DE102010009905A1

DE102010009905A1 - Verfahren und Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums

Info

Publication number: DE102010009905A1
Application number: DE102010009905A
Authority: DE
Inventors: Prof. Angelopoulou Elli; Dr. Juloski Aleksandar; Rainer Kuth; Philip Mewes
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-08
Also published as: US8870757B2; WO2011107392A1; US20130060085A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums (2) eines Patienten mit einer in den Körperhohlraum (2) eingeführten Endoskopkapsel (4) wird ein erster Teilbereich (30) der Innenoberfläche des Körperhohlraums (2) mit zumindest einer in der Endoskopkapsel angeordneten Lichtquelle (16) beleuchtet, und es wird mit zumindest einer in der Endoskopkapsel (4) angeordneten Kamera (18) ein Bild eines vom ersten Teilbereich (30) beleuchteten, von diesem verschiedenen zweiten Teilbereiches (36) aufgenommen, dessen dreidimensionale Struktur bekannt ist. Anhand der in diesem Bild vorliegenden Intensitätswerte werden Informationen über die dreidimensionale Struktur des ersten Teilbereiches (30) abgeleitet.

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 einer in den Körperhohlraum eingeführten Endoskopkapsel. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Endoskopkapsel.
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 Beobachtung 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 der bekannten Endoskopkapsel verwendete monokulare Optik ist die Raumwahrnehmung stark eingeschränkt, und beruht lediglich auf Erfahrungswerten, indem der Chirurg Helligkeit und Farbton im Videobild 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 einer frei im Körperhohlraum manövrierbaren Endoskopkapsel erwünscht.
Eine stereoskopische Betrachtung wäre grundsätzlich möglich, wenn 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 einer Endoskopkapsel 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 einer in den Körperhohlraum eingeführten Endoskopkapsel durchgeführt werden kann. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird zumindest mit einer in der Endoskopkapsel angeordneten Lichtquelle ein erster Teilbereich der Innenoberflächedes Körperhohlraums beleuchtet. Mit zumindest einer in der Endoskopkapsel angeordneten Kamera wird ein Bild eines vom ersten Teilbereich beleuchteten, von diesem verschiedenen zweiten Teilbereich aufgenommen, dessen dreidimensionale Struktur bekannt ist. Anhand der in diesem Bild vorliegenden Intensitätswerte werden nun Informationen über die dreidimensionale Struktur des ersten Teilbereiches abgeleitet.
Durch Auswerten der Bildinformation des indirekt beleuchteten zweiten Teilbereiches ist es möglich mit nur einer Kamera Strukturinformation von Teilbereichen der Innenoberfläche des Körperhohlraumes zu gewinnen, die sich außerhalb des Bildfeldes der Kamera befindet. Durch eine auf diese Weise mögliche 3D-Rekonstruktion des von der Lichtquelle beleuchteten Gebietes wird sowohl die Diagnosestellung als auch insbesondere bei frei im Körperhohlraum manövrierbaren Endoskopkapseln die Navigation erleichtert.
Bei der Verwendung von frei im Körperhohlraum manövrierbaren Endoskoskapseln kann diese darüber hinaus in optimale Positionen und Richtungen gesteuert werden, aus denen es möglich ist, diagnostisch optimal verwertbare Bilder zu erzeugen.
Wenn der erste und der zweite Teilbereich aneinander gegenüberliegen, ist eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Struktur die die Oberflächen des ersten Teilbereiches besonders erleichtert, da aufgrund der diffusen Reflektion des auf den ersten Teilbereich auftreffenden Lichtes, die diesem gegenüberliegende Innenoberfläche mit maximaler Intensität beleuchtet wird.
Wenn außerdem der erste Teilbereich zeitlich nacheinander mit Lichtimpulsen unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung beleuchtet wird, und zu jedem Lichtimpuls jeweils ein Bild des zweiten Teilbereiches aufgenommen und ausgewertet wird, können zusätzliche Aussagen über die Frequenzabhängigkeit des Reflektionsgrades des ersten Teilbereiches abgeleitet werden.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst in einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 5, die sinngemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen entsprechen.