DE102010009884A1 - Verfahren und Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums eines Patienten mit einem Endoskop.
- Zur optischen Untersuchung der Innenoberfläche eines Körperhohlraums, beispielsweise des Magen-Darm-Traktes eines Patienten, ist es grundsätzlich bekannt, über Körperöffnungen starre oder biegsame Endoskope einzuführen, die mechanisch durch die Hand des Chirurgen gesteuert werden und eine direkte Betrachtung des Körperhohlraumes ermöglichen.
- Alternativ zu derartigen manuell gesteuerten Endoskopen ist es beispielsweise aus der
DE 101 42 253 C1 bekannt, in den Körperhohlraum eine Endoskopkapsel einzuführen, die ohne feste Verbindung nach außen im Körperhohlraum frei manövrierbar ist, und die mit einer an einer ihrer Stirnseiten angeordneten Videokamera ein Bild der im Gesichtsfeld der Videokamera befindlichen Innenoberfläche des Körperhohlraums aufnimmt. - Durch die in den bekannten Endoskopen verwendete monokulare Optik ist die Raumwahrnehmung stark eingeschränkt, und beruht lediglich auf Erfahrungswerten, indem der Chirurg Helligkeit und Farbton im Bild aufgrund seines anatomischen Wissens interpretiert und daraus räumliche Informationen ableitet.
- Eine 3D-Rekonstruktion des Körperhohlraums ist aber sowohl aus diagnostischer Sicht als auch zur Steuerung des Endoskops insbesondere dann erwünscht, wenn die Untersuchung mit einer frei im Körperhohlraum manövrierbaren Endoskopkapsel durchgeführt wird.
- Eine stereoskopische Betrachtung wäre grundsätzlich möglich, wenn im Endoskop oder in der Endoskopkapsel zwei Videokameras verwendet werden könnten. Eine Endoskopieeinrichtung, bei der die Endoskopkapsel zwei Videokameras enthält, ist zwar aus der
DE 103 23 316 B3 bekannt, diese sind jedoch an einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Endoskopkapsel angeordnet. Auch bei dieser bekannten Endoskopkapsel ist somit trotz des Vorhandenseins zweier Videokameras eine binokulare Betrachtung nicht möglich, da sich deren Bildfelder nicht in einer Weise überlagern, dass eine stereoskopische Betrachtung vorliegt. - Eine stereoskopische Bilderzeugung mit zwei voneinander beabstandeten Videokameras, deren Bildfelder sich überlagern, ist aber aufgrund der geringen baulichen Abmessungen von Endoskopen nur eingeschränkt möglich.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums eines Patienten anzugeben, das auch bei beschränkten baulichen Verhältnissen mit einem in den Körperhohlraum eingeführten Endoskop durchgeführt werden kann. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.
- Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird bei ruhendem Endoskop mit zumindest drei voneinander beabstandet am oder im Endoskop angeordneten Lichtquellen ein Gebiet der Innenoberfläche zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, und es wird mit einer Kamera jeweils ein Bild des jeweils beleuchteten Gebiets aus derselben Kameraposition aufgenommen, sodass für eine Vielzahl von Objektpunkten des Gebiets zeitlich nacheinander für jeden dieser Objektpunkte die in jedem der drei Bilder diesen jeweils zugeordneten Bildpunkte dieselben Bildkoordinaten aufweisen, aus deren Intensitäten in den jeweiligen Bildern Information über die dreidimensionale Struktur des Gebietes abgeleitet, d. h. eine Rekonstruktion der 3D-Struktur durchgeführt wird.
- Derartige als „photometric stereo” bezeichnete photometrische Verfahren sind beispielsweise in R. J. Woodham, „Photometric method for determining surface orientation from multiple images", Opt. Eng., vol. 19, no. 1, S. 139–144, Jan. 1980 und R. J. Woodham „Gradient and curvature from the photometricstereo method, including localconfidence estimation", J. Optical Soc. Am. A, vol. 11, no. 11, S. 3050–3068, Nov. 1994 näher erläutert. Zur Analyse der lokalen Krümmung einer Fläche ist es außerdem beispielsweise aus E. Angelopoulou, L. B. Wolff, „Sign of Gaussian Curvature From Curve Orientation in Photometric Space", IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, Vol. 20, No. 10, S. 1056–1066, Oct. 1998, bekannt, die Verteilung der mit einem photometrischen Verfahren bestimmten Flächennormalen auf einer Gaußkugel zu untersuchen.
