DE19511978C2

DE19511978C2 - Endoskopisches Verfahren zur Messung von Längen bzw. Abständen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19511978C2
Application number: DE1995111978
Authority: DE
Inventors: Meinolf Austermeier
Original assignee: Dip Digital Image Proc & GmbH; Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Dip Digital Image Proc & GmbH; Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 1995-04-02
Filing date: 1995-04-02
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2015-04-03
Also published as: DE19511978A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein endoskopisches Ver fahren zur Messung von Längen bzw. Abständen zwischen Punkten auf Elementen, wie gekrümmten Flächen in einem Hohlraum eines Körpers, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens.

Durch ein auf dem Markt befindliches Gerät der Firma Welsch-Allyn ist ein Verfahren zur Messung von Längen bzw. Abständen sowie eine entsprechende Vorrichtung bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren bzw. der ent sprechenden Vorrichtung wird ein flexibles Endoskop in einen Hohlraum eingesetzt. Durch das flexible Endoskop, bei dem es sich um eine Spezialausführung handelt, wird eine Schattenlinie auf das zu rekonstruierende Element projiziert. Ein Bildaufnahmesystem nimmt ein Bild des Elements mit der darauf projizierten, entsprechend der Topologie des Elements verzerrten Schattenlinie auf. Aus den Ausgangssignalen des Bildaufnahmesystems be stimmt eine Steuer- und Auswerteeinheit, bei der es sich beispielsweise um einen PC handeln kann, die Topo logie des Elements und ermittelt aus der Topologie die zu bestimmende Länge zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Elements.

Die bekannte Vorrichtung arbeitet - wie bereits darge legt - mit einem flexiblen Endoskop. In einer Reihe von Anwendungsfällen ist es jedoch erforderlich bzw. wün schenswert, sogenannte starre Endoskope zu verwenden, bei denen das von einem Objektiv aufgenommene Bild durch Relaislinsen-Sätze, die typischerweise Stablinsen aufweisen, zum proximalen Ende (weitergeleitet) wird, an dem sich der Bildaufnehmer des Bildaufnahmesystems befindet.

Aus der DE 37 38 667 A1 ist ein Verfahren zum Verarbeiten von endoskopischen Abbildern bekannt, das eine Korrektur von Bildverzerrungen vorsieht, die auf Abbil dungsfehlern der Optik des Endoskops beruhen. Das Korrekturverfahren ist auf Sei te 9 unter 2) Korrektur der Bildverzerrung beschrieben und anhand der Fig. 9 und 10 veranschaulicht. Das Verfahren sieht eine einmalige Eichung der Optik mit einem bekannten Muster vor, das am Aufnahmeort angeordnet ist.

Ein anderes Verfahren ist aus der GB 1 400 253 A bekannt. Die Dimension eines Gegenstandes wird hier nach der Schattenwurfmethode mit einem Laserstrahlscan ner gemessen. Bei diesem Verfahren hängt die Meßgenauigkeit von der Konstanz der Abtastgeschwindigkeit innerhalb des Meßfeldes ab. Fehler ergeben sich insbe sondere durch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten des Spiegelradablenkers durch die nichtlineare Funktion der Ablenkung des einfallenden Meßlichtstrahls bzgl. des Drehwinkels.

Optische Systeme haben immer eine gewisse Verzeichnung. Deshalb wird bei Systemen, die quantitativ messen sol len, die Verzeichnung bzw. Verzerrung nach der Fertig stellung einmal bestimmt. Die Steuer- und Auswerteein heit berücksichtigt dann diese einmal bestimmte Ver zeichnung.

Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß insbeson dere bei starren Endoskopen sich die Verzeichnung nach der Grundjustierung des Systems ändern kann. Die Ursa che hierfür ist, daß in starren Endoskopen die Relais linsensätze mit einem gewissen Spiel im Schutzrohr angeordnet sind, damit insbesondere die Stablinsen bei leichten Biegungen des Schutzrohrs, wie sie im tägli chen Einsatz immer wieder vorkommen, nicht brechen. Durch dieses Spiel der Linsen kann sich die Verzeich nung in nicht vorhersehbarer Weise ändern. Die Änderun gen der Verzeichnung können dabei so groß sein, daß sie einen nicht hinnehmbaren Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein endosko pisches Verfahren zur Messung von Längen bzw. Abständen zwischen Punkten auf Elementen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei dem die Verzeichnung des Gesamtsystems während einer Messung von Längen ermittelt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 bzw. 2 angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine Blende bekannter Form vorge sehen, die zumindest angenähert als Objektfeld-Blende wirkt. Die Objektfeld-Blende wird durch das Objektiv des Endoskops und das Relaislinsensystem auf den Bild aufnehmer, der beispielsweise ein CCD-Sensor sein kann, des Bildaufnahmesystems abgebildet. Aus dem Bild der Blende, das ja durch die aktuelle Verzeichnung des optischen Gesamtübertragungssystems "verformt" ist, kann die Steuer- und Auswerteeinheit die aktuelle Ver zeichnung ermitteln, und diese Verzeichnung für die Korrektur des jeweiligen Meßergebnisses berücksichti gen.

