WO2011107392A1 - Endoskopkapsel zum erfassen der dreidimensionalen struktur der innenoberfläche eines körperhohlraums - Google Patents

Endoskopkapsel zum erfassen der dreidimensionalen struktur der innenoberfläche eines körperhohlraums Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for acquiring information about the three-dimensional structure of the inner surface of a body cavity of a patient with an endoscopic capsule inserted into the body cavity.
  • the invention also relates to an endoscope capsule suitable for carrying out the method.
  • a stereoscopic view would in principle be possible if two video cameras could be used in the endoscope capsule.
  • an endoscopy device in which the endoscope capsule contains two video cameras is known from DE 103 23 216 B3, these are arranged on opposite end sides of the endoscope capsule.
  • a binocular viewing is thus, despite the presence of two video cameras not mög ⁇ Lich, since their image fields do not overlap in a way that stereoscopic viewing is present.
  • a stereoscopic imaging with two spaced-apart video cameras whose image fields overlay but due to the small physical dimensions of an endoscope capsule only limited possible.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for acquiring information about the three-dimensional structure of the inner surface of a body cavity of a patient, which can be performed even with limited structural conditions with an inserted into the body cavity endoscope capsule.
  • the invention has for its object to provide a means for performing the method.
  • a first portion of the inner surface of the body cavity is illuminated with at least one arranged in the Endoskopkap ⁇ sel light source.
  • an image of a second subarea illuminated by the first subarea and of which the third subdivision is known is recorded.
  • intensity values of information on the three-dimensional structure of the first portion will now extractlei ⁇ tet.
  • a device suitable for carrying out the method endoscope capsule includes a plurality of light sources and at least one Ka ra ⁇ whose field is outside the illuminated by the light sources space area.
  • the endoscope capsule also contains a magnet device , with which it is possible to magnetically maneuver the endoscope capsule by applying an external magnetic field.
  • the device comprises an endoscope capsule 4 introduced into a body cavity 2, for example the stomach of a patient, which can be freely maneuvered within the body cavity 2 filled with a fluid 6.
  • the endoscope capsule 4 comprises for this purpose a in the figure, only specific ⁇ matically indicated bar magnet 8.
  • the control of the motion and orientation of the endoscope capsule 4 is performed contactless ⁇ going through a magnetic field H generated by an element located outside the Pati ⁇ ducks magnet system 10 ,
  • each 3 At the mutually opposite end faces 12 and 14 of the endoscope capsule 4 are each a camera 18 and depending ⁇ Weil a plurality of light sources 16 are arranged, of which two are schematically illustrated in the figure.
  • the light emitted by the light sources 16 arranged on one side differs in terms of its spectral composition.
  • each 3 Preferably, each 3
  • Light sources 16 are provided which emit red, green or blue light.
  • the images taken by the cameras 18 are transmitted by radio to an external evaluation device 20. averages, processed there and output after reconstruction of dreidi ⁇ dimensional structure of the inner surface of the body cavity 2 on a monitor 22.
  • This figure also shows an input device 24 is illustrated in the form of a keyboard, with which it is possible Steuerbe ⁇ missing to generate, with the light sources 16 and cameras 18 of the endoscope capsule 4 and the movements of the endoscope capsule 4 are controlled.
  • the figure shows a situation in which one of the light sources 16 arranged on the front side 12 emits light, for example a light pulse, and in this way illuminates a first subregion 30 of the inner surface of the body cavity 2.
  • the emittier ⁇ te from the light source 16 light beam 32 is ⁇ flexes from the first portion 30 of diffusely, and in all directions reflectors ⁇ oriented in this way, light 34 incident on the the portion 30 opposite the inner surface of the body cavity 2, so that this indirectly is illuminated.
  • the invention proceeds from the consideration that the intensity of light reflected from the first portion 30 of light is perpendicular to the surface, i.e. parallel to each ⁇ bib surface normal 38th Therefore, the Intensticiansver ⁇ distribution of the captured from the opposite camera 18 image the second portion 36 allows for up-circuit of the spatial structure of the first portion 30 because the intensity of light incident on the second portion 36 light changes depending on the distance.
  • a three-dimensional reconstruction of the structure of the first portion 30 is possible when the three-dimensional
  • Structure of the second portion has been determined with known devisge ⁇ winning method.
  • This Strukturer- averaging can be performed for example using a method known as' structure from motion "method in which the capsule endoscope 4 is at a distance above the surface ge ⁇ leads and images are taken in succession. By assigning pixels successively recorded images to the same object point, the respective distance between the camera and object point calculation ⁇ net and thus the structure of the surface of the object can be rekon ⁇ struiert by triangulation.
  • a plurality of light sources 16 are disposed in the capsule endoscope 4 on each side, which differ in respect ⁇ Lich their spectral composition. If these are actuated successively in time, additional information about the spectral albedo values of the first subarea 30 can be determined if the local spectral albedo values of the second subarea 36 are known accordingly.

