DE102015212352A1 - Method, arrangement and computer program product for the position detection of an object to be examined - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und eine Computerprogrammprodukt zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objekts (1, 2), an dem ortsfest ein Marker (3) mit einer optisch auslesbaren Struktur (4) angeordnet ist, die zumindest Abmessungen und/oder eine Größe des Markers (3) codiert kennzeichnet. Hierzu erfolgt ein optisches Aufnehmen (8) mindestens eines Einzelbilds (21) des zu untersuchenden Objekts mit einer optischen Aufnahmeeinheit (5) und Übermitteln des mindestens einen Einzelbilds (21) an eine Auswerteeinheit (7), ein Durchführen einer Markerlokalisation (9) in dem mindestens einen Einzelbild (21) durch die Auswerteeinheit (7), ein Festlegen eines Bildausschnitts (10) in dem mindestens einen Einzelbild (21) durch die Auswerteeinheit (7), in dem sich der Marker befindet, ein Durchführen einer Markerdetektion (11) durch die Auswerteeinheit (7), bei der die an dem oder auf dem Marker (3) angeordnete Struktur (4) erfasst wird, und ein Verarbeiten der bei der Markerdetektion (12) erfassten Struktur (4), wobei zumindest eine Position und bzw. oder eine Orientierung des Markers (3) in Bezug zu der optischen Aufnahmeeinheit (5) aus den durch die Struktur (4) codierten Abmessungen oder der Größe des erfassten Markers (3) und der erfassten Struktur (4) in dem mindestens einen Einzelbild (21) durch die Auswerteeinheit ermittelt und in der Auswerteeinheit (7) gespeichert werden und/oder auf einer Ausgabeeinheit (20) dargestellt werden.The present invention relates to a method, an arrangement and a computer program product for detecting the position of an object to be examined (1, 2), on which a marker (3) with an optically readable structure (4) is fixed, at least dimensions and / or a Marked marker size (3). For this purpose, an optical recording (8) of at least one single image (21) of the object to be examined is carried out with an optical recording unit (5) and transmission of the at least one individual image (21) to an evaluation unit (7), performing a marker localization (9) in the at least one single image (21) by the evaluation unit (7), a definition of an image section (10) in the at least one single image (21) by the evaluation unit (7) in which the marker is located, performing a marker detection (11) the evaluation unit (7), in which the structure (4) arranged on or on the marker (3) is detected, and a processing of the structure (4) detected in the marker detection (12), wherein at least one position and / or an orientation of the marker (3) relative to the optical pickup unit (5) from the dimensions encoded by the structure (4) or the size of the detected marker (3) and the detected structure (4) in the at least one n single image (21) determined by the evaluation and stored in the evaluation unit (7) and / or displayed on an output unit (20).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und ein Computerprogrammprodukt zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objekts.The present invention relates to a method, an arrangement and a computer program product for position detection of an object to be examined.
Zum Bestimmen einer Patientenlage und einer Instrumentenlage in einem Operationssaal oder zum Bestimmen einer Werkzeuglage in einer Werkhalle gibt es zwei verschiedene Messprinzipien: Optisches Tracking und elektromagnetisches Tracking. Beim optischen Tracking wird ein externes Stereokameramesssystem verwendet, das eine Anordnung von Reflektorkugeln vermisst und daraus eine Lage der Instrumente bzw. des Patienten bestimmt. Nachteilig an dieser Variante ist, dass nur ein eingeschränkter Patientenzugang des medizinischen Personals im Operationssaal möglich ist, um eine Kamerasichtlinie nicht zu kreuzen und somit die Aufnahme zu stören (sogenannte Line-of-Sight-Problematik). Außerdem fallen hohe Investitionskosten bei einer Anschaffung eines derartigen Systems an und laufende Kosten für die erforderlichen Einweg-Reflektorkugeln müssen berücksichtigt werden. Überdies ist jedem Instrument in dem Operationssaal eine einzigartige Anordnung von Reflektorkugeln zugeordnet, die eingemessen und spezifiziert werden müssen.There are two different measurement principles for determining a patient position and an instrument position in an operating room or for determining a tool position in a workshop: optical tracking and electromagnetic tracking. Optical tracking uses an external stereo camera measurement system that measures an array of reflector spheres and determines a position of the instruments or patient. A disadvantage of this variant is that only a limited patient access of the medical staff in the operating room is possible in order not to cross a camera directive and thus to disturb the recording (so-called line-of-sight problem). In addition, high investment costs for the purchase of such a system and ongoing costs for the required disposable reflector balls must be taken into account. Moreover, each instrument in the operating room is assigned a unique array of reflector spheres that must be calibrated and specified.