- Bei diesen bekannten Verfahren werden aus den Pixel- oder Intensitätswerten der einzelnen Bildpunkte die Einheitsnormalen des zu jedem Bildpunkt gehörenden Objektpunktes auf der Oberfläche bestimmt. Voraussetzung hierfür ist, dass es sich bei der zu rekonstruierenden Innenoberfläche zumindest annäherungsweise um einen sogenannten Lambert-Strahler handelt, bei dem die reflektierte Intensität nur vom Winkel zur Oberflächennormalen abhängt, unter dem das Flächenelement von einer Lichtquelle beleuchtet wird. Die auf diese Weise für jeden Bild- bzw. Objektpunkt vorliegenden Einheitsnormalen werden auf eine sogenannte Gaußkugel übertragen. Die sich auf der Gaußkugel ergebende Punktwolke – jedem Objektpunkt ist ein Einheitsnormalenvektor und damit ein Punkt auf der Gaußkugel zugeordnet – ermöglicht dann eine Rekonstruktion der 3D-Gestalt der im Bild wiedergegebenen Innenoberfläche.
- Eine Vereinfachung des rechnerischen Aufwandes wird erzielt, wenn die Lichtquellen in gleichem Abstand zueinander angeordnet werden.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Endoskop eine ferngesteuert innerhalb des Körperhohlraumes frei manövrierbare Endoskopkapsel verwendet. Dadurch können auch weit von Körperöffnungen entfernte und schwer von außen zugängliche Körperhohlräume untersucht werden.
- Hinsichtlich der Einrichtung wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, die ebenso wie die Merkmale der diesem Patentanspruch untergeordneten Patentansprüche sinngemäß den in den jeweils zugeordneten Verfahrensansprüchen genannten Merkmalen entsprechen.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen. Es zeigen jeweils in schematischen Prinzipdarstellungen:
-
1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in Arbeitsposition, -
2 eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Endoskops. - Gemäß
1 umfasst die Einrichtung ein in einen Körperhohlraum2 , beispielsweise der Magen eines Patienten, eingeführtes Endoskop, im Beispiel eine Endoskopkapsel4 , die frei innerhalb des mit einem Fluid6 gefüllten Körperhohlraumes2 manovrierbar ist. Die Endoskopkapsel4 umfasst hierzu einen in der Figur nur schematisch angedeuteten Stabmagneten8 . Die Steuerung der Bewegung und Ausrichtung der Endoskopkapsel4 erfolgt berührungslos durch ein Magnetfeld, das von einem außerhalb des Patienten angeordneten Magnetsystem10 erzeugt wird. - An einer Stirnseite
12 der Endoskopkapsel4 sind drei Lichtquellen14a , b, c sowie eine Kamera16 angeordnet. - Die drei Lichtquellen
14a , b, c, sind voneinander beabstandet angeordnet, so dass sie einen Objektpunkt der Innenoberfläche18 des Körperhohlraumes2 aus unterschiedlichen Richtungen beleuchten. Die von der Kamera16 aufgenommen Bilder werden über Funk an eine externe Steuer- und Auswerteeinrichtung20 übermittelt, in der mit den vorstehend genannten Algorithmen eine 3D-Rekonstruktion der dreidimensionalen Struktur der Innenoberfläche18 durchgeführt wird. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung20 steuert die Lichtquellen14a , b, c zeitlich nacheinander an, so dass ein Gebiet G zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird und nacheinander mit der Kamera16 drei Bilder Ba,b,c des jeweils beleuchteten Gebiets G erzeugt werden, die auf einem Monitor22 wiedergegeben werden können. Die Endoskopkapsel4 bleibt dabei während der Aufnahme der drei Bilder Ba,b,c in Ruhe, so dass die einem Objektpunkt O1, O2 in jedem der drei Bilder Ba,b,c jeweils zugeordneten Bildpunkte P1 bzw. P2 dieselben Bildkoordinaten aufweisen, deren Intensitäts- oder Pixelwerten I1a,b,c bzw. I2a,b,c sich jedoch in den jeweiligen Bildern Ba,b,c unterscheiden. Bei diffus reflektierenden Lambert-Oberflächen hängen die auf diese Weise 3D-Bildpunkt P1,2 gemessenen Intensitätswerte I1a,b,c bzw. I2a,b,c nur vom jeweils lokalen Albedowert (die lokale Reflektivität) und dem Einstrahlungswinkel θa,b,c ab, mit denen der jeweilige Objektpunkt O1, O2, von den Lichtquellen14a , b, c beleuchtet wird. Aus diesen drei Intensitätswerten I1a,b,c bzw. I2a,b,c können nun mit Hilfe der in den vorgenannten Publikationen genannten Algorithmen, die zu jedem Objektpunkt O1, O2 gehörenden Einheitsnormalenvektoren n1,2 sowie der dem jeweiligen Objektpunkt O1, O2 zugehörige lokale Albedowert bestimmt werden. Aus der Kenntnis der Einheitsnormalen n1,2 der in den Bildern Ba,b,c abgebildeten Innenoberfläche18 lässt sich nunmehr eine Information über die räumliche Struktur der Innenoberfläche18 ableiten und ein entsprechendes 3D-Bild erzeugen, das auf dem Monitor22 wiedergegeben werden kann. - Gemäß
2 sind die Lichtquellen14a , b, c an der Stirnseite der Endoskopkapsel4 in gleichen Abständen zueinander an den Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks und damit in gleichen Abständen zu einer gemeinsamen, durch den Schwerpunkt des gleichseitigen Dreiecks gehenden optischen Achse24 angeordnet. - Anstelle der Verwendung einer in den
1 und2 dargestellten Endoskopkapsel ist es grundsätzlich auch möglich, die Erfindung bei konventionellen Endoskopen einzusetzen, die mechanisch von außen geführt werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10142253 C1 [0003]
- DE 10323316 B3 [0006]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- R. J. Woodham, „Photometric method for determining surface orientation from multiple images”, Opt. Eng., vol. 19, no. 1, S. 139–144, Jan. 1980 [0010]
- R. J. Woodham „Gradient and curvature from the photometricstereo method, including localconfidence estimation”, J. Optical Soc. Am. A, vol. 11, no. 11, S. 3050–3068, Nov. 1994 [0010]
- L. B. Wolff, „Sign of Gaussian Curvature From Curve Orientation in Photometric Space”, IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, Vol. 20, No. 10, S. 1056–1066, Oct. 1998 [0010]
Claims (6)
- Verfahren zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche (
18 ) eines Körperhohlraumes (2 ) mit einem in den Körperhohlraum (2 ) eingeführten Endoskop (4 ), bei dem bei ruhendem Endoskop (4 ) mit zumindest drei voneinander beabstandet am oder im Endoskop (4 ) angeordneten Lichtquellen (14a , b, c) ein Gebiet (G) der Innenoberfläche (18 ) zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und mit einer Kamera (16 ) jeweils ein Bild (Ba,b,c) des jeweils beleuchteten Gebiets aus derselben Kameraposition aufgenommen wird, sodass für eine Vielzahl von Objektpunkten (O1, O2) des Gebiets (G) zeitlich nacheinander für jeden dieser Objektpunkte (O1, O2) die in jedem der drei Bilder (Ba,b,c) diesen jeweils zugeordneten Bildpunkte (P1, P2) dieselben Bildkoordinaten aufweisen, aus deren Intensitäten in den jeweiligen Bildern (Ba,b,c) Information über die dreidimensionale Struktur des Gebietes abgeteilt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquellen in gleichem Abstand zueinander angeordnet werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Endoskop eine ferngesteuert innerhalb des Körperhohlraumes frei manövrierbare Endoskopkapsel verwendet wird.
- Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraumes mit einem in den Körperhohlraum einführbaren Endoskop, mit zumindest drei voneinander beabstandet angeordnete Lichtquellen zum zeitlich nacheinander erfolgenden Beleuchten eines Gebiet der Innenoberfläche aus unterschiedlichen Richtungen, und mit einer Kamera zum Aufnehmen von Bildern des jeweils beleuchteten Gebiets, sowie einer in einer Auswerteeinrichtung implementierten Software zum Rekonstruieren der dreidimensionalen Struktur des Gebietes aus den Intensitäten einer der zu einer Vielzahl von Objektpunkten gehörenden jeweils zumindest drei Bildpunkte.
- Einrichtung nach Anspruch 4, bei dem die Lichtquellen in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind.
- Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Endoskop eine ferngesteuert innerhalb des Körperhohlraumes frei manövrierbare Endoskopkapsel ist.
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