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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

Beschreibung
ENDOSKOPKAPSEL ZUM ERFASSEN DER DREIDIMENSIONALEN STRUKTUR DER INNENOBERFLÄCHE
EINES KÖRPERHOHLRAUMS
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 Endo- skopkapsel. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Endoskopkapsel .
Zur optischen Untersuchung der Innenoberfläche eines Körper- hohlraums, beispielsweise des Magen-Darm-Traktes eines Pati¬ enten, ist es grundsätzlich bekannt, über Körperöffnungen starre oder biegsame Endoskope einzuführen, die mechanisch durch die Hand des Chirurgen gesteuert werden und eine direk¬ te Beobachtung des Körperhohlraumes ermöglichen.
Alternativ zu derartigen manuell gesteuerten Endoskopen ist es beispielsweise aus der US 2006/0 209 185 AI, der US 2005/0 124 858 AI und der DE 101 42 253 Cl bekannt, in den Körperhohlraum eine Endoskopkapsel einzuführen, die ohne feste Ver- bindung nach außen aus dem Körperhohlraum mit einer an einer ihrer Stirnseiten angeordneten Videokamera ein Bild der im Gesichtsfeld der Videokamera befindlichen Innenoberfläche des Körperhohlraums aufnehmen, wobei die aus der DE 101 42 253 Cl bekannte Endoskopkapsel außerdem im Körperhohlraum frei ma- növrierbar ist.
Durch die in der bekannten Endoskopkapsel verwendete monoku¬ lare Optik ist die Raumwahrnehmung stark eingeschränkt, und beruht lediglich auf Erfahrungswerten, indem der Chirurg Hel- ligkeit und Farbton im Videobild aufgrund seines anatomischen Wissens interpretiert und daraus räumliche Informationen ab¬ leitet . 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 23 216 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 mög¬ lich, 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 Überlager 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 Erfin¬ dung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird zumindest mit einer in der Endoskopkap¬ sel angeordneten Lichtquelle ein erster Teilbereich der Innenoberfläche des 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 vor- liegenden Intensitätswerte werden nun Informationen über die dreidimensionale Struktur des ersten Teilbereiches abgelei¬ tet . 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 Bildfel¬ des 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 ge- genüberliegende Innenoberfläche mit maximaler Intensität be¬ leuchtet 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 ange¬ gebenen Merkmalen entsprechen. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Endoskopkapsel enthält eine Mehrzahl von Lichtquellen und zumindest eine Ka¬ mera, deren Gesichtsfeld außerhalb des von den Lichtquellen beleuchteten Raumgebietes liegt. In einer bevorzugten Ausfüh- rungsform enthält die Endoskopkapsel außerdem eine Magnetein¬ richtung, 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 Fig. 1 umfasst die Einrichtung eine in einen Körper- hohlraum 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 sche¬ matisch angedeuteten Stabmagneten 8. Die Steuerung der Bewe- gung und Ausrichtung der Endoskopkapsel 4 erfolgt berührungs¬ los durch ein Magnetfeld H, das von einem außerhalb des Pati¬ enten angeordneten Magnetsystem 10 erzeugt wird.
An den aneinander gegenüberliegenden Stirnseiten 12 und 14 der Endoskopkapsel 4 sind jeweils eine Kamera 18 sowie je¬ weils 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 über- mittelt, dort verarbeitet und nach Rekonstruktion der dreidi¬ mensionalen 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, Steuerbe¬ fehle zu generieren, mit der die Lichtquellen 16 und Kameras 18 der Endoskopkapsel 4 sowie die Bewegungen der Endoskopkap- sel 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 Körper- hohlraumes 2 beleuchtet. Das von der Lichtquelle 16 emittier¬ te Lichtbündel 32 wird vom ersten Teilbereich 30 diffus re¬ flektiert, und das auf diese Weise in alle Richtungen reflek¬ tierte 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 je¬ weiligen Oberflächennormale 38 erfolgt. Die Intensitätsver¬ teilung des von der gegenüberliegenden Kamera 18 aufgenommenen Bildes des zweiten Teilbereiches 36 lässt daher Auf- schluss 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 strukturge¬ winnenden Verfahren ermittelt worden ist. Diese Strukturer- mittlung kann beispielsweise mit einem als "structure from motion" bezeichnetes Verfahren durchgeführt werden, bei dem die Endoskopkapsel 4 in einem Abstand über die Oberfläche ge¬ führt 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 berech¬ net und damit die Struktur der Oberfläche des Objekts rekon¬ struiert werden. Im Ausführungsbeispiel sind in der Endoskopkapsel 4 auf jeder Seite mehrere Lichtquellen 16 angeordnet, die sich hinsicht¬ lich ihrer spektralen Zusammensetzung unterscheiden. Werden diese zeitlich nacheinander angesteuert, können zusätzlich Informationen über die spektrale Albedowerte des ersten Teil- bereiches 30 ermittelt werden, wenn entsprechend die lokalen spektralen Albedowerte des zweiten Teilbereiches 36 bekannt sind .

