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技術 色付きストライプパターンを用いた被検体の表面の深さの特定

出願人 シーメンスアクチエンゲゼルシヤフト
発明者 アントンシックペーターレンチュラー
出願日 2015年3月25日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2017-504247
公開日 2017年6月1日 (2年7ヶ月経過) 公開番号 2017-514149
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による測長装置
主要キーワード パッシブ法 色エラー 複合流体 概略流れ図 スライド映写機 幅コード チップカメラ 有機組織
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題・解決手段

ここで提案されているのは、被検体の表面の深さを特定する方法であり、この方法では、複数の色付ストライプ列(4)から構成される色付きストライプパターンを被検体の表面に投影し、この被検体の表面から反射されたストライプパターン(7)を検出し、評価装置を用いて評価し、ここでは被検体の表面の深さの特定が、反射ストライプパターン(7)の色付きストライプの列(4)と、反射ストライプパターン(7)のストライプ幅の列(5)とを用いて行われるように、色付きストライプパターン及び評価装置が形成されている。

概要

背景

概要

ここで提案されているのは、被検体の表面の深さを特定する方法であり、この方法では、複数の色付ストライプ列(4)から構成される色付きストライプパターンを被検体の表面に投影し、この被検体の表面から反射されたストライプパターン(7)を検出し、評価装置を用いて評価し、ここでは被検体の表面の深さの特定が、反射ストライプパターン(7)の色付きストライプの列(4)と、反射ストライプパターン(7)のストライプ幅の列(5)とを用いて行われるように、色付きストライプパターン及び評価装置が形成されている。

目的

重要であるのは、検出した少なくとも2つの像において対応する画素識別することである

効果

実績

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請求項1

検体の表面の深さを特定する方法であって、当該方法では、複数の色付ストライプの列(4)から構成される色付きストライプパターンを前記被検体の表面に投影し、前記被検体の当該表面から反射されるストライプパターン(7)を検出し、評価装置を用いて評価し、前記被検体の前記表面の前記深さの特定が、反射された前記ストライプパターン(7)の色付きストライプの列(4)と、反射された前記ストライプパターン(7)のストライプ幅の列(5)とを用いて行われる、ように前記色付きストライプパターン及び前記評価装置を形成する、ことを特徴とする方法。

請求項2

基本色の赤(11)、緑(12)及び青(13)、及び/又は、当該色の混合色(21、22、23、31)、及び/又は、黒(32)から構成される色付きストライプパターンを使用する、請求項1に記載の方法。

請求項3

少なくとも1つの基本色(12、13)が消去(40)される際に、反射された前記ストライプパターン(7)の前記ストライプ幅の列(5)が生じるように、前記色付きストライプパターンを構成する、請求項2に記載の方法。

請求項4

反射ストライプパターン(7)のストライプ幅の既知の列(5)から、色付きストライプパターンの色付きストライプ列(4)を導出して、少なくとも1つの基本色(12、13)が消去(40)される際に、前記色付きストライプパターンから、前記既知のストライプ幅の列(5)が得られるようにする、請求項3に記載の方法。

請求項5

前記反射ストライプパターン(7)における少なくとも1つの基本色(12、13)の前記消去(40)が、当該基本色(12、13)の吸収によって行われる、請求項3又は4に記載の方法。

請求項6

前記被検体の前記表面の深さの特定を、検出した前記反射ストライプパターン(7)の第1及び第2部分領域(16,18)から求め、前記深さの特定を、前記第1部分領域(16)では前記色付きストライプ列(4)を用いて、前記第2部分領域(18)では前記反射ストライプパターン(7)の前記ストライプ幅の列(5)を用いて行う、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。

請求項7

前記第2部分領域(18)を閾値によって特定する、請求項6に記載の方法。

請求項8

白色光を前記被検体の前記表面に投影し、当該被検体よって反射された前記白色光の像を検出し、当該白色光の反射された像と、前記反射ストライプパターン(7)との比較によって前記閾値を決定する、請求項7に記載の方法。

請求項9

チップカメラを用いて前記反射ストライプパターン(7)を検出する、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法。

請求項10

前記3チップカメラの個々のチップの信号から、前記反射ストライプパターン(7)の前記ストライプ幅の列(5)を得る、請求項9に記載の方法。

請求項11

スライドを用いて前記色付きストライプパターンを作成する、請求項1から10までのいずれか1項に記載の方法。

請求項12

前記色付きストライプパターンの前記色付きストライプ列(4)をランダムに生成する、請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法。

