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WO1997046168A1 - Positionsbestimmung eines beweglichen objektes - Google Patents

Positionsbestimmung eines beweglichen objektes Download PDF

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WO1997046168A1
WO1997046168A1 PCT/EP1997/002544 EP9702544W WO9746168A1 WO 1997046168 A1 WO1997046168 A1 WO 1997046168A1 EP 9702544 W EP9702544 W EP 9702544W WO 9746168 A1 WO9746168 A1 WO 9746168A1
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image data
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image
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PCT/EP1997/002544
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Roger Spink
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Leica Geosystems AG
Original Assignee
Leica AG Switzerland
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/20—Surgical microscopes characterised by non-optical aspects

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for determining the position of a point viewed by a microscope on a medium.
  • the medium to be examined does not necessarily have to be a stationary object, but can also be a moving medium for this invention
  • the invention can be used not only in medicine, but also in other areas where microscopic examinations are carried out
  • the position determination of a microscope and thus of the operating field seen through the microscope according to the current state of the art is carried out, for example, by means of an infrared positioning system.
  • Three infrared transmitters with coded transmission signals are arranged on the microscope, the signals of which are detected by infrared receivers arranged in the room
  • Joints have measuring elements (similar to a robot arm), which continuously monitor the change in position of the microscope and determine the position via a microprocessor, and on the other hand determine the position by means of ultrasonic transmitters and sensors, which are arranged on the microscope
  • Marking diodes of the microscope are attached in the room. This means that interference can arise between the transmitter and the receiver. This can be caused, for example, by a person who brings himself or an object into the area of the signal exchange
  • the object of the invention is therefore to create a microscope with a position determination system that does not allow any external influences that influence the position determination and being able to falsify You should know exactly where the microscope is oriented without having to look through the microscope as a user
  • the task is solved by the use according to the invention of at least one image acquisition unit on the microscope and at least one test specimen, which is used for calibrating the system and for measuring
  • the specimen should be firmly connectable to the object to be viewed, both when microscoping and before using other imaging techniques such as MRI, X-ray, PE, etc
  • the position is determined by means of image recognition by an image acquisition unit which is rigidly connected to the microscope or is integrated into it.
  • this image acquisition unit looks at a known object, calibration can take place. If the microscope with the image capturing device then looks at a foreign object, which is, however, rigidly and visibly connected to the known object, the position or location of the foreign object can be determined therefrom by means of image processing. If necessary, the originally foreign object can then, possibly only temporarily as a known - or calibration object.
  • the image capture unit is turned at a known angle, e.g. attached parallel to the beam path of the microscope.
  • Both the sensor information for certain settings of the microscope and the image acquisition unit can be fed into a computer, which uses the data supplied to calculate the exact position of the operating field relative to the microscope.
  • the image seen through the microscope can then be superimposed with other image data (e.g. MRI image data or the like) in the correct position by means of displays and insertion elements.
  • the field of view thus obtained can be displayed on the computer screen or another connected monitor.
  • the image capturing device has a field of view that is enlarged compared to the microscope. Even if the image capturing device is not connected to the microscope outside it, but is possibly integrated into it and possibly even looks through the main objective itself, it should have an enlarged field of view - for example due to a different magnification - compared to the microscopic beam path, by one to ensure a good sphere of influence of position determination.
  • the following information can be important: the direction of view of the microscope or its main objective; the position of the main lens relative to the operating field, which after knowing the direction e.g. via the z-distance, which is additionally determined using a separate measuring device, or can also be calculated from the image information by the test specimen or specimens after knowledge of the setting data of the image capturing device.
  • Comparison body contains points (e.g. corners, depressions) of which all information is known when it is in a positioned position. With this information, which is stored in the computer as comparison values, the position determination system is set.
  • the reference body is pre-positioned under the microscope in the field of view of the image acquisition unit.
  • the microscope is now positioned on the known points.
  • the comparison values of the points stored in the computer enable arithmetic calibration adjustment. From the information that the computer receives through this process, any other position considered can now be calculated and its coordinates can be displayed, for example on a screen.
