DE102011053922A1

DE102011053922A1 - Registriervorrichtung, Verfahren und Vorrichtung zum Registrieren einer Oberfläche eines Objekts

Info

Publication number: DE102011053922A1
Application number: DE102011053922A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kosmecki Bartosz; Andreas Reutter; Dr. Özbek Christopher
Original assignee: Scopis GmbH
Current assignee: Scopis GmbH
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152879A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Registriervorrichtung zum Registrieren von Punkten einer Oberfläche eines Objektes, mit einem Abtastelement (11), das zum Registrieren eines Punktes der Oberfläche in Kontakt mit der Oberfläche zu bringen ist, wobei das Abtastelement (11) eine der zu registrierenden Oberfläche zuzuwendende räumliche Kontur (111) aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Registrieren einer Oberfläche eines Objektes unter Verwendung einer Registriervorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Registriervorrichtung zum Registrieren von Punkten einer Oberfläche gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Registrieren einer Oberfläche eines Objektes gemäß Anspruch 7 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens gemäß Anspruch 15.
Aus der Medizintechnik sind klinische Navigationssysteme bekannt, mit denen sich z. B. während einer Operation die räumliche Position eines Instrumentes (z. B. eines Endoskops) bestimmen und lagerichtig in Bilddarstellungen (z. B. in Form einer CT-Aufnahme) eines Operationsgebietes einblenden zu können. Die lagerichtige Einblendung erfordert eine Transformation der mittels des klinischen Navigationssystems bestimmten räumlichen Position des Instrumentes in das Koordinatensystem der Darstellung des Operationsgebietes. Hierzu wird das Operationsgebiet (z. B. der Kopf eines Patienten) mit einer Registriervorrichtung „registriert“, d. h. Punkte (bzw. punktförmige Bereiche) einer von außen zugänglichen Oberfläche des Operationsgebietes (z.B. der Kopfoberfläche) werden mit der Registriervorrichtung abgetastet und jeweils die Raumkoordinaten der abgetasteten Punkte bestimmt. Mit der Registrierung des Operationsgebietes kann der tatsächliche Verlauf einer Oberfläche des Operationsgebietes im Koordinatensystem des klinischen Navigationssystems bestimmt und an den Verlauf der entsprechenden Oberfläche in der Darstellung des Operationsgebietes angepasst werden. Ein derartiges Registrieren von Oberflächen wird auch in anderen Bereichen der Technik z.B. zur Erkennung von Oberflächendefekten eingesetzt, wie z. B. in der US 5,715,166 beschrieben.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem besteht darin, eine Registriervorrichtung zum Registrieren von Punkten einer Oberfläche anzugeben, die ein möglichst sicheres Registrieren der Punkte ermöglicht und dennoch möglichst gut handhabbar ist. Des Weiteren soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Registrieren einer Oberfläche angegeben werden, mit denen unter Verwendung der Registriervorrichtung eine möglichst lagerichtige Kombination von Positionsdaten in einem ersten Koordinatensystem mit einem Modell des Objektes in einem anderen Koordinatensystem erlaubt.
Diese Probleme werden durch die Registriervorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bzw. durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 sowie durch die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Registriervorrichtung zum Registrieren von Punkten einer Oberfläche eines Objektes bereitgestellt, mit

– einem Abtastelement, das zum Registrieren eines Punktes der Oberfläche in Kontakt mit der Oberfläche zu bringen ist, wobei
– das Abtastelement eine der zu registrierenden Oberfläche zuzuwendende räumliche Kontur aufweist

Die Registriervorrichtung ist insbesondere ein langgestrecktes Instrument, das an seinem einen Ende das Abtastelement aufweist. Insbesondere dient die erfindungsgemäße Registriervorrichtung, wie oben bereits angedeutet, dazu, die Verwendung eines klinischen Navigationssystems vorzubereiten. Hierzu wird mit der Registriervorrichtung eine Oberfläche eines Operationsgebietes abgetastet, wobei das Abtasten z.B. punktuell erfolgt, d. h. die Registriervorrichtung wird punktweise in Kontakt mit der Oberfläche gebracht und jeweils die Position des Abtastelementes bestimmt. Denkbar ist jedoch auch, dass die Registriervorrichtung kontinuierlich über die Oberfläche geführt wird, wobei in vorgebbaren zeitlichen Abständen eine Registrierung der mit der Registriervorrichtung berührten Punkte der Oberfläche bzw. der jeweiligen Position des Abtastelementes erfasst wird. Auf das Registrierverfahren und die Weiterverarbeitung der registrierten Punkte wird noch weiter unten im Detail eingegangen.