請求項13

複合流体によって前記被検体を取り囲む、請求項1から12までのいずれか1項に記載の方法。

請求項14

複合流体として血液(42)を使用する、請求項13に記載の方法。

請求項15

被検体の表面の深さを特定する装置において、前記被検体の表面に色付きストライプパターンを投影するように形成された投影装置と、前記被検体の前記表面によって反射されたストライプパターン(7)を検出するように設けられている検出装置と、前記反射ストライプパターン(7)の前記色付きストライプ列(4)と、前記反射ストライプパターン(7)の前記ストライプ幅の列(5)とを用いて、前記被検体の前記表面の深さを特定するように形成された評価装置とを有する、ことを特徴とする装置。

技術分野

0001

本発明は、カラーコード三角測距法を用いて被検体の表面の深さを特定する方法に関する。

0002

従来技術では、深さの特定に対し、アクティブ三角測距法とパッシブ三角測距法とが区別される。パッシブ三角測距法とは異なり、アクティブ三角測距法は、構造化された対象体照明を有し、この対象体照明の幾何形状特性既知である。パッシブ法では一般的に、対象体照明として拡散性昼光又は投光器の光が使用され、少なくとも2つのカメラシステムにより、複数の視線から被検体の1つずつの像が検出される。重要であるのは、検出した少なくとも2つの像において対応する画素識別することである。2つの画素が互いに対応するのは、これらの画素が、被検体の表面上の同じ点を示す場合である。対応する画素の識別は、対応付け問題と称される。

0003

アクティブ三角測距法では、この対応付け問題がより緩和される。アクティブ三角測距法では、あらかじめ設定されておりかつ既知の空間方向から被検体の表面にパターン投影され、これとは異なる空間方向からこのパターンが検出される。被検体の表面が湾曲していることにより、検出したパターンは、歪むか又は変形する。このパターンの歪み又は変形から、対応するアルゴリズムにより、被検体の3次元構造再構成することができる(深さの特定)。

0004

深さを特定するために必要であるのは、検出した上記の歪んだ又は変形したパターンにおいて、投影したパターンの際立った特徴を一意に識別することである。この一意性が得られないか又は不十分にしか得られない場合、被検体の再構成した3次元構造においてエラー箇所が発生する。

0005

これを改善するため、従来技術では、コード形された又はカラーコード形三角測距法が提案されている。この有利なカラーコード形三角測距法の1つの欠点は、吸収により、投影したパターンと、検出したパターンとの間に違いが色の違いが生じ、この色の違いそれ自体が、上記のようなエラー箇所に結び付き、結果的に対応付け問題に結び付くことである。検出したパターンを評価する際、対応して適合させたアルゴリズムにより、平坦化アルゴリズムを用いて上記のエラー箇所を補間及び/又は修復することが試みられている。従来技術によれば、これは不十分にしか成功していない。

0006

特に、例えば有機組織のように、色が大きく異なって吸収される表面では一般的に、検出したパターンのわずかな個数の画素しか得られないため、外療においてカラーコード形三角測距法を適用する際には、上記の対応付け問題がより厳しくなる。

0007

したがって本発明の課題は、カラーコード形三角測距法を改善することである。

0008

この課題は、独立請求項1の特徴的構成を備えた方法と、独立請求項15の特徴的構成を備えた装置とによって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態及び発展形態が示されている。

0009

本発明では、被検体の表面の深さを特定する方法が提案され、この方法では、複数の色付ストライプの列から構成されるストライプパターンを被検体の表面に投影し、この被検体の表面から反射された色付きストライプパターンを検出し、評価装置を用いて評価し、被検体の表面の深さの特定が、反射されたストライプパターンの色付きストライプ列と、反射ストライプパターンのストライプ幅の列とを用いて行われるように上記の色付きストライプパターン及び評価装置を形成する。

0010

本発明では、被検体の表面の深さの特定は、反射ストライプパターンの色付きストライプ列と、反射ストライプパターンの幅の列とを用いて行われる。言い換えると、上記の色付きストライプ列は、カラーコードを形成し、反射ストライプパターンのストライプ幅の列は、幅コードを形成する。ここでは上記の評価装置は、カラーコード及び幅コードを評価するように形成される。

0011

本発明による幅コードにより、上記の対応付け問題が改善されて有利である。この対応付け問題が表しているのは、三角測距法の基礎になる三角形の関係を作成するため、投影した色付きストライプパターンの画素と、検出した反射ストライプパターンの画素とを同じ画素として識別しなければならない、という問題である。

0012

本発明によれば、上記の投影した色付きストライプパターンには、この対応付け問題を解決又は改善するため、少なくとも2つのコード、すなわちカラーコード及び幅コードが含まれている。これにより、対応する複数の画素の識別能力が改善される。これによって達成される対応付け問題の改善により、検出して評価した反射ストライプパターンのエラー箇所の個数が低減されるため、被検体の表面の深さの特定が改善された有利である。