  • the image acquisition unit is not directed in the same direction as the microscope, but in another, for example on the ceiling of an operating room, in order to enable the position to be determined there using markings.
  • test specimen can have different contours. Any systems, e.g. CCD cameras. How the connections between microscope - computer and image acquisition unit - computer look depends on the devices used and the interface of the computer.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of the microscope according to the invention with the image acquisition unit, the connected computer and the comparison body.
  • Fig. 1 illustrates a principle of the invention.
  • the illustration shows a microscope 1 with its optical axis 2, in which the comparison body 5 lies.
  • the image acquisition unit 3 is mounted parallel to the optical axis 2, and the comparison body 5 is also located in the field of view 4 thereof.
  • the exact viewing position is calculated using the object distance 8 obtained via the microscope magnification and the data from the image acquisition unit 3, which are transferred to the computer 6 via the connections 9.
  • Other image data 10 e.g. X-ray, CT, or MRI image data
  • the observation field thus obtained can be displayed on the computer screen 7a and / or on an external monitor 7b.
  • Variants with more than one camera are also within the scope of the invention. When using only one camera, several orientation points on a known object are advantageous, while when using two or more cameras a single marking point is also sufficient
  • Source for other image data e.g. X-ray, CT, PE, MRI image data or the like

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Abstract

Das Positionsermittlungssystem mit Infrarotsendern brachte das Problem mit sich, dass zwischen den IR-Leuchtdioden am Mikroskop und den im Raum angeordneten Infrarotempfängern eine grössere Distanz besteht. Auf dieser Strecke können durch den Menschen oder anderweitig verursachte Fremdeinflüsse zu Störungen im System führen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Störeinflüsse zu verhindern. Der Aufbau der Erfindung wird deshalb sehr kompakt gewählt. Das Positionsbestimmungssystem besteht aus einem Mikroskop (1) und einer Bilderfassungseinheit (3), die direkt am Mikroskop befestigt ist. Dadurch werden Distanzen, die zu Störungen führen, vermieden. Um das System für den Einsatz optimal einzustellen, wird es mittels eines Vergleichskörpers (5) geeicht. Mittels eines Computers (6) lassen sich dem Mikroskopstrahlengang andere Bilddaten (10) (z.B. MRI-Bilddaten) überlagern. Das so erhaltene Betrachtungsfeld kann entweder auf dem Computerbildschirm (7a) oder einem externen Monitor (7b) dargestellt werden.

Description

POSITIONSBESTIMMUNG EINES BEWEGLICHEN OBJEKTES
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines durch ein Mikroskop betrachteten Punktes an einem Medium Das zu untersuchende Medium muss nicht zwingend ein ruhendes Objekt sein, sondern kann für diese Erfindung auch ein bewegtes Medium sein
Vor allem in der Medizin ist es von grösser Wichtigkeit, dass bei gleichzeitiger Kenntnis der Position des Patienten und der Einstellungsdaten des Mikroskopes auf den genauen Betrachtungsort (Operationsfeld) geschlossen werden kann Dies wird in der modernen Mikrochirurgie immer wichtiger Dem Operateur wird ermöglicht, eine Operation mit grösser Sicherheit an der richtigen Stelle durchzufuhren Die Bedeutung solcher Kenntnisse steigt mit der fortschreiten¬ den Technik, unterschiedliche Bilddaten, z B Rontgen-,CT-, PE-, MRI-Bilddaten o dgl in einem Mikroskopstrahlengang sichtbar zu machen, bzw dem gesehenen Bild zu überlagern, so dass der Operateur ortsmassig richtig dargestellte Vergleichsinformationen über das Operationsfeld erhalt
Aber nicht nur in der Medizin, auch in anderen Bereichen wo mikroskopische Untersuchungen durchgeführt werden, kann die Erfindung nutzbringend eingesetzt werden