Dass das Abtastelement eine räumliche Kontur aufweist, bedeutet insbesondere, dass das Abtastelement keine scharfe Spitze besitzt, sondern z. B. eine gekrümmte Kontur, mit der das Abtastelement in Kontakt mit der Oberfläche des zu registrierenden Objektes gebracht wird. Mit anderen Worten bildet das Abtastelement keine punktförmige Spitze aus, sondern besitzt eine gewisse Ausdehnung, um die Registriervorrichtung besser handhaben zu können und z. B. ein Eindrücken der zu registrierenden Oberfläche und/oder Verletzungen eines Patienten während des Registriervorgangs zu vermeiden.
Denkbar ist, dass das Abtastelement eine sphärische oder elliptische Form aufweist oder allgemein rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere ist das Abtastelement kugelförmig, in Form eines Kugelsegmentes (z. B. in Form einer Halbkugel) oder zylindrisch ausgebildet. Beispielsweise ist das Abtastelement in Form einer Kugel (oder eines Kugelsegments) mit einem Radius von mindestens 1 mm ausgeformt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Abtastelement mit einem Schaft der Registriervorrichtung verbunden, wobei ein mit dem Abtastelement verbundenes Endes des Schaftes einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als die maximale Ausdehnung (gemessen senkrecht zur Schaftachse) des Abtastelementes.
Möglich ist auch, dass die erfindungsgemäße Registriervorrichtung eine Markierungseinrichtung umfasst, über die räumliche Position der Registriervorrichtung ermittelbar ist. Beispielsweise umfasst die Markierungseinrichtung mehrere Markierungselemente (z. B. in Form von Markierungskugeln), die beispielsweise an einem Schaft der Registriervorrichtung angebracht sind. Die räumliche Position der Markierungskugeln kann z. B. von der Messkamera eines (z.B. klinischen) Navigationssystems bestimmt werden, so dass die Position (d.h. der Ort und die Orientierung) der Registriervorrichtung im Koordinatensystem des Navigationssystems ermittelbar ist. Da die Position des Abtastelementes (bzw. eines vorgegebenen Referenzpunktes des Abtastelementes) relativ zu der Markierungseinrichtung (zu den Markierungselementen) bekannt ist, ist es möglich, durch das Ermitteln der Position der Markierungselemente die räumliche Position des Abtastelementes zu bestimmen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Registrieren einer Oberfläche eines Objektes unter Verwendung einer wie oben beschriebenen Registriervorrichtung, mit den Schritten:

a) Abtasten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche des Objektes durch Inkontaktbringen des Abtastelements der Registriervorrichtung mit der Oberfläche;
b) Erfassen jeweils der räumlichen Position eines Referenzpunktes des Abtastelementes unter Ermittlung der jeweiligen Koordinaten des Referenzpunktes, wobei jeweils eine Position des Referenzpunktes einen Ausgangsabtastpunkt darstellt;
c) Bereitstellen eines Modells der Oberfläche des Objektes;
d) Anpassen der in Schritt b) bestimmten Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte an den Verlauf des Modells der Oberfläche des Objektes, wobei
e) Schritt d) in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der Kontur des Abtastelementes erfolgt.

Da das Abtasten der sich im Raum erstreckenden Oberfläche über ein nicht punktförmiges Abtastelement erfolgt, ist nicht bekannt, welcher Oberflächenabschnitt (Oberflächenpunkt) des Abtastelementes an der Oberfläche anliegt, so dass bei der anfänglichen Registrierung nicht die Koordinaten der exakten Kontaktpunkte, an denen das Abtastelement an der Oberfläche anliegt, ermittelt werden, sondern jeweils die Koordinaten der Position eines Referenzpunktes des Abtastelementes, z.B. eines Mittelpunktes bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Abtastelementes. Die verschiedenen Positionen des Abtastelementes (d.h. seines Referenzpunktes), die dieses während des Registriervorganges (des Abtastens der Oberfläche) einnimmt, werden als „Ausgangsabtastpunkte“ bezeichnet.
Die Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte werden z.B., wie oben bereits erwähnt, mit Hilfe eines (insbesondere klinischen) Navigationssystems bestimmt, wobei die Registriervorrichtung eine z.B. wie oben beschrieben ausgebildete Markierungseinrichtung zur Positionsbestimmung aufweist.
Beispielsweise dient das Registrieren der Oberfläche des Objektes (z. B. in Form eines Operationsgebietes) dazu, die Verwendung eines Instrumentes während einer Operation vorzubereiten. Das Instrument weist z. B. ebenfalls eine Markierungsvorrichtung auf, mit deren Hilfe das klinische Navigationssystem die Position des Instrumentes erfassen kann. Um die Position des Instrumentes in eine Darstellung, z.B. eine CT- oder MRT-Aufnahme oder eine (numerische) räumlichen Rekonstruktion, des Operationsgebietes lagerichtig einblenden zu können, ist es erforderlich, eine Transformation zu bestimmen, mit der die Koordinaten des Instrumentes in das Koordinatensystem der Darstellung des Operationsgebietes transformiert werden können und zwar so, dass die transformierten Koordinaten an die Ausrichtung und den Ort der Darstellung des Operationsgebietes angepasst sind.
