallkopf wird das Gehirn des Patienten intraoperativ
gescannt. Die beschriebene Erfindung wird mit dem 2D-Ultraschallsystem
kombiniert. Sowohl am Patienten
Der Ort des 2D-Ultraschallkopf wird zum Zeitpunkt der Aufnahme des 2D-Ultraschallbildes festgehalten. Somit ist es möglich, aus dem 2D- ein 3D-Ultraschallbild zu ermitteln. Das intraoperative 3D-Ultraschallbild wird mit den präoperativ akquirierten MRT-Schnittbildern überlagert.Of the Location of the 2D ultrasound head is recorded at the time of taking the 2D ultrasound image. Thus, it is possible from the 2D a 3D ultrasound image to investigate. The intraoperative 3D ultrasound image is combined with the superimposed preoperatively acquired MRI slice images.
Somit erhält der Chirurg die Information über die aktuell tatsächliche Position des Hirntumors.Consequently the surgeon receives the information about the current actual position of the brain tumor.
3. Anwendungsbeispiel3. Application example
Das
Mono-Kamera-System kann als direktes 3D-Eingabegerät für
verschiedene Programm- und Betriebssystemoberflächen genutzt
werden. Dazu werden die Positionsinformation des Trackers in Aktionen
und Positionen der Computermaus umgesetzt. Der Marker
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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