0013

被検体の表面の深さを特定する本発明の装置には、被検体の表面に色付きストライプパターンを投影するように形成された投影装置と、被検体の表面によって反射されたストライプパターンを検出するように設けられている検出装置と、反射ストライプパターンの色付きストライプ列と、反射ストライプパターンのストライプ幅の列とを用いて、被検体の表面の深さを特定するように形成された評価装置とが含まれている。

0014

本発明では、この評価装置は、カラーコード(反射ストライプパターンの色付きストライプ列)と、幅コード(反射ストライプパターンのストライプ幅の列)とを評価するように形成されている。この装置では、すでに述べた本発明による方法と同種及び同等の複数の利点が得られる。

0015

本発明の有利な実施形態によれば、基本色の赤、緑及び青、及び/又は、これらの色の混合色、及び/又は、黒から構成される色付きストライプパターンを使用する。

0016

これにより、カラーコード形三角測距法に対し、8つの色の赤、緑、青、黄、マゼンタシアン、黒及び白が得られて有利である。8つの色を有利に使用することにより、上記の対応付け問題がさらに緩和され、これによって深さの特定が改善される。ここでは赤色と緑色とを混合することによって黄色が、青色と赤色とを混合することによってマゼンタが、青色と緑色を混合することによってシアンが、また赤色、緑色及び青色を混合することによって白が得られる。色がないことは、黒色によって表される。したがって色の混合とは、基本色の赤、緑及び青の加色混合のことと理解される。

0017

少なくとも8つの色を有利に使用することにより、簡単な構造を有しかつさらに運動する被検体における深さの特定を可能にするカラーコード形三角測距法が得られる。特に低侵襲手術に適用する際には、上記のような8つの色をベースとするこのようなカラーコード三角測距法は有利である。

0018

本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも1つの基本色が消去される際に、反射されたストライプパターンのストライプ幅の列が生じるように、色付きストライプパターンを構成する。

0019

ここで少なくとも1つの基本色が消去するとは、色付きストライプパターンから基本色が欠落することであると理解される。例えば、被検体の表面における反射によって発生する色エラーから、基本色が欠落することがある。色付きストライプパターンの1つのストライプの色が、欠落する基本色からなる場合、このストライプは、この基本色が欠落することによって黒色に変化する。ストライプの色が混合色である場合、このストライプの色は、1つの基本色が欠落すると、別の1つの基本色又は欠落しなかった複数の基本色から構成される混合色に変化する。例えば、マゼンタから基本色の青が欠落することによって赤色が、又は黄色から基本色の緑が欠落することによって赤色が得られるのに対し、シアンから基本色の青及び緑が欠落することによって結果的に黒が得られる。

0020

有利には、投影した色付きストライプパターン及び/又は検出した反射ストライプパターンのカラーコードから少なくとも1つの基本色を消去することによって幅コードを構成する。3つの基本色のうちの2つが欠落することにより、モノクロームの幅コードが得られ、この幅コードには、例えば幅だけが異なる赤及び黒のストライプが含まれる。

0021

本発明では、幅コードを評価するために設けられた評価装置を用い、反射ストライプパターンのストライプ列から少なくとも1つの基本色を消去することによって得られる幅コードを深さの特定に使用する。

0022

本発明の有利な実施形態では、反射ストライプパターンの幅の既知の列から、色付きストライプパターンの色付きストライプ列を導出して、少なくとも1つの基本色が消去される際に色付きストライプパターンから、ストライプ幅の既知の列が得られるようにする。

0023

言い換えると、差し当たって幅コードを確定する。この際にはこの幅コードをランダムに形成することができる。引き続いて、既知でありかつ確定したこの幅コードから、カラーコードを求める。ただしこのカラーコードの少なくとも1つの基本色が消去されることにより、上記の既知の幅コードが得られる。幅コード及び/又はカラーコードへの評価装置の調整は、較正によって行うことが可能である。

0024

本発明の特に有利な実施形態では、反射ストライプパターンにおける少なくとも1つの基本色の消去は、基本色の吸収によって行われる。

0025

言い換えると、少なくとも1つの基本色、特に少なくとも2つの基本色は、被検体によって吸収される。例えば血液は、基本色の緑及び青を吸収する。基本色の緑及び青の吸収により、これは、反射ストライプパターンにおいて黒に変化する。その結果、基本色の青及び緑が吸収されることにより、赤色なしに構成されているすべての色(基本色及び混合色)が黒色に変化するのに対し、基本色の赤を含むすべての色は赤色になる。これにより、種々異なる幅を有する赤及び黒のストライプの列が得られ、これらの列により、深さを特定するための幅コードが形成される。

0026

本発明の有利な実施形態によれば、上記の深さの特定を、検出した反射ストライプパターンの第1及び第2部分領域から求め、この深さの特定を、第1部分領域では色付きストライプ列を用いて、第2部分領域では、反射ストライプパターンのストライプ幅の列を用いて行う。