Für die hierfür notwendige Anpassung wird zunächst ein numerisches Modell (d.h. eine räumlichen Rekonstruktion) des Operationsgebietes und insbesondere der zu registrierenden Oberfläche bereitgestellt, wobei das Modell z.B. auf Basis von Aufnahmen (etwa die bereits erwähnten CT- oder MRT-Aufnahmen) erzeugt wird. Gemäß Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dann eine Anpassung der Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte an den Verlauf des Modells der Oberfläche des Operationsgebietes, d.h. es wird eine Transformation bestimmt, mit der die Ausgangsabtastpunkte der modellierten Oberfläche angenähert werden, wobei durch Verändern der Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte korrigierte Punkte erzeugt werden, die möglichst gut dem Verlauf der modellierten Oberfläche folgen und insbesondere möglichst so liegen, dass eine basierend auf der Position der korrigierten Punkte jeweils erzeugte (virtuelle) Oberfläche des Abtastelementes dicht an der modellierten Oberfläche positioniert würde.
Das Anpassen gemäß Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt z.B. durch iteratives Annähern der Ausgangsabtastpunkte an die modellierte Oberfläche. Denkbar ist natürlich auch, dass umgekehrt die modellierte Oberfläche iterativ an die durch die Ausgangsabtastpunkte definierte Oberfläche angepasst wird. Das Anpassen wird z.B. beendet, wenn die relative Lage der Ausgangsabtastpunkte zu der modellierten Oberfläche ein vorgebbares Kriterium, z.B. einen vorgebbaren Abstand, erfüllt. Beispiele hierfür werden weiter unten erläutert.
Mit dem Anpassvorgang wird somit eine Transformation generiert, die ein lagerichtiges Einblenden von Punkten, die z.B. die Lage eines Instrumentes repräsentieren, in eine Darstellung des Operationsgebietes ermöglicht. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt. Es können vielmehr auch andere Objekte (z.B. Oberflächen von Werkstücken) mit dem Verfahren registriert werden.
Das Modell der Oberfläche des Objektes liegt insbesondere in einem (ersten) Koordinatensystem vor, das verschieden ist von dem (zweiten) Koordinatensystem, in dem die Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte bestimmt werden. Es ist daher denkbar, dass vor dem Anpassen gemäß Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erst eine Transformation der Koordinaten des Modells der Oberfläche und/oder der Ausgangsabtastpunkte in ein gemeinsames Koordinatensystem erfolgt.
Beispielsweise wird das Modell der Oberfläche (bzw. Punkte des Modells der Oberfläche) aus dem ersten in das zweite Koordinatensystem, in dem die Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte ermittelt werden (z. B. das Weltkoordinatensystem eines klinischen Navigationssystems) transformiert. Anschließend erfolgt die Anpassung (Schritt d) des Verfahrens), mit der eine Abbildung bereitgestellt wird, über die Punkte (die z.B. wie erwähnt die Position eines Instrumentes repräsentieren) im zweiten Koordinatensystem auf korrigierte (lagerichtige) Punkte abgebildet werden können. Die korrigierten Punkte wiederum können in das erste Koordinatensystem der modellierten Oberfläche rücktransformiert werden, so dass z.B. während einer Operation die Position eines Instrumentes in das erste Koordinatensystem, d.h. in das Modell des Operationsgebietes (oder analog in eine anderen Darstellung des Operationsgebietes), lagerichtig eingeblendet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Anpassen gemäß Schritt d) für jeden Ausgangsabtastpunkt ein Bestimmen eines nächstliegenden Punktes des Modells der Oberfläche. Beispielsweise wird hierzu jeweils ausgehend von den Ausgangsabtastpunkten ein Lot auf die modellierte Oberfläche erzeugt und der Schnittpunkt des Lotes mit der modellierten Oberfläche bestimmt.
Unter Verwendung der Positionen der Ausgangsabtastpunkte und der nächstliegenden Punkte des Modells der Oberfläche sowie des räumlichen Verlaufs der Kontur des Abtastelementes wird dann eine Abbildung bestimmt und durch Anwenden dieser Abbildung auf die Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte korrigierte Punkte erzeugt. Die Abbildung umfasst insbesondere eine Translation und/oder Rotation der Ausgangsabtastpunkte. Beispielsweise sind die Ausgangsabtastpunkte starr zueinander angeordnet, d. h. der Abstand der Ausgangsabtastpunkte zueinander wird durch die Abbildung nicht verändert.
