DE3114918A1

DE3114918A1 - Verfahren und vorrichtung zur videooptischen lagebestimmung und positionierung eines starren koerpers im raum

Info

Publication number: DE3114918A1
Application number: DE19813114918
Authority: DE
Inventors: W. Dr. 2863 Ritterhude Jüptner; R. Dipl.-Ing. 2800 Bremen Kellner
Original assignee: BROCKMANN W DR; GESELLSCHAFT fur PHYSIKALISCHE TECHNIK MBH
Current assignee: BROCKMANN W DR; GESELLSCHAFT fur PHYSIKALISCHE TECHNIK MBH
Priority date: 1981-04-13
Filing date: 1981-04-13
Publication date: 1983-02-03

Description

Verfahren und Vorrichtung pur videooptischen
Lagebestimmung und Positionierung eines starren Körpers im Raum Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur quantitativen Lagebestimmung eines starren Körpers im Raum in allen drei Translations - sowie allen drei Rotationsfreiheitsgraden mit Hilfe von videooptischen Verfahren und digitalen Rechenmethoden, insbesondere zur Lokalisation und Positionierung von Ultraschallköpfen in der medizinischen Ultraschalldiagnostik.
In der Medizin bedient man sich in zunehmendem Maße der Ultraschalltechnik zur Untersuchung von Veränderungen der inneren Organe, z.B. durch Karzinome, Wucherungen, Geschwüre u.a.
Dabei ist es ein bisher ungelöstes Problem, die Lage des Ultraschallkopfes im Raum und bezüglich des Patienten zu bestimmen sowie zu dokumentieren mit dem Ziel, daß bei einer späteren Untersuchung der Meßkopf an die gleiche Stelle und in die gleiche Raumlage gebracht werden kann, so daß die Untersuchungen reproduzierbar und vergleichbar werden. Nur so läßt sich mit genügender Sicherheit das zeitliche und örtliche Wachstum oder Verschwinden einer krankhaften Veränderung des untersuchten Organs mit Hilfe der Ultraschalltechnik erkennen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen starren Körper, im genannten Anwendungsfall den Ultraschallmeßkopf, in seiner Raumlage zu erkennen, quantitativ auszuwerten, das Ergebnis zu dokumentieren und einen gleichartigen Körper nach diesen Angaben in die gleiche Lage zu bringen.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch Verwendung einer Fernsehkamera, die den Körper mit darauf angebrachten Markierungspunkten aufnimmt. Im digitalisierten Fernsehbild wird die Lage der Markierungspunkte bestimmt und aus deren Lage im Fernsehbild die Lage des starren Körpers im Raum mit Hilfe digitaler Rechenoperationen ermittelt. Die Zahlenwerte der ermittelten Translationen und Rotationen werden sodann zur Dokumentation an ein Langzeitspeichermedium übergeben.
Um denselben oder einen gleichartigen Körper wieder in die gleiche Lage zu bringen, wird dieselbe Vorrichtung benutzt, wobei jetzt die augenblickliche Lage des starren Körpers mit der gespeicherten oder eingegebenen Lage verglichen wird und über entsprechende Rückmeldungen das Nachführen in die Sollage des Körpers steuert.
Um die Lage des starren Körpers im Raum in seinen drei Translationsfreiheitsgraden tx, ty, t und seinen drei Rotationsfreiheitsgraden a, ß, y in einem raumfesten Koordinatensystem zu bestimmen,Fig. 1, werden eine Anzahl von Markierungen an dem Körper angebracht. Die Markierungspunkte zeichnen sich dadurch aus, daß sie im digitalisierten Videobild zuverlässig und mit einfachen Operationen zu finden sind. Es eignen sich somit Markierungen aus reflektierender Farbe oder Folie, die während der Messung von einer Lichtquelle angestrahlt werden.
Die Positionierung der Markierungspunkte auf dem Körper wird dadurch bestimmt, daß sie während aller im Meßbereich liegenden Bewegungen des Körpers voll im Bildfeld der Kamera liegen müssen. Darüberhinaus wird durch eine angepaßte Positionierung das zur quantitativen Auswertung notwendige Rechenverfahren erleichtert, sowie die Anzahl der Markierungspunkte klein gehalten. Eine geringe Anzahl von Markierungspunkten kommt ihrer Unterscheidung im digitalisierten Bild zugute, so können sie nur aufgrund ihrer Lage unterschieden werden und benötigen keine weiteren Unterscheidungsmerkmale wie Form oder Helligkeit.
