Verfahren zum Erfassen der Lage einer magnetgeführten Endo- skopiekapsel und Endoskopieeinrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen der Lage einer magnetgeführten Endoskopiekapsel . Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Endoskopieeinrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Ein solche magnetgeführte Endoskopiekapsel ist beispielsweise aus der DE 101 42 253 Cl bekannt und wird insbesondere zur Untersuchung des Magens eingesetzt, der zu diesem Zweck mit Flüssigkeit gefüllt ist. Eine mit einer solchen Endoskopie ^¬ kapsel durchgeführte Endoskopie (MGCE magnetically guided capsule endoscopy) erfordert vom Bediener einerseits ein gu ^¬ tes räumliches Anschauungs- und Orientierungsvermögen, ande ^¬ rerseits ist die Steuerung der Bewegung der Endoskopiekapsel für einen Bediener, der nur den Umgang mit handgeführten flexiblen Endoskopen kennt, ungewohnt. Darüber hinaus ist in der Regel die aktuelle Lage der Endoskopiekapsel, d.h. deren ak ^¬ tueller Ort und deren aktuelle Orientierung im Raum nicht bekannt, wenn diese nicht mit einem Positionserfassungssystem zusammenarbeitet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ^¬ ren anzugeben, mit dem es auf einfache Weise möglich ist, die Lage einer magnetgeführten Endoskopiekapsel im Raum zu erfas- sen. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Endoskopieeinrichtung anzugeben .

Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei diesem Verfahren wird mit einer in der Endoskopiekapsel angeordneten Kamera ein Kamerabild eines von zumindest einer Lichtquelle beleuchteten Objektrau- mes aufgenommen, wobei aus der Lage des realen Bildes eines durch Reflektion an einer spiegelnden Oberfläche entstehenden virtuellen Bildes der Lichtquelle im Kamerabild Information über die Lage der Endoskopiekapsel relativ zu dieser spie- gelnden Oberfläche abgeleitet wird.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass an einer glatten, zumindest einen Teil des auftreffenden Lichtes re ^¬ flektierenden Ober- bzw. Grenzfläche durch Spiegelung ein virtuelles Bild der Lichtquelle erzeugt und im Kamerabild der Kamera als reelles Bild wiedergegeben wird, dessen Lage im Kamerabild Information über die Lage der Lichtquelle relativ zu dieser Ober- bzw. Grenzfläche enthält. Bei einer in den mit Wasser befüllten Magen eingebrachten Endoskopiekapsel wird diese spiegelnde Ober- bzw. Grenzfläche durch die Grenz ^¬ fläche zwischen Wasser und einem darüber befindlichen Luftraum gebildet. Dabei hängt die Intensität des an dieser

Grenzfläche in die Kamera reflektierenden Lichtes vom Ein ^¬ fallswinkel relativ zur Flächennormalen ab und nimmt mit zu- nehmendem Einfallswinkel zu, wobei bei senkrechtem Einfall an der Grenzfläche Wasser/Luft etwa 2% des auftreffenden Lichtes reflektiert werden. Die Intensität des reflektierten Lichtes reicht somit auch bei nahezu senkrechtem Einfall auf die Grenzfläche aus, um im Kamerabild ein deutlich erkennbares reelles Bild der Lichtquelle zu erzeugen. Da die Helligkeit des Kamerabildes an dem Ort, an dem sich das reelle Bild der Lichtquelle befindet, deutlich höher ist als in der Umgebung davon, kann dessen Lage auf einfache Weise mit Methoden der digitalen Bildbearbeitung, beispielsweise mit einem intensi- tätsbasierten Filter, automatisch ermittelt werden.

Wenn eine Mehrzahl von Lichtquellen verwendet wird, deren geometrische Anordnung relativ zueinander und relativ zur Endoskopiekapsel bekannt ist, kann aus der geometrischen Anord- nung und Lage der reellen Bilder dieser Lichtquellen im Kamerabild, beispielsweise aus deren Abstand zur Bildmitte, die Lage der Endoskopiekapsel relativ zur spiegelnden Fläche, d.h. deren Orientierung zur spiegelnden Oberfläche und deren Abstand von der spiegelnden Fläche ermittelt werden. Dies kann unter Zuhilfenahme von Look-up-Tabellen, eines Lernalgorithmus oder eines analytischen Ansatzes erfolgen. Darüber hinaus können durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Lichtquellen Fehler eliminiert werden, die durch eine unruhige, bewegte Wasseroberfläche entstehen können.