Wie bereits angesprochen, kann das Modell der Oberfläche durch eine 3D-Rekonstruktion des Objektes erzeugt werden, wobei z. B. mittels eines Schwellwertverfahrens die Oberfläche der 3D-Rekonstruktion bestimmt wird. Denkbar ist hierbei, dass das Modell der Oberfläche durch eine Punktwolke, eine Polygondarstellung (z. B. in Form einer Triangulationsdarstellung) oder analytisch (in Form einer parametrisierten Kurve) repräsentiert ist. Das Ermitteln der Abbildung zum Erzeugen der korrigierten Punkte erfolgt z. B. analog zum Verfahren, das in der US 5,715,166 beschrieben ist, auf die insofern ausdrücklich Bezug genommen wird.
Nach dem Erzeugen der korrigierten Punkte wird beispielsweise in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der Kontur des Abtastelementes ein mittlerer Abstand zwischen den korrigierten Punkten und den nächstliegenden Punkten bestimmt. Das Erzeugen von korrigierten Punkten wird wiederholt, wenn der mittlere Abstand einen vorgebbaren Grenzwert übersteigt, wobei dann als Position der Ausgangsabtastpunkte die zuvor erzeugten korrigierten Punkte verwendet werden. Mit anderen Worten erfolgt eine schrittweise Annäherung der durch die Ausgangsabtastpunkte repräsentierte Oberfläche an die modellierte Oberfläche, wobei analog zum „Iterative Closest Point“-(ICP)-Verfahren (Iteratives Nachbarpunkt-Verfahren) vorgegangen wird. Allerdings wird kein punktförmiges Abtastelement verwendet, sondern eines, das eine räumliche Kontur aufweist, die bei der Berechnung des mittleren Abstandes berücksichtigt wird. Denkbar ist natürlich auch, dass der mittlere Abstand bereits vor der Erzeugung der korrigierten Punkte, d.h. in Bezug auf die Ausgangsabtastpunkte, erfolgt und erst wenn der so ermittelte mittlere Abstand den Grenzwert überschreitet, die korrigierten Punkte überhaupt erzeugt werden.
Das Bestimmen des mittleren Abstandes umfasst beispielsweise ein Ermitteln einer Größe für jeden Ausgangsabtastpunkt (bzw. korrigierten Punkt), die von der Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt (der der jeweiligen Position des Referenzpunktes des Abtastelementes entspricht) bzw. dem korrigierten Punkt und der Oberfläche des Abtastelementes entlang einer Geraden, die durch den Ausgangsabtastpunkt (oder den korrigierten Punkt) und den jeweils zugeordneten nächstliegenden Punkt verläuft, abhängt. Durch das Berücksichtigen der Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt (oder den korrigierten Punkt) und der Oberfläche des Abtastelementes wird der Tatsache Rechnung getragen, dass das Abtastelement nicht punktförmig ausgestaltet ist.
Beispielsweise ist das Abtastelement rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei die von der Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt (bzw. dem korrigierten Punkt) und der Oberfläche des Abtastelementes abhängigen Größen jeweils in Abhängigkeit von einem Radius des Abtastelementes bestimmt werden. Denkbar ist z. B., dass die Größen jeweils durch das Quadrat des Abstandes zwischen einem Ausgangsabtastpunkt und dem zugeordneten nächstliegenden Punkt gebildet werden, wobei der Abstand jeweils um die Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt und der Oberfläche des Abtastelementes vermindert wird.
Der mittlerere Abstand ergibt sich dann als Summe der Quadrate (L2-Norm). Beispielsweise ist das Abtastelement kugelförmig ausgebildet, wobei der Referenzpunkt des Abtastelementes z. B. der Mittelpunkt der Kugel ist, so dass die Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt (bzw. dem korrigierten Punkt) und der Oberfläche des Abtastelementes, die der Berechnung des mittleren Abstandes zugrunde zu legen ist, jeweils um den Radius des Abtastelementes vermindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Überprüfung, ob zumindest einer der Ausgangsabtastpunkte bzw. der korrigierten Punkte auf einer Innenseite des Modells der Oberfläche des Objektes liegt, d. h. ob zumindest einer der korrigierten Punkte im Inneren z. B. einer 3D-Rekonstruktion des Objektes liegt. Falls dies der Fall sein sollte, werden die Koordinaten des betroffenen korrigierten Punktes verändert oder der betroffene korrigierte Punkt wird nicht berücksichtigt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines wie oben beschriebenen Verfahrens mit

i. einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen jeweils der räumlichen Position eines Referenzpunktes des Abtastelementes unter Ermittlung der jeweiligen Koordinaten des Referenzpunktes, wobei jeweils eine Position des Referenzpunktes einen Ausgangsabtastpunkt darstellt;
ii. einer Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Modells der Oberfläche des Objektes unter Bereitstellung von Koordinaten von Punkten des Modells; und
iii. einer Anpassungseinrichtung zum Anpassen der durch die Erfassungseinrichtung bestimmten Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte an den Verlauf des Modells der Oberfläche des Objektes, wobei
iv. die Anpassungseinrichtung ausgebildet ist, die Anpassung in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der Kontur des Abtastelementes vorzunehmen.