Die Blende kann dabei auf bzw. im Bereich des distalen Endfensters des Endoskops vorgesehen sein. Dabei ist es beispielsweise möglich, daß die Blende auf das distale Endfenster aufgedampft wird. Ferner kann die Blende bei einem Schrägblick-Endoskop im Strahlengang nach dem Umlenkprisma vorgesehen sein.

Bevorzugt hat die Blende die Form eines Kreisringes, dessen Durchmesser insbesondere so gewählt sein kann, daß die Blende nur in den "Ecken" des Bildaufnehmers "im Bild" zu sehen ist. Im Falle der Verwendung eines Kreisringes als Blende ist es von Vorteil, wenn durch Markierungen, wie Ausnehmungen oder Vorsprünge in einer oder mehreren Ecken die Zuordnung des Kreisringes zur Lage des Bildaufnehmers festgelegt wird.

Ferner kann wenigstens ein "Lichtpunkt", der durch eine mit Licht beaufschlagte Glasfaser bzw. ein Glasfaser bündel erzeugt wird, deren distales Ende in eine Aus nehmung in der Blende eingesetzt ist, eine Markierung bilden.

Die Erfindung hat des besonderen Vorteil, daß durch die fortlaufende Ermittlung der Verzeichnung des Gesamt systems es nicht erforderlich ist, Spezialendoskope zu verwenden, deren Verzeichnung durch einen aufwendigen Meßvorgang vor dem Einsatz ermittelt wird; vielmehr kann jedes vorhandene Endoskop zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Da herkömmliche Endoskope in der Regel nur ein Beleuch tungssystem, nicht jedoch ein zusätzliches Projektions system aufweisen, wird erfindungsgemäß das Endoskop in einem Schaft angeordnet, in dem das Projektionssystem vorgesehen ist. Das Projektionssystem kann dabei ein Glasfaserbündel aufweisen, das mit dem Licht einer externen Lichtquelle beaufschlagt wird. Da in der Regel "ungeordnete" Glasfaserbündel eingesetzt werden, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung am distalen Lichtaustritt ein Muster vorgesehen, dessen Form der Form des zu projizierenden Musters entspricht. Alter nativ kann das Projektionssystem als Fokussiersystem mit formgebender Blende ausgebildet ist.

Das Muster, bei dem es sich beispielsweise um ein Drei eck, ein Strichgitter oder dergleichen handelt, kann fortlaufend auf das Element, dessen Topologie bestimmt werden soll, projiziert werden. Die Steuer- und Aus werteeinheit muß dann mit bekannten Methoden der Bild verarbeitung und Bildauswertung das in der Regel "hell" projizierte Muster auf dem vom Beleuchtungs system des Endoskops beleuchteten Objektfeld suchen.

Unter Umständen kann es hierbei jedoch zu Verwechslun gen des projizierten Musters mit Strukturen des Ele ments kommen, dessen Topologie bestimmt werden soll. Deshalb kann bei einer weiteren Ausgestaltung der Er findung das Projektionssystem während der Aufnahme wenigstens eines Bildes das Muster projizieren, wobei die Beleuchtungseinrichtung des Endoskops das Objekt feld nicht beleuchtet; während der Aufnahme des oder der nächsten Bilder projiziert das Projektionssystem kein Muster; statt dessen beleuchtet die Beleuchtungs einrichtung das Objektfeld.