Die Positionsbestimmung eines Mikroskopes und damit des durch das Mikroskop gesehenen Operationsfeldes nach dem heutigen Stand der Technik erfolgt beispielsweise mittels eines Infrarotpositioniersystems Am Mikroskop sind drei Infrarotsender mit kodierten Sendesignalen angeordnet, deren Signale von im Raum angeordneten Infrarotempfangern detektiert werden
Etwas altere, aber noch verwendete Verfahren zur Positionsbestimmung sind Einerseits die Verwendung eines Mikroskoptragergestelles, das an den
Gelenken über Messelemente verfugt (ähnlich einem Roboterarm), welche die Lageanderung des Mikroskopes laufend mitverfolgen und über einen Mikro¬ prozessor die Position bestimmen, andererseits das Ermitteln der Position mittels Ultraschallsendern und -sensoren, welche am Mikroskop angeordnet
Bei allen bisher bekannten Verfahren zur Positionsbestimmung treten trotz grundsätzlicher Funktionstuchtigkeit Probleme auf Bei den alteren Verfahren ist zu beachten, dass der Patient durch die Positionsbestimmung nicht beeinflusst werden sollte, ebenso sollten allfalhge Messergebnisse im betrachteten Bereich (z B Operationssteile) durch das Positionsbestimmungsverfahren nicht beeinflusst werden Diese zwei Probleme sind bei der Verwendung des Infrarotpositioniersystems gelost Hier stellt sich aber das Problem, dass die Infrarotempfanger in einem Abstand von den IR-Dioden bzw
Markierungsdioden des Mikroskopes im Raum angebracht sind Dies bringt mit sich, dass zwischen Sender und Empfanger ein Storeinfluss entstehen kann Dieser kann z B durch einen Menschen verursacht werden, der sich selber oder der einen Gegenstand in den Bereich des Signalaustausches bringt
Das letztgenannte Problem ist für etliche Anwendungen nicht zufriedenstellend gelost Die Lageposition des Patienten relativ zum Mikroskop ist jedoch eine wichtige Information Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Mikro¬ skop mit einem Positionsermittlungssystem zu schaffen, das keine ausseren Storeinflusse zulasst, welche die Positionsbestimmung beeinflussen und verfalschen können Man soll also wissen, wohin das Mikroskop genau orientiert ist, ohne dabei bzw dazu als Anwender durch das Mikroskop blicken zu müssen
Weiters sollen dem betrachteten Bild andere Bilddaten (z B Röntgen-, CT- oder MRI-Bilddaten) positionsrichtig überlagert werden können
Gelost wird die Aufgabe durch das erfmdungsgemasse Verwenden von wenigstens einer Bilderfassungseinheit am Mikroskop und wenigstens einem Probekorper, der zum Eichen des Systems und zum Messen dient Der
Probekorper soll dabei fest mit dem zu betrachtenden Objekt verbindbar sein und zwar sowohl beim Mikroskopieren, als auch vorher bei anderen Aufnahmetechniken, wie z B MRI, Röntgen, PE usw Die Positionsbestimmung erfolgt erfindungsgemäss über Bilderkennung durch eine Bilderfassungseinheit, die starr mit dem Mikroskop verbunden, oder in dieses integriert ist. Beim Blick dieser Bilderfassungseinheit auf ein bekanntes Objekt kann eine Eichung erfolgen. Blickt das Mikroskop mit der Bilderfassungseinrichtung sodann auf ein fremdes Objekt, das jedoch mit dem bekannten Objekt starr und sichtbar verbunden ist, kann daraus die Position oder Lage des fremden Objektes über Bildverarbeitung bestimmt werden Gegebenenfalls kann dann - eventuell auch nur vorübergehend - das ursprünglich fremde Objekt als bekanntes - oder Eich-Objekt abgespeichert werden.
Die Bilderfassungseinheit wird in einem bekannten Winkel, z.B. parallel zum Strahlengang des Mikroskopes angebracht. Sowohl die Sensorangaben bei bestimmten Einstellungen des Mikroskops, als auch die Bilderfassungseinheit können in einen Computer eingespeist werden, der aus den gelieferten Daten die genaue Position des Operationsfeldes relativ zum Mikroskop berechnet. Dem durch das Mikroskop gesehenen Bild können sodann mittels Displays und Einblendelementen andere Bilddaten (z.B. MRI-Bilddaten o.dgl.) positionsrichtig überlagert werden. Das so erhaltene Betrachtungsfeld kann auf dem Computerschirm oder einem anderen angeschlossenen Monitor dargestellt werden.