Die Erfassungseinrichtung beinhaltet beispielsweise ein klinisches Navigationssystem mit einer Messkamera, die Markierungselemente der Registriervorrichtung erfassen kann, wie oben bereits erläutert. Die Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Modells einer Oberfläche des Objektes (bzw. des gesamten Objektes) ist insbesondere eine Software oder eine programmierte Einrichtung, die eine 3D-Rekonstruktion eines Objektes oder eine sonstige Darstellung des Objektes erzeugt. Die Anpassungseinrichtung ist ebenfalls insbesondere in Form einer Software oder einer programmierten Einrichtung ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Registriervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 und 3 perspektivische Ansichten der Registriervorrichtung aus 1;
4 eine Illustration zum erfindungsgemäßen Verfahren; und
5 und 6 die Abhängigkeit des mittleren Abstandes zwischen Abtastpunkten und einer modellierten Oberfläche eines Objektes.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Registriervorrichtung 1 weist an einem Ende ein Abtastelement 11 auf, das eine Kontaktfläche 111 mit einer räumlichen Kontur aufweist, d.h. das Abtastelement 11 ist nicht punktförmig ausgebildet. Die Kontaktfläche 111 wird zum Registrieren eines Punktes einer Oberfläche in Kontakt mit der Oberfläche gebracht.
Wie insbesondere in der in 1 enthaltenen Ausschnittsvergrößerung A des Abtastelementes 11 zu entnehmen ist, ist das Abtastelement 11 als Teil einer Oberfläche eines Teilabschnitts einer Kugel ausgebildet, so dass die Kontaktfläche 111 im Wesentlichen sphärisch ausgebildet ist.
Das Abtastelement 11 ist (insbesondere einstückig) mit einem Schaft 12 der Registriervorrichtung 1 verbunden. Der Schaft 12 weist einen sich verjüngenden vorderen Abschnitt 121 auf, der über eine Krümmung 122 mit einem sich im Wesentlichen gerade erstreckenden hinteren Abschnitt 123 verbunden ist. Das vordere Ende 121 des Schaftes 12 verjüngt sich auf eine solche Weise, dass der Durchmesser seines mit dem Abtastelement 11 verbundenen Endes 1211 kleiner ist als die maximale Ausdehnung des Abtastelementes 11 senkrecht zur Achse des vorderen Schaftabschnittes 121. Mit anderen Worten ist der Radius R_x des Abtastelementes 11 größer als der Radius des Endes 1211 des vorderen Schaftabschnittes 121.
Die erfindungsgemäße Registriervorrichtung 1 weist des Weiteren eine Markierungseinrichtung in Form zweier mit dem hinteren Schaftabschnitt 123 verbundener Markierungskugeln 21, 22 auf. Unter Verwendung eines (z.B. klinischen) Navigationssystems (nicht dargestellt) kann mit Hilfe der Markierungskugeln 21, 22 die räumliche Lage der Registriervorrichtung 1 bestimmt werden. Insbesondere kann über die Markierungskugeln 21, 22, da das Abtastelement 11 in einer festen räumlichen Beziehung zu ihnen steht, die räumliche Position des Abtastelementes 11 bzw. eines Referenzpunktes (z. B. der Mittelpunkt) des Abtastelementes 11 bestimmt werden. Beim Abtasten (Registrieren) der Oberfläche kann somit jeweils die Position des Referenzpunktes des Abtastelementes bestimmt werden, wobei die Koordinaten des Referenzpunktes für unterschiedliche Abtastpositionen (d.h. unterschiedliche Positionen der Registriervorrichtung 1) ermittelt und gespeichert werden. Es wird somit eine Punktemenge aus den jeweiligen Positionen des Referenzpunktes (im Folgenden auch als „Ausgangsabtastpunkt“ bezeichnet) erzeugt, die dem Verlauf der zu registrierenden Oberfläche folgt.
Die über die Registriervorrichtung erfasste (tatsächliche) Oberfläche des Objektes kann zum Beispiel an ein Modell der Oberfläche (d.h. an eine „virtuelle Oberfläche“) angepasst werden, so dass etwa die Position eines Instrumentes, die z.B. ebenfalls über das klinische Navigationssystem bestimmbar ist, lagerichtig in ein 3D-Modell in der Oberfläche bzw. des gesamten Objektes eingeblendet werden kann. Die Anpassung der Ausgangsabtastpunkte an die virtuelle Oberfläche berücksichtigt die räumliche Ausdehnung des Abtastelementes.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Registrieren einer Oberfläche wird nachfolgend anhand der 4 erläutert. Eine Mehrzahl von Punkten der zu registrierenden (tatsächlichen) Oberfläche wird durch Inkontaktbringen des Abtastelementes 11 der Registriervorrichtung 1 mit der Oberfläche abgetastet, wobei jeweils die räumliche Position eine Referenzpunktes in Form des Mittelpunktes des Abtastelementes 11 erfasst werden.
