WO2011107393A1 - Verfahren und einrichtung zum erfassen von information über die dreidimensionale struktur der innenoberfläche eines körperhohlraums - Google Patents

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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 endoscope.
  • a 3D reconstruction of the body cavity is desirable both from a diagnostic point of view as well as for the control of the endoscope, in particular when the examination is performed with an endoscope capsule which can be freely maneuvered in the body cavity.
  • a stereoscopic view would in principle be possible if two video cameras could be used in the endoscope or in the endoscope capsule.
  • an endoscopy device in which the endoscope capsule contains two video cameras is known from DE 103 23 316 B3, these are arranged on opposite end sides of the endoscope capsule.
  • binocular Betrach ⁇ processing is thus, despite the presence of two video cameras are not possible because the image fields do not overlap in a way that stereoscopic viewing is present ⁇ .
  • the invention is therefore based on the object to provide 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.
  • the object of the invention is to specify a device for carrying out the method.
  • the above object is according to the invention solved by the features of claim 1.
  • the features of claim 1 is illuminated on or in the endoscope at ⁇ subsidiary light sources an area of the inner surface sequentially in time from different directions spaced at rest endoscope with increasing least three mutually and it is made up with a camera in each case an image of each ⁇ wells irradiated area from the same camera position, so that time for a plurality of object points of the area in succession for each of the object points in each of the three images respectively associated therewith pixels, the same image coordinates from which they are derived information in the respective images information on the three-dimensional structure of the area, ie a Re ⁇ construction of the 3D structure is performed.
  • the unit normal of belonging to each pixel object point are determined on the upper surface ⁇ from the pixel or intensity values of the individual pixels.
  • a prerequisite for this is that it is at least an clergy ⁇ approximately is in the to be reconstructed inside surface of a so-called Lambert emitter, in which the reflected intensity depends only on the angle composites f ⁇ normals at which the surface element is illuminated by a light source.
  • the unitary norms present in this way for each image or object point are transmitted to a so-called Gaussian sphere.
  • the point cloud resulting on the Gaussian sphere-each object point being assigned a standard normal vector and thus a point on the Gaussian sphere-then enables a reconstruction of the 3D shape of the inner surface reproduced in the image.
  • a simplification of the arithmetic effort is achieved if the light sources are arranged at the same distance from each other.
  • a remote controlled within the body cavity maneuverable bare endoscope capsule is used as an endoscope.
  • FIG. 2 shows a plan view of the end face of an inventive endoscope.
  • the device comprises an endoscope introduced into a body cavity 2, for example the stomach of a patient, in the example an endoscope capsule 4 which can be maneuvered freely within the body cavity 2 filled with a fluid 6.
  • the endoscope capsule 4 comprises a bar magnet 8, which is indicated only schematically in the FIGURE.
  • the movement and alignment of the endoscope capsule 4 is effected without contact by a magnetic field which is generated by a magnet system 10 arranged outside the patient.
  • a magnet system 10 arranged outside the patient.
  • three light ⁇ sources 14 a, b, c and a camera 16 are arranged on an end face 12 of the endoscope capsule 4.
  • the three light sources 14a, b, c are spaced apart so that they illuminate an object point of the surface 18 of the body venezoberflä ⁇ cavity 2 from different Richtun ⁇ gen.
  • the images taken by the camera 16 are transmitted via radio to an external control and evaluation device 20, in which a 3D reconstruction of the three-dimensional structure of the inner surface 18 is carried out with the algorithms mentioned above.
  • the control and Auswer ⁇ te stimulating 20 controls the light sources 14a, b, c in chronological succession, so that a region G is illuminated in succession from different directions and successively with the camera 16 three images B aibiC of each be ⁇ illuminated area G are generated, which can be displayed on a monitor 22.