Claims

Patentansprüche
1. 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 zumin¬ dest einer in der Endoskopkapsel (4) angeordneten Lichtquelle (16) beleuchtet wird und mit zumindest einer in der Endoskop- kapsei (4) angeordneten Kamera (18) ein Bild eines vom ersten Teilbereich (30) beleuchteten, von diesem verschiedenen zweiten Teilbereiches (36) aufgenommen wird, dessen dreidimensio¬ nale Struktur bekannt ist, und bei dem anhand der in diesem Bild vorliegenden Intensitätswerte Informationen über die dreidimensionale Struktur des ersten Teilbereiches (30) abge¬ leitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine frei im Körperhohlraum manövrierbare Endoskopkapsel verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich einander gegenüberliegen.
4. 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 Teilberei¬ ches aufgenommen und ausgewertet wird.
5. 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 zumin¬ dest 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.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, bei der die Endoskopkapsel frei im Körperhohlraum manövrierbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, mit einer Mehrzahl von in der Endoskopkapsel angeordneten steuerbaren Lichtquellen, die Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung emit- tieren .
8. Endoskopkapsel mit einer Mehrzahl von steuerbaren Lichtquellen, die Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung emittieren und mit zumindest einer Kamera, deren Ge¬ sichtsfeld außerhalb des von den Lichtquellen beleuchten Raumgebietes liegt.
9. Endoskopkapsel nach Anspruch 8, mit einer Magneteinrichtung zum magnetischen Manövrieren der Endoskopkapsel.
10. Endoskopkapsel nach Anspruch 8 oder 9, mit einander gege¬ nüberliegenden Stirnflächen, an denen die Lichtquellen und die zumindest eine Kamera einander gegenüberliegend angeord¬ net sind.
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