Darüber hinaus wird ein Modell O der Oberfläche bereitgestellt, wobei die modellierte Oberfläche O zum Beispiel eine Oberfläche einer 3D-Rekonstruktion des zu untersuchenden Objektes ist. Beim Abtasten der Oberfläche mit Hilfe der erfindungsgemäßen Registriervorrichtung wird das Abtastelement 11 an verschiedene Positionen bewegt, von denen zwei (die Positionen P1 und P2) in 4 dargestellt sind. Für jede Position des Abtastelements 11 wird die Position M1, M2 des Mittelpunktes des Abtastelementes 11 aufgezeichnet. Die Positionen des Mittelpunktes bilden eine Menge von Punkten (Ausgangsabtastpunkte), wobei sich gemäß 4 die modellierte Oberfläche O und die Ausgangsabtastpunkte M1, M2 in einem gemeinsamen Koordinatensystem, insbesondere in dem Koordinatensystem (Weltkoordinatensystem) eines klinischen Navigationssystems, befinden.
Beispielsweise wurde der Verlauf der modellierten Oberfläche O zunächst in einem von dem Koordinatensystem der Ausgangsabtastpunkte verschiedenen Koordinatensystem bereitgestellt und die modellierte Oberfläche dann in das Koordinatensystem, in dem die Ausgangsabtastpunkte M1, M2 vorliegen, transformiert. Nach der Transformation der modellierten Oberfläche O in das Koordinatensystem der Ausgangsabtastpunkte M1, M2 weisen diese einen Abstand zu der modellierten Oberfläche O auf, wobei die modellierte Oberfläche O relativ zu einer durch die Ausgangsabtastpunkte gebildeten Oberfläche verdreht und/oder verschoben ist. Um später die Position eines Instrumentes im Koordinatensystem der Ausgangsabtastpunkte M1, M2 lagerichtig in eine 3D-Rekonstruktion, zu der die modellierte Oberfläche O gehört, einblenden zu können, ist es notwendig, den Verlauf der durch die Ausgangsabtastpunkte gebildeten Oberfläche an den Verlauf der modellierten Oberfläche O anzupassen, d.h. insbesondere eine Abbildung zu finden, die die durch die Ausgangsabtastpunkte M1, M2 gebildeten Oberfläche möglichst parallel und nah an die modellierte Oberfläche O heranbringt.
Dieses Anpassen der Ausgangsabtastpunkte an den Verlauf der modellierten Oberfläche O erfolgt dadurch, dass zunächst von den Ausgangsabtastpunkten M1, M2 jeweils ein diesen Ausgangsabtastpunkten nächstliegender Punkt O1, O2 der Oberfläche O ermittelt wird. Die Ermittlung der Punkte O1, O2 erfolgt zum Beispiel dadurch, dass ausgehend von den Ausgangsabtastpunkten M1, M2 jeweils ein Lot auf die Oberfläche O gefällt und der Schnittpunkt S1, S2 des Lotes mit der Oberfläche O bestimmt wird. Denkbar ist auch, dass zu jedem Ausgangsabtastpunkt M1, M2 Abstände zu mehreren Punkten der Oberfläche O ermittelt und dann jeweils der kleinste dieser Abstände bestimmt wird.
Abhängig von den jeweiligen Abständen zwischen den Ausgangsabtastpunkten M1, M2 und den nächstliegenden Punkten O1, O2 wird ein „mittlerer Abstand“ zwischen der durch die Ausgangsabtastpunkte definierten Oberfläche und der modellierten Oberfläche O generiert und mit einem Grenzwert verglichen. Ist der mittlere Abstand größer als der Grenzwert, wird eine Abbildung (Transformation) unter Verwendung der Positionen der Ausgangsabtastpunkten M1, M2 und der nächstliegenden Punkte O1, O2 gebildet, wobei mittels der Abbildung die Position der Ausgangsabtastpunkte M1, M2 verändert (an die Oberfläche O angenähert) wird. Insbesondere erfolgt eine Translation und/oder Rotation der Menge der Ausgangsabtastpunkte, wobei z.B. der Ausgangsabtastpunkt M2 in einen korrigierten Punkt M2’ überführt wird. Anschließend wird erneut der mittlere Abstand bestimmt, wobei anstelle der Ausgangsabtastpunkte die korrigierten Punkte verwendet werden. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis der mittlere Abstand einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet.