Das elektromagnetische Instrumententracking nutzt ein mit einem Feldgenerator erzeugtes Magnetfeld zur Messung einer Lage einer Sensorspule am Instrument bzw. in einem Operationsgebiet. Diese Spule ermöglicht es, Aufschluss über die Position und Orientierung des Instruments zu erhalten. Wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist eine hohe Ungenauigkeit und Störempfindlichkeit gegenüber elektrisch leitfähigen oder ferromagnetischen Materialien.The electromagnetic instrument tracking uses a magnetic field generated by a field generator for measuring a position of a sensor coil on the instrument or in an operating area. This coil makes it possible to obtain information about the position and orientation of the instrument. The main disadvantage of this method is a high degree of inaccuracy and susceptibility to interference with electrically conductive or ferromagnetic materials.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, die die genannten Nachteile vermeiden, mit denen also mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit eine Lage eines zu untersuchenden Objekts bestimmt werden kann.The present invention is therefore based on the object to develop a method and an arrangement which avoid the disadvantages mentioned, with which therefore a position of an object to be examined can be determined with high accuracy and reliability.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Anordnung nach Anspruch 7 und ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a method according to claim 1, an arrangement according to
Ein Verfahren zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objekts, an dem ortsfest ein Marker mit einer optisch auslesbaren Struktur angeordnet ist, die zumindest Abmessungen und bzw. oder eine Größe des Markers codiert kennzeichnet, umfasst mehrere Schritte. In einem der Schritte erfolgt ein optisches Aufnehmen mindestens eines Einzelbilds des zu untersuchenden Objekts mit einer optischen Aufnahmeeinheit und ein Übermitteln des mindestens einen Einzelbilds an eine Auswerteeinheit. Nachfolgend wird in dem mindestens einen Einzelbild eine Markerlokalisation durchgeführt. In einem weiteren Schritt wird durch die Auswerteeinheit ein Bildausschnitt in dem mindestens einen Einzelbild festgelegt, in dem sich der Marker befindet. Es wird eine Markerdetektion durch die Auswerteeinheit durchgeführt, bei der die an dem oder auf dem Marker angeordnete Struktur erfasst wird. Schließlich wird die bei der Markerdetektion erfasste Struktur verarbeitet, wobei zumindest eine Position und bzw. oder eine Orientierung des Markers in Bezug zu der optischen Aufnahmeeinheit aus den Abmessungen oder der Größe des erfassten Markers und bzw. oder der erfassten Struktur in dem mindestens einen Einzelbild durch die Auswerteeinheit ermittelt und in der Auswerteeinheit gespeichert werden und bzw. oder auf einer Ausgabeeinheit dargestellt werden. Die Abmessungen und bzw. oder die Größe des erfassten Markers bzw. der erfassten Struktur sind hierbei durch die optisch auslesbare Struktur codiert, d. h. insbesondere in der Struktur durch Zeichen enthalten.A method for detecting the position of an object to be examined, on which a marker with an optically readable structure is fixed, which identifies at least dimensions and / or a size of the marker encoded, comprises a plurality of steps. In one of the steps, an optical recording of at least one individual image of the object to be examined is carried out with an optical recording unit and a transmission of the at least one individual image to an evaluation unit. Subsequently, a marker localization is performed in the at least one frame. In a further step, an image section in the at least one single image in which the marker is located is determined by the evaluation unit. A marker detection is performed by the evaluation unit, in which the structure arranged on or on the marker is detected. Finally, the structure detected in the marker detection is processed, wherein at least one position and / or orientation of the marker with respect to the optical acquisition unit from the dimensions or the size of the detected marker and / or the detected structure in the at least one single image the evaluation unit is determined and stored in the evaluation unit and / or displayed on an output unit. The dimensions and / or the size of the detected marker or the detected structure are in this case coded by the optically readable structure, i. H. especially in the structure by signs.