Bei einer geeigneten Positionierung kommt man mit drei Markierungspunkten aus, Fig. 2, nur bei stark strukturierten Körperoberflächen müssen mehr Markierungen benutzt werden.
Als berührungsloses Aufnahmesystem dient entweder eine herkömmliche SW-Videokamera, deren Videosignal in einzelne Graustufen quantisiert sowie in einzelne Bildpunkte digitalisiert wird oder eine Dioden-Array-Kamera, die ihrerseits unmittelbar digitale Werte liefert.
Aus dem digitalisierten Bild werden die Koordinaten der abgebildeten Markierungspunkte bestimmt. Bei ausreichendem Kontrast geschieht das vermittels Schwellwertoperationen. Die Koordinaten einer Markierung sind dann gegeben durch die Ordnungsnummern der Zeile und der Spalte, in denen der zentrale Bildpunkt der Markierung liegt.
Aus den Koordinatenwerten der abgebildeten Markierungen und der Kenntnis ihrer Lage auf dem starren Körper lassen sich die gesuchten Freiheitsgrade des Körpers bezüglich eines kamerafesten Koordinatensystems bestimmen. Die bei der Rechnung benötigten Größen sind dabei: - die Anzahl der Bildpunkte pro Zeile und Spalte'im digitalisierten Bild - Der Kameraöffnungswinkel - die Koordinaten der Markierungen im digitalisierten Bild - die Abstände der Markierungen untereinander auf dem starren Körper.
Mit den Informationen über die Lage der Kamera im Raum kann man nun die Lage des Körpers aus dem kamerafesten in ein absolutes raumfestes Koordinatensystem transformieren. Die mathematischen Berechnungen können mit einem integrierten Mikroprozessorsystem oder einem integrierten Kleinrechner vorgenommen werden.
Zu Dokumentationszwecken werden die berechneten Werte, die quantitativ für jeden Freiheitsgrad die Abweichung von der Nullage ongeben, über einen Drucker, eine Magnetband-, eine Floppy-Disk-oder andere Speichereinheit ausgegeben.
Um den starren Körper in eine bestimmte Lage zu positionieren, wird die Sollage entweder per Hand oder direkt vom Speichermedium in die Recheneinheit eingelesen, welche nun in Umkehrung des oben beschriebenen Algorithmus die Sollage der Markierungspunkte im digitalisierten Bild berechnet und die augenblickliche Lage des Körpers und seiner Markierungen mit diesen Sollwerten vergleicht. Das Ergebnis dieses Vergleichs liefert Daten und Informationen, welche zur Nachführung des Körpers bis zu seiner Sollage herangezogen werden.
Die Anwendung der Erfindung gestattet es, die Lage von Ultraschallmeßköpfen in der medizinischen Diagnostik eindeutig zu erkennen, zu bestimmen und zu dokumentieren, sowie einen gleichartig markierten Ultraschallkopf in die gleiche Lage zu bringen und erlaubt so eine zuverlässigere, umfangreichere, vergleichbare Ergebnisse liefernde und reproduzierbare Anwendung der Ultraschalltechnik zu Diagnose zwecken.
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Claims

Patentansprüche W Verwendung von videooptischen und digitalen Methoden zur Lagebestimmung eines starren Körpers im Raum, insbesondere zur Lagebestimmung von Ultraschallköpfen in der medizinischen Diagnostik, wobei im digitalisierten Bild ausgewertet wird.
2. Verfahren zur Lagebestimmung eines starren Körpers, insbesondere eines Ultraschallkopfes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf diesem Körper angebrachte Markierungen videooptisch erfaßt und ihre Lage im digitalisierten Bild rechnerisch ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf dem Körper angebrachten Markierungen gleichartig sein können, d.h. in ihrer Form oder Helligkeit nicht unterscheidbar sein müssen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Positionierung eines gleichartig markierten Körpers in eine vorgegebene Lage mit dem gleichen System ermöglicht wird.