Die mittlere Abstand wird insbesondere als Quadratsumme Q der Abstände zwischen den Schnittpunkten S1, S2 und den nächstliegenden Punkten O1, O2 ermittelt, d.h. es werden jeweils die Abstände der Ausgangsabtastpunkte M1, M2 zu den nächstliegenden Punkten O1, O2 ermittelt und um die Ausdehnung des Abtastelementes 11 entlang der Strecke M1O1, M2O2 vermindert. Die Ausdehnung des Abtastelementes 11 entlang der Strecke M1O1, M2O2 ergibt sich jeweils als Länge der Strecken M1S1, M2S2, d.h. bei einem kugelförmigen Abtastelement als Radius des Abtastelementes.
Das Anpassen der Oberflächen erfolgt somit durch Minimieren der Quadratsumme Q, wobei es möglich ist, dass für die Quadratsumme Q mehrere Minima existieren, d.h. verschiedene Anordnungen der Ausgangsabtastpunkte bzw. der korrigierten Punkte existieren, die zu einer Quadratsumme Q führen, die den vorgegebenen Grenzwert unterschreiten. Ein Minimum der Quadratsumme Q kann auch dadurch entstehen, dass einige der Ausgangsabtastpunkte bzw. der korrigierten Punkte im Inneren der 3D-Rekonstruktion des Objektes liegen. Um derartige Lösungen auszuschließen, wird ein heuristisches Verfahren angewandt, mit dem derartige Punkte nicht berücksichtigt oder deren korrigierte Position verändert wird.
In 5 ist die Quadratsumme für unterschiedliche Positionen x der korrigierten Punkte M2’, M2’’. Die Quadratsumme Q nimmt danach sowohl bei der in 4 gestrichelt dargestellten Position T2 des korrigierten Punktes M2’ als auch bei der ebenfalls gestrichelt dargestellten Position T2’ des korrigierten Punktes M2’’ ein Minimum an. Die Position T2’ entspricht jedoch einer Lage des korrigierten Punktes M2’ auf einer Innenseite der modellierten Oberfläche O (innerhalb der 3D-Rekonstruktion des Objektes). Diese Lösung wird daher verworfen und der korrigierte Punkt M2’ in den korrigierten Punkt M2’’ an der Position T2’ überführt, der ebenfalls zu einem Minimum der Quadratsumme Q führt (6).
Es wird darauf hingewiesen, dass das anhand der 4–6 erläuterte Verfahren natürlich auch mit einer anders als in 1 gezeigt ausgestalteten Registriervorrichtung durchgeführt werden kann. Insbesondere kann eine Registriervorrichtung benutzt werden, die zwar ebenfalls ein Abtastelement mit einer nicht punktförmigen Gestalt aufweist, das Abtastelement jedoch nicht kugelförmig ausgeformt ist (sondern zum Beispiel eine auf andere Weise gekrümmte Kontaktfläche aufweist). Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren in beliebig dimensionalen Räumen durchgeführt werden, z.B. kann es sich bei dem Koordinatensystem, in dem sich die zu registrierenden Oberfläche befindet, auch um ein zweidimensionales Koordinatensystem handeln. Denkbar sind jedoch auch höherdimensionale Koordinatensysteme.
Bezugszeichenliste

1: Registriervorrichtung
11: Abtastelement
12: Schaft
21, 22: Markierungskugel
111: Kontaktfläche
121: vorderer Schaftabschnitt
122: Krümmung
123: hinterer Schaftabschnitt
1211: vorderes Ende
O: modellierte Oberfläche
O1, O2: nächstliegender Punkt
M1, M2: Ausgangsabtastpunkt
M2’, M2’’: korrigierter Punkt
S1, S2: Schnittpunkt
P1, P2: Position Abtastelement
T2, T2’: Position korrigierter Punkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5715166 [0002, 0022]

Claims

Registriervorrichtung zum Registrieren von Punkten einer Oberfläche eines Objektes, mit a) einem Abtastelement (11), das zum Registrieren eines Punktes der Oberfläche in Kontakt mit der Oberfläche zu bringen ist, wobei b) das Abtastelement (11) eine der zu registrierenden Oberfläche zuzuwendende räumliche Kontur (111) aufweist.
Registriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Kontur (111) eine Krümmung aufweist.
Registriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (11) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Registriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (11) eine sphärische oder elliptische Form aufweist.
Registriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (11) mit einem Schaftabschnitt (121) der Registriervorrichtung (1) verbunden ist, wobei ein mit dem Abtastelement (11) verbundenes Ende (1211) des Schaftabschnittes (121) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als die maximale Ausdehnung des Abtastelementes (11) gemessen senkrecht zur Achse des Schaftabschnittes (121).
Registriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Markierungseinrichtung (21, 22), über die die räumliche Position der Registriervorrichtung (1) ermittelbar ist.