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Endoskopkapsel enthält zumindest eine Lichtquelle und zumindest eine Kamera, deren Gesichtsfeld außerhalb von der Lichtquelle beleuchteten Raumgebietes liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Endoskopkapsel außerdem eine Magneteinrichtung, mit der es möglich ist, die Endoskopkapsel durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes magnetisch zu manövrieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Endoskopkapsel sind in den weiteren Unteransprüchen angeben, deren Vorteile sinngemäß den zu den korrespondierenden Verfahrensansprüchen angegebenen Vorteilen entsprechen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Gemäß 1 umfasst die Einrichtung eine in einen Körperhohlraum 2, beispielsweise der Magen eines Patienten, eingeführte Endoskopkapsel 4, die frei innerhalb des mit einem Fluid 6 gefüllten Körperhohlraumes 2 manovrierbar ist. Die Endoskopkapsel 4 umfasst hierzu einen in der Figur nur schematisch angedeuteten Stabmagneten 8. Die Steuerung der Bewegung und Ausrichtung der Endoskopkapsel 4 erfolgt berührungslos durch ein Magnetfeld H, das von einem außerhalb des Patienten angeordneten Magnetsystem 10 erzeugt wird.
An den aneinander gegenüberliegenden Stirnseiten 12 und 14 der Endoskopkapsel 4 sind jeweils eine Kamera 18 sowie jeweils eine Mehrzahl von Lichtquellen 16 angeordnet, von denen jeweils zwei in der Figur schematisch veranschaulicht sind. Das von den auf einer Seite jeweils angeordneten Lichtquellen 16 emittierte Licht unterscheidet sich hinsichtlich seiner spektralen Zusammensetzung. Vorzugsweise sind jeweils 3 Lichtquellen 16 vorgesehen, die rotes, grünes bzw. blaues Licht emittieren. Die von den Kameras 18 aufgenommenen Bilder werden über Funk an eine externe Auswerteeinrichtung 20 übermittelt, dort verarbeitet und nach Rekonstruktion der dreidimensionalen Struktur der Innenoberfläche des Körperhohlraums 2 auf einem Monitor 22 ausgegeben.
In der Figur ist außerdem ein Eingabegerät 24 in Form einer Tastatur veranschaulicht, mit dem es möglich ist, Steuerbefehle zu generieren, mit der die Lichtquellen 16 und Kameras 18 der Endoskopkapsel 4 sowie die Bewegungen der Endoskopkapsel 4 gesteuert werden.
In der Figur ist eine Situation dargestellt, in der eine der an der Stirnseite 12 angeordneten Lichtquellen 16 Licht, beispielsweise ein Lichtimpuls, emittiert und auf diese Weise einen ersten Teilbereich 30 der Innenoberfläche des Körperhohlraumes 2 beleuchtet. Das von der Lichtquelle 16 emittierte Lichtbündel 32 wird vom ersten Teilbereich 30 diffus reflektiert, und das auf diese Weise in alle Richtungen reflektierte Licht 34 trifft auf die dem Teilbereich 30 gegenüberliegende Innenoberfläche des Körperhohlraums 2 auf, so dass dieser indirekt beleuchtet wird.
Mit der an der gegenüberliegenden Stirnseite 14 der Endoskopkapsel 4 angeordneten Kamera 18 wird nun ein in dem gestrichelt veranschaulichten Bildfeld der Kamera 18 befindlicher zweiter Teilbereich 36 aufgenommen, der sich innenhalb der indirekt beleuchteten Innenoberfläche befindet.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Intensität des von vom ersten Teilbereich 30 reflektierten Lichtes senkrecht zur Oberfläche, das heißt parallel zur jeweiligen Oberflächennormale 38 erfolgt. Die Intensitätsverteilung des von der gegenüberliegenden Kamera 18 aufgenommenen Bildes des zweiten Teilbereiches 36 lässt daher Aufschluss über die räumliche Struktur des ersten Teilbereiches 30 zu, da sich die Intensität des auf den zweiten Teilbereich 36 auftreffenden Lichtes in Abhängigkeit von der Entfernung ändert.
Eine dreidimensionale Rekonstruktion der Struktur des ersten Teilbereiches 30 ist möglich, wenn die dreidimensionale Struktur des zweiten Teilbereiches mit bekannten strukturgewinnenden Verfahren ermittelt worden ist. Diese Strukturermittlung kann beispielsweise mit einem als ”structure from motion” bezeichnetes Verfahren durchgeführt werden, bei dem die Endoskopkapsel 4 in einem Abstand über die Oberfläche geführt wird und nacheinander Bilder aufgenommen werden. Durch Zuordnung von Bildpunkten nacheinander aufgenommener Bilder zu ein und demselben Objektpunkt, kann durch Triangulation der jeweilige Abstand zwischen Kamera und Objektpunkt berechnet und damit die Struktur der Oberfläche des Objekts rekonstruiert werden.
Im Ausführungsbeispiel sind in der Endoskopkapsel 4 auf jeder Seite mehrere Lichtquellen 16 angeordnet, die sich hinsichtlich ihrer spektralen Zusammensetzung unterscheiden. Werden diese zeitlich nacheinander angesteuert, können zusätzlich Informationen über die spektrale Albedowerte des ersten Teilbereiches 30 ermittelt werden, wenn entsprechend die lokalen spektralen Albedowerte des zweiten Teilbereiches 36 bekannt sind.
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]