Darüber hinaus kann aus der Gleichmäßigkeit der geometrischen Anordnung der reellen Bilder der Lichtquellen im Kamerabild geschlossen werden, dass die Endoskopiekapsel unter Wasser zur Wasseroberfläche hin ausgerichtet ist, da die Magenwand selbst dann, wenn sie mit Wasser benetzt ist, in der Regel eine unregelmäßige und nicht glatte Struktur aufweist.

Die Berechnung bzw. Ermittlung der Lage der Endoskopiekapsel ist insbesondere dann vereinfacht, wenn die Lichtquellen in äquidistanten Winkelabständen zueinander auf einer Kreislinie angeordnet sind, die insbesondere in einer senkrecht zur op ^¬ tischen Achse der Kamera orientieren Ebene liegt.

Hinsichtlich der Endoskopieeinrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Endoskopieeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 6. Eine solche Endoskopieein ^¬ richtung umfasst eine Endoskopiekapsel, die eine Kamera zum Aufnehmen eines Kamerabildes und zumindest eine Lichtquelle zum Beleuchten des von der Kamera erfassten Objektraumes enthält, sowie eine externe Empfangs- und Auswerteeinrichtung zum Empfangen des Kamerabildes, in der eine Bildbearbeitungs ^¬ software zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert ist.

Eine insbesondere zur Verwendung in der Endoskopieeinrichtung geeignete Endoskopiekapsel enthält eine Mehrzahl von Licht ^¬ quellen, die in äquidistanten Winkelabständen zueinander auf einer Kreislinie angeordnet sind, die in einer senkrecht zur optischen Achse der Kamera orientierten Ebene liegt. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen. Es zei ^¬ gen : Fig. 1 eine Endoskopieeinrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, bei der sich die magnetgeführte Endoskopiekapsel in einer Arbeitsposi ^¬ tion unter Wasser unterhalb einer Wasseroberfläche be ^¬ findet,

Fig. 2 die Endoskopiekapsel in einer Draufsicht auf die Vor ^¬ derseite,

Fig. 3 ein von der Kamera einer gemäß Fig. 1 orientierten

Kapsel erzeugtes Kamerabild,

Fig. 4 die Endoskopiekapsel in einer teilweisen Seitenansicht mit schräg zur Grenzfläche orientierter optischer Achse,

Fig. 5 ein in dieser Lage erzeugtes Kamerabild,

Fig. 6 die Endoskopiekapsel in einer Position, bei der sie teilweise die Wasseroberfläche überragt,

Fig. 7 das mit der in Fig. 6 dargestellten Endoskopiekapsel erzeugte Kamerabild.

Gemäß Fig. 1 umfasst eine Endoskopieeinrichtung gemäß der Erfindung eine magnetgeführte Endoskopiekapsel 2 mit einer dar- in angeordneten Kamera 4. In oder an der Endoskopiekapsel 2 sind eine Mehrzahl von Lichtquellen 6, beispielsweise LEDs, angeordnet, die den von der Kamera 4 erfassten Objektraum beleuchten. Die von der Kamera 4 empfangenen Kamerabilder werden drahtlos an eine externe Empfangs- und Auswerteeinheit 8 übermittelt, in der eine Auswertung der Kamerabilder erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Endoskopie ^¬ kapsel 2 zwei Kameras 4, die in einander entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit, sind die zur magnetischen Steuerung der magnetgeführten Endoskopiekapsel 2 erforderlichen externen sowie innerhalb der Endoskopiekapsel 2 erforderlichen Komponenten nicht dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Endo- skopiekapsel 2 im Inneren eines in der Figur nicht darge ^¬ stellten Hohlorgans, insbesondere eines Magens, in einer Flüssigkeit 10, in der Regel Wasser, unterhalb einer spie- gelnden Oberfläche 12, die durch die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit 10 und einem darüber befindlichen Gaspolster 14, im Beispiel Luft, gebildet ist. Im dargestellten Beispiel ist die optische Achse 16 der Kamera 4 senkrecht zur Oberflä ^¬ che 12, d.h. parallel zu deren Normalen orientiert. Die Endo- skopiekapsel 2 befindet sich in einem Abstand a unterhalb der Oberfläche 12.