  • the endoscope capsule 4 thereby remains at rest during the recording of the three images B aibiC , so that the pixels P 1 and P 2 respectively associated with an object point O 1, O 2 in each of the three images B aibiC are the same
  • the light sources 14a, b, c are arranged at the end side of the endoscope capsule 4 at equal distances from one another at the vertices of an isosceles triangle and thus at equal distances from a common optical axis 24 passing through the center of gravity of the equilateral triangle.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche (18) eines Körperhohlraumes (2) mit einem in den Körperhohlraum (2) eingeführten Endoskop (4), wird bei ruhendem Endoskop (4) mit zumindest drei voneinander beabstandet am oder im Endoskop (4) angeordneten Lichtquellen (14a, b, c) ein Gebiet der Innenoberfläche (18) zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet. Mit einer Kamera (16) wird jeweils ein Bild (Ba, b, c) des jeweils beleuchteten Gebiets aus derselben Kameraposition aufgenommen, so dass für eine Vielzahl von Objektpunkten (01, 02) des Gebiets (G) zeitlich nacheinander für jeden dieser Objektpunkte (01, 02) die in jedem der drei Bilder (Ba, b, c) diesen jeweils zugeordneten Bildpunkte (Pl, P2) dieselben Bildkoordinaten aufweisen. Aus den Intensitäten der Bildpunkte (P1, P2) in den jeweiligen Bildern (Ba, b, c) wird Information über die dreidimensionale Struktur des Gebietes abgeleitet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Kör- perhohlraums
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 einem Endoskop.
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 dire te Betrachtung des Körperhohlraumes ermöglichen.
Alternativ zu derartigen manuell gesteuerten Endoskopen ist es beispielsweise aus der DE 101 42 253 Cl bekannt, in den Körperhohlraum eine Endoskopkapsel einzuführen, die ohne fes¬ te 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 den bekannten Endoskopen verwendete monokulare Optik ist die Raumwahrnehmung stark eingeschränkt, und beruht lediglich auf Erfahrungswerten, indem der Chirurg Helligkeit und Farbton im Bild aufgrund seines anatomischen Wissens in¬ terpretiert und daraus räumliche Informationen ableitet.
Eine 3D-Rekonstruktion des Körperhohlraums ist aber sowohl aus diagnostischer Sicht als auch zur Steuerung des Endoskops insbesondere dann erwünscht, wenn die Untersuchung mit einer frei im Körperhohlraum manövrierbaren Endoskopkapsel durchgeführt wird. Eine stereoskopische Betrachtung wäre grundsätzlich möglich, wenn im Endoskop oder 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 Betrach¬ tung nicht möglich, da sich deren Bildfelder nicht in einer Weise überlagern, dass eine stereoskopische Betrachtung vor¬ liegt .
Eine stereoskopische Bilderzeugung mit zwei voneinander be- abstandeten Videokameras, deren Bildfelder sich überlagern, ist aber aufgrund der geringen baulichen Abmessungen von Endoskopen nur eingeschränkt möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struk- tur der Innenoberfläche eines Körperhohlraums eines Patienten anzugeben, das auch bei beschränkten baulichen Verhältnissen mit einem in den Körperhohlraum eingeführten Endoskop durchgeführt werden kann. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens an- zugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird bei ruhendem Endoskop mit zu- mindest drei voneinander beabstandet am oder im Endoskop an¬ geordneten Lichtquellen ein Gebiet der Innenoberfläche zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, und es wird mit einer Kamera jeweils ein Bild des je¬ weils beleuchteten Gebiets aus derselben Kameraposition auf- genommen, so dass für eine Vielzahl von Objektpunkten des Gebiets zeitlich nacheinander für jeden dieser Objektpunkte die in jedem der drei Bilder diesen jeweils zugeordneten Bildpunkte dieselben Bildkoordinaten aufweisen, aus deren Inten- sitäten in den jeweiligen Bildern Information über die dreidimensionale Struktur des Gebietes abgeleitet, d.h. eine Re¬ konstruktion der 3D-Struktur durchgeführt wird. Derartige als „Photometrie Stereo" bezeichnete photometrische Verfahren sind beispielsweise in R. J. Woodham, „Photometrie method for determining surface orientation from multiple images", Opt.Eng., vol. 19, no.l, S. 139 - 144, Jan. 1980 und R.J. Woodham „Gradient and curvature from the photometric- Stereo method, including localconfidence estimation",
J. Optical Soc. Am. A, vol. 11, no . 11, S. 3050 - 3068, Nov. 1994 näher erläutert. Zur Analyse der lokalen Krümmung einer Fläche ist es außerdem beispielsweise aus E. Angelopoulou, L.B. Wolff, „Sign of Gaussian Curvature From Curve Orientati- on in Photometrie Space", IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN
ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE , Vol. 20, No. 10, S. 1056 - 1066, Oct . 1998, bekannt, die Verteilung der mit einem photo¬ metrischen Verfahren bestimmten Flächennormalen auf einer Gaußkugel zu untersuchen.