Claims

Verfahren zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums (2) eines Patienten mit einer in den Körperhohlraum (2) eingeführten Endoskopkapsel (4), bei dem ein erster Teilbereich (30) der Innenoberfläche des Körperhohlraums (2) mit zumindest einer in der Endoskopkapsel (4) angeordneten Lichtquelle (16) beleuchtet wird und mit zumindest einer in der Endoskopkapsel (4) angeordneten Kamera (18) ein Bild eines vom ersten Teilbereich (30) beleuchteten, von diesem verschiedenen zweiten Teilbereiches (36) aufgenommen wird, dessen dreidimensionale Struktur bekannt ist, und bei dem anhand der in diesem Bild vorliegenden Intensitätswerte Informationen über die dreidimensionale Struktur des ersten Teilbereiches (30) abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine frei im Körperhohlraum manövrierbare Endoskopkapsel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich einander gegenüberliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der erste Teilbereich zeitlich nacheinander mit Lichtimpulsen unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung beleuchtet wird und für jeden Lichtimpuls jeweils ein Bild des zweiten Teilbereiches aufgenommen und ausgewertet wird.
Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums eines Patienten mit einer in den Körperhohlraum einführbaren Endoskopkapsel, die zumindest eine Lichtquelle sowie zumindest eine Kamera umfasst, deren Gesichtsfeld außerhalb des von der Lichtquelle beleuchten Raumgebietes liegt, und mit einer Auswerteeinrichtung und einer darin implementierten Software zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1.
Einrichtung nach Anspruch 5, bei der die Endoskopkapsel frei im Körperhohlraum manövrierbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, mit einer Mehrzahl von in der Endoskopkapsel angeordneten steuerbaren Lichtquellen, die Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung emittieren.
Endoskopkapsel mit zumindest einer Lichtquelle und zumindest einer Kamera, deren Gesichtsfeld außerhalb des von der Lichtquelle beleuchten Raumgebietes liegt.
Endoskopkapsel nach Anspruch 8, mit einer Magneteinrichtung zum magnetischen Manövrieren der Endoskopkapsel.
Endoskopkapsel nach Anspruch 8 oder 9, mit einer Mehrzahl von steuerbaren Lichtquellen, die Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung emittieren.
Endoskopkapsel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, mit einander gegenüberliegenden Stirnflächen, an denen die zumindest eine Lichtquelle und die zumindest eine Kamera einander gegenüberliegend angeordnet sind.