Bei den Bildern kann es sich um aufeinanderfolgende Vollbilder handeln. Im Falle der Verwendung eines CCD- Sensors als Bildaufnehmer, der zwei Halbbilder aufnimmt, ist es jedoch möglich, daß das Projektionssystem während der Aufnahme eines Halbbildes das Muster proji ziert, wobei die Beleuchtungseinrichtung des Endoskop das Objektfeld nicht beleuchtet. Während der Aufnahme des anderen Halbbildes projiziert dann das Projektions system kein Muster und die Beleuchtungseinrichtung beleuchtet das Objektfeld. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, daß nur die Beleuchtungseinrichtung des Endoskops beispielsweise mit einem schnellen Ver schluß "geschuttert" wird, während das projizierte Muster fortlaufend projiziert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner ein Bildspeicher vorgesehen sein, der die sequentiell auf genommenen Bilder sequentiell für die Bildweiterverar beitung speichert. Damit ist es beispielsweise möglich, daß die Steuer- und Auswerteeinheit die Konturen des projizierten Musters detektiert und dem Bild des Ob jekts überlagert.

Weiterhin kann die Steuer- und Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus den ermittelten Strecken Flächen berechnen.

Aufgrund der vorstehenden Beschreibung ist es einem auf dem einschlägigen Gebiet tätigen Fachmann möglich, die Erfindung auch ohne Darstellung eines Ausführungsbei spieles zu realisieren. Deshalb wird auf die Be schreibung eines Ausführungsbeispieles verzichtet.

Claims

1. Endoskopisches Verfahren zur Messung von Längen bzw. Abständen zwischen Punkten auf Elementen, wie gekrümmten Flächen in einem Hohlraum eines Körpers, bei dem
ein Endoskop, das in den Hohlraum eingesetzt wird,
ein Projektionssystem, das Muster auf das zu rekon struierende Element projiziert,
ein elektronisches Bildaufnahmesystem, das ein Bild des Elements aufnimmt, und
eine Steuer- und Auswerteeinheit verwendet werden, an die die Ausgangssignale des Bildaufnahmesystems angelegt sind, und die aus der Verzerrung des projizierten Musters die Topologie des Elements und anhand der ermittelten Topologie die zu messende Länge ermittelt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit aus dem Bild einer Blende bekannter Form, die zumindest angenähert als Objektfeld-Blende wirkt, die jeweilige Verzeichnung bzw. Verzeichnungsänderung des optischen Gesamtübertragungssystems bestimmt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit
einem Endoskop mit einer Beleuchtungseinrichtung für das Objektfeld,
einem elektronisches Bildaufnahmesystem, das das Bild des Endoskops aufnimmt,
einem Projektionssystem, das Muster auf das zu rekonstruierende Elements projiziert,
einer Steuer- und Auswerteeinheit, an die die Ausgangssignale des Bildaufnahmesystems angelegt sind, und die das Ausgangssignal des Bildaufnahmesystems auswertet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blende bekannter Form im Bereich des distalen Endfensters des Endoskops vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende auf dem distalen Endfenster vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endoskop ein an sich bekanntes Schrägblick-Endoskop ist, und daß die Blende im Strahlengang nach dem Umlenkprisma vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende die Form eines Kreisringes hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Markierungen am Kreisring in Form von Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen vorgese hen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein "Licht punkt", der durch eine mit Licht beaufschlagte Glas faser bzw. ein Glasfaserbündel erzeugt wird, deren distales Ende in eine Ausnehmung in der Blende einge setzt ist, eine Markierung bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionssystem in einem Schaft angeordnet ist, in das ein herkömmliches Endoskop eingesetzt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionssystem als Fokussiersystem mit formgebender Blende ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionssystem ein Glasfaserbündel aufweist, das mit dem Licht einer ex ternen Lichtquelle beaufschlagt wird, und daß am distalen Lichtaustritt ein Muster vorgesehen ist, dessen Form der Form des zu projizierenden Musters entspricht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionssystem wäh rend der Aufnahme wenigstens eines Bildes das Muster projiziert, wobei die Beleuchtungseinrichtung des Endoskops das Objektfeld nicht beleuchtet, und daß während der Aufnahme des oder der nächsten Bilder das Projektionssystem kein Muster projiziert, und die Beleuchtungseinrichtung das Objektfeld beleuchtet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bilder die auf einanderfolgenden Halbbilder eines CCD-Sensor des Bild aufnahmesystems sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bilder zwei auf einanderfolgende Vollbilder sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung synchron zur Aufnahme der beiden Bilder die Projek tionseinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung für das Objektfeld im Endoskop beaufschlagt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildspeicher vorgesehen ist, der die sequentiell aufgenommenen Bilder sequen tiell für die Bildweiterverarbeitung speichert.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit die Konturen des projizierten Musters detek tiert und dem Bild des Objekts überlagert.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit aus den ermittelten Strecken Flächen berechnet.