Bei diesen bekannten Verfahren werden aus den Pixel- oder Intensitätswerten der einzelnen Bildpunkte die Einheitsnormalen des zu jedem Bildpunkt gehörenden Objektpunktes auf der Ober¬ fläche bestimmt. Voraussetzung hierfür ist, dass es sich bei der zu rekonstruierenden Innenoberfläche zumindest annähe¬ rungsweise um einen sogenannten Lambert-Strahler handelt, bei dem die reflektierte Intensität nur vom Winkel zur Oberflä¬ chennormalen abhängt, unter dem das Flächenelement von einer Lichtquelle beleuchtet wird. Die auf diese Weise für jeden Bild- bzw. Objektpunkt vorliegenden Einheitsnormalen werden auf eine sogenannte Gaußkugel übertragen. Die sich auf der Gaußkugel ergebende Punktwolke - jedem Objektpunkt ist ein Einheitsnormalenvektor und damit ein Punkt auf der Gaußkugel zugeordnet - ermöglicht dann eine Rekonstruktion der 3D- Gestalt der im Bild wiedergegebenen Innenoberfläche. Eine Vereinfachung des rechnerischen Aufwandes wird erzielt, wenn die Lichtquellen in gleichem Abstand zueinander angeordnet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Endoskop eine ferngesteuert innerhalb des Körperhohlraumes frei manövrier¬ bare Endoskopkapsel verwendet. Dadurch können auch weit von Körperöffnungen entfernte und schwer von außen zugängliche Körperhohlräume untersucht werden.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, die ebenso wie die Merkmale der diesem Patentanspruch un¬ tergeordneten Patentansprüche sinngemäß den in den jeweils zugeordneten Verfahrensansprüchen genannten Merkmalen entsprechen .
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen. Es zeigen jeweils in schematischen Prinzipdarstel- lungen:
Fig. 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in Arbeitsposition,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsge- mäßen Endoskops.
Gemäß Fig. 1 umfasst die Einrichtung ein in einen Körperhohlraum 2, beispielsweise der Magen eines Patienten, eingeführtes Endoskop, im Beispiel eine Endoskopkapsel 4, die frei in- nerhalb 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, das von einem au- ßerhalb des Patienten angeordneten Magnetsystem 10 erzeugt wird . An einer Stirnseite 12 der Endoskopkapsel 4 sind drei Licht¬ quellen 14a, b,c sowie eine Kamera 16 angeordnet.
Die drei Lichtquellen 14a, b,c, sind voneinander beabstandet angeordnet, so dass sie einen Objektpunkt der Innenoberflä¬ che 18 des Körperhohlraumes 2 aus unterschiedlichen Richtun¬ gen beleuchten. Die von der Kamera 16 aufgenommen Bilder werden über Funk an eine externe Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 übermittelt, in der mit den vorstehend genannten Algorith- men eine 3D-Rekonstruktion der dreidimensionalen Struktur der Innenoberfläche 18 durchgeführt wird. Die Steuer- und Auswer¬ teeinrichtung 20 steuert die Lichtquellen 14a, b,c zeitlich nacheinander an, so dass ein Gebiet G zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird und nachein- ander mit der Kamera 16 drei Bilder BaibiC des jeweils be¬ leuchteten Gebiets G erzeugt werden, die auf einem Monitor 22 wiedergegeben werden können. Die Endoskopkapsel 4 bleibt dabei während der Aufnahme der drei Bilder BaibiC in Ruhe, so dass die einem Objektpunkt Ol, 02 in jedem der drei Bilder BaibiC jeweils zugeordneten Bildpunkte PI bzw. P2 dieselben