Dadurch, dass der Marker ortsfest an dem zu untersuchenden Objekt angebracht ist und mit der optisch auslesbaren Struktur versehen ist, können Informationen in der optisch auslesbaren Struktur codiert sein, die das zu untersuchende Objekt näher beschreiben und zu einer Lageerfassung herangezogen werden können. Durch die ortsfeste Befestigung kann aus einer Lageänderung des Markers auch auf eine Lageänderung des zu untersuchenden Objekts geschlossen werden. Dies ist umso einfacher möglich, da die Abmessungen bzw. die Größe des Markers durch die Struktur des Markers nach der Aufnahme bereits bekannt sind und im Rahmen des Verarbeitens der bei der Markerdetektion erfassten Struktur auch mit einer bei der Markerdetektion bestimmten Größe in Beziehung gesetzt werden kann. Da eine optische Aufnahmetechnik Anwendung findet, ist mit hinreichend hoher Genauigkeit durch die bereits bekannte Größe des Markers von der Aufnahmeeinheit zuverlässig die Position und die Orientierung berechenbar. Die Markerlokalisation dient hierbei zunächst dem Erfassen des Markers in dem jeweiligen Einzelbild, wohingegen bei der Markerdetektion die gewünschten Informationen erfasst werden. Während die Markerlokalisation somit vergleichsweise geringe Genauigkeitsanforderungen hat, soll der Marker erst bei der Markerdetektion mit erhöhter Genauigkeit bestimmbar sein. Durch das Ausgeben der durch das Verfahren erlangten Informationen über das zu untersuchende Objekt auf der Ausgabeeinheit kann auch ein Benutzer diese Informationen wahrnehmen. Die genannten Schritte müssen nicht alle in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, insbesondere kann bereits vor dem Durchführen der Markerdetektion aus der Größe des Markers eine Positionsbestimmung bzw. Orientierungsbestimmung durchgeführt werden.Characterized in that the marker is fixedly attached to the object to be examined and provided with the optically readable structure, information in the optically readable structure can be encoded, which describe the object to be examined in more detail and can be used for a position detection. Due to the fixed attachment can be concluded from a change in position of the marker on a change in position of the object to be examined. This is all the more easily possible, since the dimensions or the size of the marker are already known by the structure of the marker after the recording and can also be correlated with a determined in the marker detection size in the context of processing the detected during the marker detection structure , Since an optical recording technique is used, the position and the orientation can be reliably calculated with a sufficiently high accuracy by the already known size of the marker from the recording unit. In this case, the marker localization initially serves to detect the marker in the respective individual image, whereas the desired information is detected during the marker detection. While the marker localization thus has comparatively low accuracy requirements, the marker should be determinable only with the marker detection with increased accuracy. By outputting the information on the object to be examined obtained by the method on the output unit, a user can also perceive this information. The above steps do not all have to be done in the given order In particular, a position determination or orientation determination can already be carried out before the marker detection is carried out from the size of the marker.
Vorzugsweise ist durch die Struktur des Markers eine Größe, eine Bezeichnung, ein Typ und bzw. oder eine Form des zu untersuchenden Objekts gekennzeichnet. Diese Informationen dienen einer genaueren Erfassung des jeweiligen Objekts, insbesondere falls mehrere zu untersuchende Objekte mit jeweils daran angeordneten Markern verwendet werden. Es kann aber auch eine Transformation von einem Schwerpunkt des Markers oder des zu untersuchenden Objekts zu einem vorab festgelegten Punkt in der Struktur des Markers codiert sein. Auch bislang unbekannte zu untersuchende Objekte, beispielsweise bislang nicht verwendete Instrumente können so schnell mit ihren Eigenschaften erfasst und verwendet werden. Das Verfahren kann somit schneller und zuverlässiger als vergleichbare Verfahren zur Lageerfassung durchgeführt werden.Preferably, the structure of the marker indicates a size, a name, a type and / or a shape of the object to be examined. This information is used for a more accurate detection of the respective object, in particular if several objects to be examined are used, each with markers arranged thereon. However, a transformation from a centroid of the marker or of the object to be examined to a predetermined point in the structure of the marker may also be coded. Even previously unknown objects to be examined, for example, previously unused instruments can be detected and used so quickly with their properties. The method can thus be carried out faster and more reliably than comparable methods for position detection.
Es kann vorgesehen sein, dass von der Auswerteeinheit der Abstand zwischen dem Marker und der optischen Aufnahmeeinheit bestimmt wird, um zusätzliche Informationen über die Anordnung des Markers in einem von der optischen Aufnahmeeinheit erfassten Raumbereich zu erhalten.It can be provided that the distance between the marker and the optical recording unit is determined by the evaluation unit in order to obtain additional information about the arrangement of the marker in a spatial area detected by the optical recording unit.