Verfahren zum Registrieren einer Oberfläche eines Objektes unter Verwendung einer Registriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: a) Abtasten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche durch Inkontaktbringen des Abtastelements (11) der Registriervorrichtung (1) mit der Oberfläche; b) Erfassen jeweils der räumlichen Position eines Referenzpunktes des Abtastelementes unter Ermittlung der jeweiligen Koordinaten des Referenzpunktes, wobei jeweils eine Position des Referenzpunktes einen Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) darstellt; c) Bereitstellen eines Modells (O) der Oberfläche des Objektes; d) Anpassen der in Schritt b) bestimmten Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte (M1, M2) an den Verlauf des Modells (O) der Oberfläche des Objektes, wobei e) Schritt d) in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der Kontur (111) des Abtastelementes (11) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) umfasst: – Transformieren der Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte (M1, M2) und/oder des Modells (O) der Oberfläche des Objektes in ein gemeinsames Koordinatensystem; und – für jeden gemäß Schritt b) erfassten Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) Bestimmen eines nächstliegenden Punktes (O1, O2) des Modells (O) der Oberfläche in dem gemeinsamen Koordinatensystem;
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erzeugen der korrigierten Punkte (M2’, M2’’) in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der Kontur (111) des Abtastelementes (11) ein mittlerer Abstand zwischen den Ausgangsabtastpunkten (M1, M2) und den nächstliegenden Punkten (O1, O2) bestimmt wird, und wenn der mittlere Abstand einen vorgebbaren Grenzwert übersteigt: i. Bestimmen einer Abbildung in Abhängigkeit von den Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte (M1, M2) und der nächstliegenden Punkte (O1, O2) des Modells (O) der Oberfläche zum Erzeugen von korrigierten Punkten (M2’, M2’’); und ii. Erzeugen von korrigierten Punkten (M2’, M2’’) durch Abbilden der Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte (M1, M2) unter Verwendung der in Schritt i) bestimmten Abbildung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierten Punkte (M2’, M2’’) die Ausgangsabtastpunkte (M1, M2) ersetzen, ein mittlerer Abstand zwischen den korrigierten Punkten (M1, M2) und den zu ihnen nächstliegenden Punkten bestimmt wird und, wenn der mittlere Abstand den vorgebbaren Grenzwert übersteigt, die Schritte i) und ii) wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des mittleren Abstandes ein Ermitteln einer Größe für jeden Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) oder jeden korrigierten Punkt (M2’, M2’’) umfasst, die von der Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) oder dem korrigierten Punkt (M2’, M2’’) und der Kontur (111) des Abtastelementes (11) entlang einer Geraden, die durch den Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) oder den korrigierten Punkt (M2’, M2’’) und den jeweils zugeordneten nächstliegenden Punkt (O1, O2) verläuft, abhängt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (11) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, so dass die von der Länge der Strecke zwischen den Ausgangsabtastpunkten (M1, M2) oder den korrigierten Punkten (M2’, M2’’) und der Kontur (111) des Abtastelementes (11) abhängigen Größen in Abhängigkeit von einem Radius (Rx) des Abtastelementes (11) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Länge der Strecke zwischen den Ausgangsabtastpunkten (M1, M2) oder den korrigierten Punkten (M2’, M2’’) und der Kontur (111) des Abtastelementes (11) abhängigen Größen jeweils durch das Quadrat des Abstandes zwischen einem Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) oder einem korrigierte Punkte (M2’, M2’’) und dem zugeordneten nächstliegenden Punkt (O1, O2) gebildet werden, wobei der Abstand jeweils um die Länge der Strecke zwischen dem Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) oder dem korrigierten Punkt (M2’, M2’’) und der Kontur (111) des Abtastelementes (11) vermindert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überprüfung erfolgt, ob zumindest einer der Ausgangsabtastpunkten (M1, M2) oder der korrigierten Punkte (M2’, M2’’) auf einer Innenseite des Modells (O) der Oberfläche des Objektes liegt und falls dies der Fall sein sollte, die Koordinaten des Ausgangsabtastpunkts (M1, M2) oder des korrigierten Punkts (M2’, M2’’) verändert werden oder der betroffene Ausgangsabtastpunkts (M1, M2) oder der betroffene korrigierte Punkt (M2’, M2’’) nicht berücksichtigt wird.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem Ansprüche 7 bis 14, mit a) einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen jeweils der räumlichen Position eines Referenzpunktes des Abtastelementes (11) unter Ermittlung der jeweiligen Koordinaten des Referenzpunktes, wobei jeweils eine Position des Referenzpunktes einen Ausgangsabtastpunkt (M1, M2) darstellt; b) einer Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Modells (O) der Oberfläche des Objektes unter Bereitstellung von Koordinaten von Punkten des Modells; und c) einer Anpassungseinrichtung zum Anpassen der durch die Erfassungseinrichtung bestimmten Koordinaten der Ausgangsabtastpunkte (M1, M2) an den Verlauf des Modells (O) der Oberfläche des Objektes, wobei d) die Anpassungseinrichtung ausgebildet ist, die Anpassung in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der Kontur (111) des Abtastelementes (11) vorzunehmen.