Der Schwerpunkt der Endoskopiekapsel 2 ist vorzugsweise auf der mit der Mittellängsachse der Endoskopiekapsel 2 zusammen- fallenden optischen Achse 16 außerhalb des Schwerpunktes des von der Endoskopiekapsel 2 verdrängten Wassers angeordnet, so dass durch die Wirkung der Schwerkraft auf die Endoskopiekap ^¬ sel 2 ein Drehmoment ausgeübt wird, das die mit der Längsmit ^¬ telachse zusammenfallende optische Achse 16 der Endoskopie- kapsei 2 in Abwesenheit externer Magnetfelder parallel zur Schwerkraft ausrichtet.

Die von den Lichtquellen 6 gleichzeitig oder sequentiell emittierten Lichtstrahlen 20 werden an der durch die Grenz- fläche gebildeten spiegelnden Oberfläche 12 teilweise reflektiert und erzeugen im von der Kamera 4 aufgenommen Kamerabild ein reelles Bild der durch Reflektion entstehenden virtuellen Bilder 22 der Lichtquellen 6. Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Lichtquellen 6 in einer

Ebene senkrecht zur optischen Achse 16 auf einer Kreislinie 24 in einem äquidistanten Winkelabstand φ zueinander angeordnet sind. Im Beispiel sind sechs Lichtquellen 6 vorgesehen, die sich jeweils in einen Winkelabstand von 60° zueinander befinden.

Fig. 3 zeigt ein mit der in Fig. 1 dargestellten Endoskopiekapsel 2 aufgenommenes Kamerabild 28. In diesem Kamerabild 28 sind die reellen Bilder 30 der Lichtquellen wiedergegeben, die in diesem Fall ebenfalls auf einer Kreislinie 32 angeord ^¬ net sind. Im Beispiel haben alle reellen Bilder 30 denselben Abstand Di/2 von der Bildmitte 33, so dass unmittelbar folgt, dass die reellen Bilder 30 auf einem Kreis mit dem Durchmes ^¬ ser Di angeordnet sind, so dass für den Fall, dass die Licht ^¬ quellen ebenfalls auf einer Kreislinie angeordnet sind ge ^¬ schlossen werden kann, dass die optische Achse 16 der Endo- skopiekapsel 2 senkrecht zur spiegelnden Oberfläche 12 orien- tiert ist. Aus dem Durchmesser Di der Kreislinie 32 kann außerdem auf den Abstand a zwischen der Endoskopiekapsel 2 und der spiegelnden Oberfläche 12 geschlossen werden.

In Fig. 4 ist eine Arbeitssituation dargestellt, bei der sich die Endoskopiekapsel 2 unterhalb der spiegelnden Oberfläche 12 befindet, wobei jedoch die optische Achse 16 unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Oberfläche 12 geneigt aus ^¬ gerichtet ist. In diesem Fall sind die reellen Bilder 30 der virtuellen Bilder 22 der Lichtquellen 6 auf einer Ellipse 34 angeordnet, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist. Aus den Abmessungen dieser Ellipse 34, d.h. aus der Länge der Halbachsen kann wiederum auf den Abstand a zwischen der Endoskopiekapsel 2 und der Oberfläche 12 geschlossen werden. Die Orientierung der optischen Achse 16, d.h. der Winkel kann aus dem Verhältnis der Achsen der Ellipse ermittelt werden.

Die Lage der reellen Bilder 30 der Lichtquellen und deren Abstand zur Bildmitte 33 im Kamerabild 28 wird automatisch durch die Empfangs- und Auswerteeinheit 8 (Fig.l) ermittelt, in der geeignete Bildbearbeitungsalgorithmen implementiert sind, mit der diese reellen Bilder 30 segmentiert werden können. Ihre geometrische Anordnung und die Zuordnung einer geometrischen Struktur kann dadurch ermittelt werden, dass diejenige Kreis- bzw. Ellipsenform bestimmt wird, die sich mit der tatsächlich erfassten Lage der reellen Bilder 30 am besten in Deckung bringen lässt. Fig. 6 zeigt eine Situation, bei der die Endoskopiekapsel mit ihrer Spitze über die Oberfläche 12 hinausragt, wobei deren optische Achse 16 senkrecht zur Oberfläche 12 orientiert ist. In dieser Situation ergibt sich ein Kamerabild 28, bei dem die reellen Bilder 30 wie in Fig. 3 entlang einer Kreislinie 36 angeordnet sind, deren Durchmesser D ₂ größer ist als der Durchmesser Di der Kreislinie 32 gemäß Fig. 3. Darüber hinaus ist im Kamerabild 28 außerdem die Schnittlinie 38 zwi ^¬ schen der Oberfläche 12 und der Wand der Endoskopiekapsel 2 erkennbar.