Im bereits veröffentlichten "VISLAN-Verfahren bzw. -Projekt" ist zwar bekanntgeworden, über Bildverarbeitung mittels Kamera ein Objekt im Raum zu identifizieren, das mit sogenannten FIDUCIALs markiert war, jedoch erlaubt diese Technologie alleine nicht, zu definieren, auf welches Detailgebiet im Gesichtsfeld bzw. im Operationsfeld ein Mikroskop orientiert ist, es sei denn, man würde auch das Mikroskop mit vergleichbaren Fiducials versehen und dann zwischen der Bildinformation der einen Fiducials und der Bildinformation bei den vergleichbaren Fiducials geometrisch berechnen, wohin das Mikroskop blickt. Abgesehen von diesem hohen Rechenaufwand tritt dabei wieder das erwähnte Problem der möglichen Störung durch Personen oder Teile auf, die zwischen die Fiducials und die Kamera geraten, so dass eine Ortung der einen oder anderen Fiducials verunmöglicht wird. Dieser Nachteil fällt bei der Erfindung weg, wobei es besonders günstig ist, wenn das Bilderfassungsgerät ein gegenüber dem Mikroskop vergrössertes Gesichtsfeld hat. Auch wenn die Bilderfassungseinrichtung nicht ausserhalb des Mikroskopes mit diesem verbunden ist, sondern gegebenenfalls in dieses integriert ist und eventuell sogar durch das Hauptobjektiv selbst blickt, sollte diese ein vergrössertes Blickfeld - z.B. durch eine unterschiedliche Ver- grösserung - gegenüber dem mikroskopischen Strahlengang aufweisen, um einen guten Wirkungskreis der Positionsbestimmung zu gewährleisten.
Dabei können folgende Angaben wichtig sein: Die Blickrichtung des Mikroskops bzw. seines Hauptobjektivs; die Lage des Hauptobjektivs relativ zum Operationsfeld, die nach Kenntnis der Richtung z.B. über den z-Abstand, der über eine separate Messeinrichtung zusätzlich ermittelt, oder auch aus der Bildinformation durch den oder die Probekörper nach Kenntnis der Einstelldaten der Bilderfassungseinrichtung errechnet werden kann.
Von Interesse ist aber auch, wo der Betrachtungspunkt in der horizontalen Betrachtungsebene liegt. Um diese Information liefern zu können, wird das System vor jedem Gebrauch mit einem Vergleichskörper geeicht. Der
Vergleichskörper enthält Punkte (z.B. Ecken, Vertiefungen) von denen alle Angaben bekannt sind, wenn er sich in positionierter Lage befindet. Mit diesen Angaben, die als Vergleichswerte im Computer gespeichert sind, wird das Positionsbestimmungssystem eingestellt.
Der Vergleichskörper liegt beim Eichen vorpositioniert unter dem Mikroskop im Betrachtungsfeld der Bilderfassungseinheit. Das Mikroskop wird nun auf die bekannten Punkte positioniert. Die im Computer gespeicherten Vergleichswerte der Punkte ermöglichen einen rechnerischen Eich- Abgleich. Aus den Angaben, die der Computer durch diesen Vorgang erhält, kann nun jede andere betrachtete Position berechnet und können deren Koordinaten, z.B. auf einem Bildschirm, dargestellt werden. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Variante, bei der die Bilderfassungseinheit nicht in dieselbe Richtung wie das Mikroskop, sondern in eine andere, z.B. an die Decke eines Operationssaales, gerichtet ist, um dort anhand von Markierungen die Positionsbestimmung zu ermöglichen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Der Probekörper kann verschiede Konturen aufweisen. Als Bilderfassungseinheit können beliebige Systeme, z.B. CCD-Kameras, gewählt werden. Wie die Verbindungen Mikroskop - Computer und Bilderfassungseinheit - Computer aussehen, hängt von den verwendeten Geräten und der Schnittstelle des Computers ab.