Typischerweise ist die Struktur des Markers durch einen Strichcode, einen QR-Code (Quick Response-Code), mindestens eine Kante und bzw. oder kreisförmige Strukturen mit mindestens zwei Farben gebildet. Die genannten Strukturen sind optisch einfach und eindeutig zu erfassen und bieten auf relativ kleinem Raum eine verhältnismäßig große Informationsdichte. Alternativ oder zusätzlich kann die Struktur des Markers die Informationen auch in beliebiger verschlüsselter Form enthalten, so dass die Auswerteeinheit nur bei bekanntem, in der Aufnahmeeinheit hinterlegten Schlüssel zum Entschlüsseln auf die Informationen zugreifen kann.Typically, the structure of the marker is formed by a bar code, a QR code (quick response code), at least one edge, and / or circular structures having at least two colors. The structures mentioned are optically simple and unambiguous to capture and offer a relatively large amount of information in a relatively small space. Alternatively or additionally, the structure of the marker may also contain the information in any desired encrypted form, so that the evaluation unit can access the information only if the key stored in the recording unit is known to decrypt.
In einer Ausführungsform wird vor dem optischen Aufnehmen des mindestens einen Einzelbilds eine Kalibrierung der Aufnahmeeinheit durchgeführt, um eine ordnungsgemäße Funktionsweise der Aufnahmeeinheit zu gewährleisten.In one embodiment, prior to the optical recording of the at least one individual image, a calibration of the recording unit is carried out in order to ensure a proper functioning of the recording unit.
Es kann auch vorgesehen sein, mehrere Einzelbilder zeitlich nacheinander aufzunehmen und in jedem der Einzelbilder den Marker und die Struktur wie beschrieben zu erfassen.It can also be provided to record a plurality of individual images one after the other and to record the marker and the structure in each of the individual images as described.
Typischerweise wird von der Auswerteeinheit beim Verarbeiten der Strukturen eine Transformation zwischen dem Marker und der optischen Aufnahmeeinheit in dem mindestens einen Einzelbild ermittelt, um die Position des Markers und die Orientierung des Marker zu bestimmen und bzw. oder zu überprüfen. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine Homographie-Transformation, also eine Transformation zwischen zwei Ebenen, die bei der vorliegenden Erfindung typischerweise durch den flachen Marker und eine ebenfalls typischerweise flache Aufnahmeebene der optischen Aufnahmeeinheit, beispielsweise einen Kamerachip, gegeben sind.Typically, during processing of the structures, the evaluation unit determines a transformation between the marker and the optical acquisition unit in the at least one single image in order to determine and / or check the position of the marker and the orientation of the marker. This is preferably done by a homography transformation, ie a transformation between two planes, which in the present invention are typically given by the flat marker and a likewise typically flat recording plane of the optical recording unit, for example a camera chip.
In einer Ausführungsform kann eine nicht-lineare Optimierung von der Auswerteeinheit beim Verarbeiten der Struktur durchgeführt werden, um Rückprojektionsfehler zu vermeiden.In one embodiment, non-linear optimization may be performed by the evaluation unit in processing the structure to avoid backprojection errors.
Eine Anordnung zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objekts, an dem ortsfest ein Marker mit einer optisch auslesbaren Struktur angeordnet ist, weist eine optische Aufnahmeeinheit und eine Auswerteeinheit auf. Die Anordnung ist dazu eingerichtet, das beschriebene Verfahren durchzuführen. Das zuvor beschriebene Verfahren kann dementsprechend dazu ausgelegt sein, auf der Anordnung ausgeführt zu werden.An arrangement for detecting the position of an object to be examined, to which a marker with an optically readable structure is fixed, has an optical recording unit and an evaluation unit. The arrangement is adapted to carry out the described method. Accordingly, the method described above may be configured to be carried out on the assembly.
Typischerweise ist die Anordnung Teil einer Ausstattung eines Operationssaals, das Verfahren wird somit also auch in dem Operationssaal durchgeführt.Typically, the arrangement is part of an equipment of an operating room, the method is thus also carried out in the operating room.