Bildkoordinaten aufweisen, deren Intensitäts- oder Pixelwerten Ila,b,c bzw. I2aibiC sich jedoch in den jeweiligen Bildern BaibiC unterscheiden. Bei diffus reflektierenden Lambert- Oberflächen hängen die auf diese Weise 3D-Bildpunkt Pif2 ge- messenen Intensitätswerte Ila,b,c bzw. I2aibiC nur vom jeweils lokalen Albedowert (die lokale Reflektivität ) und dem Ein¬ strahlungswinkel 9a,biC ab, mit denen der jeweilige Objekt¬ punkt 01,02, von den Lichtquellen 14a, b,c beleuchtet wird. Aus diesen drei Intensitätswerten Ila,b,c bzw. I2aibiC können nun mit Hilfe der in den vorgenannten Publikationen genannten Algorithmen, die zu jedem Objektpunkt 01,02 gehörenden Einheitsnormalenvektoren n.if2 sowie der dem jeweiligen Objekt¬ punkt 01,02 zugehörige lokale Albedowert bestimmt werden. Aus der Kenntnis der Einheitsnormalen nli2 der in den Bildern BaibiC abgebildeten Innenoberfläche 18 lässt sich nunmehr eine Information über die räumliche Struktur der Innenoberfläche 18 ableiten und ein entsprechendes 3D-Bild erzeugen, das auf dem Monitor 22 wiedergegeben werden kann. Gemäß Fig. 2 sind die Lichtquellen 14a, b,c an der Stirnseite der Endoskopkapsel 4 in gleichen Abständen zueinander an den Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks und damit in gleichen Abständen zu einer gemeinsamen, durch den Schwerpunkt des gleichseitigen Dreiecks gehenden optischen Achse 24 angeordnet .
Anstelle der Verwendung einer in den Fig. 1 und 2 dargestell- ten Endoskopkapsel ist es grundsätzlich auch möglich, die Erfindung bei konventionellen Endoskopen einzusetzen, die mechanisch von außen geführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche (18) eines Körperhohl- raumes (2) mit einem in den Körperhohlraum (2) eingeführten Endoskop (4), bei dem bei ruhendem Endoskop (4) mit zumindest drei voneinander beabstandet am oder im Endoskop (4) angeord¬ neten Lichtquellen (14a, b,c) ein Gebiet (G) der Innenoberflä¬ che (18) zeitlich nacheinander aus unterschiedlichen Richtun- gen beleuchtet und mit einer Kamera (16) jeweils ein Bild
( Ba, b, c ) des jeweils beleuchteten Gebiets aus derselben Kame¬ raposition aufgenommen wird, so dass für eine Vielzahl von Objektpunkten (01,02) des Gebiets (G) zeitlich nacheinander für jeden dieser Objektpunkte (01,02) die in jedem der drei Bilder (BaibiC) diesen jeweils zugeordneten Bildpunkte (P1,P2) dieselben Bildkoordinaten aufweisen, aus deren Intensitäten in den jeweiligen Bildern (BaibiC) Information über die dreidimensionale Struktur des Gebietes abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquellen in gleichem Abstand zueinander angeordnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Endoskop eine ferngesteuert innerhalb des Körperhohlraumes frei manöv- rierbare Endoskopkapsel verwendet wird.
4. Einrichtung zum Erfassen von Information über die dreidimensionale Struktur der Innenoberfläche eines Körperhohlrau¬ mes mit einem in den Körperhohlraum einführbaren Endoskop, mit zumindest drei voneinander beabstandet angeordnete Licht¬ quellen zum zeitlich nacheinander erfolgenden Beleuchten eines Gebiet der Innenoberfläche aus unterschiedlichen Richtungen, und mit einer Kamera zum Aufnehmen von Bildern des jeweils beleuchteten Gebiets, sowie einer in einer Auswerteein- richtung implementierten Software zum Rekonstruieren der dreidimensionalen Struktur des Gebietes aus den Intensitäten einer der zu einer Vielzahl von Objektpunkten gehörenden jeweils zumindest drei Bildpunkte.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei dem die Lichtquellen in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Endoskop eine ferngesteuert innerhalb des Körperhohlraumes frei manöv- rierbare Endoskopkapsel ist.
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