Fig.1 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemässen Mikroskopes mit der Bilderfassungseinheit, dem angeschlossenen Computer und dem Vergleichskörper.
Fig. 1 verdeutlicht ein Prinzip der Erfindung. Die Darstellung zeigt ein Mikroskop 1 mit seiner optischen Achse 2, in welcher der Vergleichskörper 5 liegt. Parallel zur optischen Achse 2 ist die Bilderfassungseinheit 3 angebracht, in deren Betrachtungsfeld 4 der Vergleichskörper 5 ebenfalls liegt. Mit dem über die Mikroskopvergrösserung erhaltenen Objektabstand 8 und den Daten der Bilderfassungseinheit 3, welche über die Verbindungen 9 auf den Computer 6 transferiert werden, wird die genaue Betrachtungsposition berechnet. Dieser können ebenfalls auf dem Computer 6 andere Bilddaten 10 (z.B. Röntgen-, CT-, oder MRI-Bilddaten) überlagert werden. Das so erhaltene Betrachtungsfeld kann auf dem Computerbildschirm 7a und/oder auf einem externen Monitor 7b dargestellt werden.
Nicht dargestellt, aber denkbar sind zusätzlich zur erfindugsgemässen Bilderfassungseinheit 3 Bildsensoren im Mikroskopstrahlengang, die die gesehenen Bilder am Monitor darstellbar machen. Ebenso ist es denkbar, dass die Bildinformationen des Monitors 7 über bekannte Massnahmen in den Okularstrahlengang des Mikroskops 1 eingespiegelt werden. Somit lässt sich der Mikroskopstrahlengang mit den eingefugten anderen Bilddaten auf dem Computerbildschirm (7a) und/oder einem externen Monitor (7b) darstellen
Blickt die Bilderfassungseinnchtung bzw die Kamera durch das Hauptobjektiv, ergibt sich als Vorteil, dass bei der Anwendung eines Drape (sterile Verkleidung des Mikroskopes) keine Sichtprobleme für die Kamera sich ergeben
Im Rahmen der Erfindung liegen auch Varianten mit mehr als einer Kamera Bei der Anwendung von nur einer Kamera sind mehrere Orientierungspunkte an einem bekannten Objekt von Vorteil, wahrend bei der Anwendung von zwei oder mehr Kameras auch ein einziger Markierungspunkt ausreicht
Bei parallel angebrachten Kameras wird berücksichtigt, dass die Achse des Mikroskops parallel sein sollte, um die Bildverarbeitung rechnerisch fehlerfrei durchfuhren zu können
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Mikroskop
2 Optische Achse 3 Bilderfassungseinheit
4 Betrachtungsfeld der Bilderfassungseinheit
5 Vergleichskörper
6 Computer
7a Computerbildschirm 7b externer Monitor
8 Objektabstand
9 Kabelverbindungen
10 Quelle für andere Bilddaten (z.B. Röntgen-, CT-, PE-, MRI-Bilddaten o.dgl.)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 Anordnung zur Positionsbestimmung eines Mikroskops, dadurch gekennzeichnet, dass am Mikroskop (1), in einem Winkel zur Optischen Achse (2), eine Bilderfassungseinheit (3) zur Erfassung des
Betrachtungsfeldes angebracht ist, die mit einem Computer (6) verbunden ist, der mit einem Programm und mit Vergleichsdaten zur Positionsbe¬ stimmung ausgerüstet ist
2 Verfahren zur Positionierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem System vor der Benutzung zur Eichung ein Vergleichskorper (5) vorgelegt wird, dessen Konturen bekannt sind und im Computer (6) eingespeichert sind bzw werden
3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions¬ und Vergrosserungsdaten des Mikroskopes (1) gewonnen werden und mit diesen mittels Computer (6) modifizierten und anderen Bilddaten (10) (z B Röntgen-, CT- oder MRI- Bilddaten) positionsrichtig überlagert dargestellt werden
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Bilddaten in den Okularstrahlengang über einen Betrachter sichtbar eingespiegelt werden
PCT/EP1997/002544 1996-06-03 1997-05-17 Positionsbestimmung eines beweglichen objektes Ceased WO1997046168A1 (de)

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