Es kann vorgesehen sein, dass die optische Aufnahmeeinheit an einer Lichtquelle des Operationssaals angeordnet ist. Da die Lichtquelle meist ohnehin in dem Operationssaal vorhanden ist, kann die Anordnung platzsparend in dieses Gerät integriert werden. Typischerweise ist auch die Auswerteeinheit in diese Lichtquelle integriert.It may be provided that the optical recording unit is arranged on a light source of the operating room. Since the light source is usually present anyway in the operating room, the arrangement can be integrated to save space in this device. Typically, the evaluation unit is integrated into this light source.
Alternativ oder zusätzlich kann die optische Aufnahmeeinheit als eine Stereokamera ausgebildet sein, um eine Genauigkeit und Robustheit der Markerdetektion zu erhöhen. Unter einer Stereokamera soll hierbei insbesondere eine Kamera mit zwei Linsen und zwei bildgebenden Elementen verstanden werden, die in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind. Die optische Aufnahmeeinheit kann aber auch zwei einzelne Kameras in separaten Gehäusen oder mehr als zwei einzelne Kameras in einem Gehäuse oder jeweils in einzelnen Gehäusen aufweisen.Alternatively or additionally, the optical recording unit can be designed as a stereo camera in order to increase the accuracy and robustness of the marker detection. A stereo camera is to be understood here in particular as a camera with two lenses and two imaging elements, which are arranged in a single housing. The optical recording unit can also have two individual cameras in separate housings or more than two individual cameras in a housing or in individual housings.
Ein Computerprogrammprodukt weist eine auf einem maschinenlesbaren Träger, vorzugsweise einem digitalen Speichermedium, gespeicherte Befehlsfolge zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens und bzw. oder zum Ansteuern der beschriebenen Anordnung auf, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer elektronischen Recheneinheit abläuft. Vorzugsweise kann das Computerprogrammprodukt direkt in einen internen Speicher der elektronischen Recheneinheit geladen werden oder ist in diesem bereits gespeichert und umfasst typischerweise Teile eines Programmcodes zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens oder zum Ansteuern der beschriebenen Vorrichtung, wenn das Computerprogrammprodukt auf der elektronischen Recheneinheit abläuft bzw. ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann auch ein Computerprogramm umfassen, das Softwaremittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens und bzw. oder zum Ansteuern der beschriebenen Vorrichtung aufweist, wenn das Computerprogramm in einem Automatisierungssystem oder auf der Recheneinheit ausgeführt wird.A computer program product has a command sequence stored on a machine-readable carrier, preferably a digital storage medium, for performing the described method and / or for actuating the described arrangement when the computer program product runs on an electronic processing unit. Preferably, the computer program product can be loaded directly into an internal memory of the electronic processing unit or is already stored therein and includes typically parts of a program code for performing the described method or for driving the described device when the computer program product is executed on the electronic processing unit. The computer program product may also comprise a computer program which has software means for carrying out the described method and / or for driving the described device when the computer program is executed in an automation system or on the arithmetic unit.
Als elektronische Recheneinheit kann hierbei auch die Auswerteeinheit dienen.As an electronic processing unit can also serve the evaluation.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der
Es zeigen:Show it:
In
An dem Instrument
Oberhalb des Patienten
Diese Anordnung dient einer Durchführung eines Verfahrens zur Instrumentennavigation, das mit Hilfe der in die OP-Lampe
Aus einer Projektion der als Flächenmarker gestalteten Markerstrukturen
Durch eine Integration in bereits in dem Operationssaal vorhandene Ausstattung ergibt sich eine Zeit- und Kastenersparnis und eine Verminderung einer ”Eine-of-Sight”-Problematik durch die Positionierung einer Messkamera über dem Operationsgebiet und einem intuitiven Freilassen eines Sichtfelds der Kamera
Als Beispiel für die Markerstruktur
Videobilddaten der in der OP-Lampe
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens ist in
Die Markernavigation kann mit beliebig vielen Kameras
Ein entsprechendes Verfahrensablaufdiagramm beim Benutzen zweier Kameras
Die Auswerteeinheit
Nachfolgend erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine grobe Markerlokalisation
Der dargestellte QR-Code ergibt ausgelesen ”id = 1001 size = 54 mm Fraunhofer” und bezeichnet eine Identifikationsnummer des Instruments, an dem der Marker
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.Only features disclosed in the embodiments of the various embodiments can be combined and claimed individually.
Claims (10)
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