0027

言い換えると、深さの特定は、第1部分領域においてカラーコードを用いて、第2部分領域では幅コードを用いて行われる。これは、例えば、被検体の第2部分領域を形成する高吸収性の部分領域では、幅コードを用いてこの高吸収性の部分領域(第2部分領域)の深さの特定が可能になるため、有利である。ここでは高吸収性の部分領域を、部分領域にあるストライプの色を算出又は決定できない、又はこれを容易にできるような吸収性を有する、被検体の表面の部分領域と見なすことが可能である。

0028

一般的に有利であるのは、カラーコードを用いて深さの特定を行うことである。なぜならば、カラーコード形三角測距法によれば、(幅コードを用いた深さの特定に比べて)より高い分解能が可能になるからである。しかしながら第2部分領域における上記のカラーコードが、例えばこのカラーコードの基本色の吸収によって不十分なものにしかならない場合、分解能が低くなるとしても、有利には第2部分領域におけるこの深さの特定を幅コードによって行うことができる。言い換えると、被検体の第2部分領域において、使用されるコードをカラーコードから幅コードに切り換えるのであり、ここでは幅コードは、投影された色付きストライプパターンのカラーコードに隠れているのである。

0029

第2部分領域における幅コードの使用は、閾値によって決定することができる。

0030

例えば幅コードの使用は、ノイズ閾値から決定される。第2部分領域において反射ストライプパターンの個々の色を識別する際にノイズがあり、したがってエラーが上記のノイズ閾値を上回る場合、第2部分領域における深さの特定を幅コードを用いて行う。被検体の表面の残りの部分領域(第1部分領域)では、カラーコードを用いて深さの特定が行われる。なぜならば、この第1部分領域において上記のノイズはノイズ閾値を下回るからである。ここでは上記の評価装置により、ノイズ閾値が検出されて識別され、幅コードとカラーコードとの間で自動的に切り換えられる。したがって第2部分領域におけるノイズによって存在し得るエラー箇所は、カラーコードに隠れている幅コードを使用することにより、回避することができる。これにより、被検体の表面の深さの特定が改善される。

0031

本発明の有利な実施形態では、白色光を被検体の表面に投影し、被検体によって反射された白色光の像を検出する。上記の閾値の決定は、白色光の反射された像と、反射ストライプパターンとの比較によって行われる。

0032

言い換えると、白色光の反射された像を用いてカラー調整が可能になる。ここでは被検体の表面の部分領域毎に、閾値又は(投影された色付きストライプパターンに対する)比を形成することにより、反射ストライプパターンの色に対し、考察している部分領域における深さの特定にカラーコード及び/又は幅コードを使用するか否かを判定することができる。

0033

有利には3チップカメラを用いて上記の反射ストライプパターンを検出する。

0034

有利にはこの3チップカメラを用いて、反射ストライプパターンの基本色の赤、緑及び青を個別に検出する。ここでは複数の基本色の並列の、特に同時の評価が行われる。

0035

特に有利には、上記の3チップカメラの個々のチップの信号から、反射ストライプパターンのストライプ幅の列(幅コード)を得る。

0036

これにより、カラーコード及び幅コードの同時及び並列の評価及び検出が可能になって有利である。

0037

幅コードが、基本色、例えば赤と、黒色とによって構成される場合、赤色を検出するために設けられているチップの信号からこの幅コードが求められる。ここでは赤色の欠落は黒色として表され、ここでは赤色のこの欠落それ自体は閾値によって決定することができる。

0038

本発明の有利な実施形態によれば、スライドを用いて色付きストライプパターンを作成する。

0039

言い換えると、投影装置をスライド映写機として形成する。別の投影装置、例えば回折光学素子(略してDOE)を含むプロジェクタを設けることが可能である(DOEプロジェクタ)。

0040

本発明の有利な実施形態によれば、色付きストライプパターンの色付きストライプ列をランダムに生成する。

0041

色付きストライプパターンのストライプ列のランダムな生成は、カラーコードの簡単かつ資源を節約する生成法である。この際に保証しなければならないのは、ランダムに生成したカラーコードをその生成後、多義性について確実に検査することである。このような多義性がある場合には、例えば、カラーコードを新たにランダムに生成することができる。これは、カラーコードに多義性がなくなるまで継続される。ここでは幅コードもランダムに生成されるため、多義性についてのこの幅コードの検査も行われる。

0042

本発明の一実施形態によれば、被検体は、複合流体、特に血液によって取り囲まれている。

0043

血液は、投影した色付きストライプパターンの基本色の緑及び青をほぼ完全に吸収する。言い換えると、600nmを下回る波長を有する光は、ほぼ完全に血液によって吸収される。これにより、本発明は、血液によって取り囲まれている被検体に、例えば有機組織に特に好適である。したがって本発明は特に低侵襲手術に有利である。

0044

本発明の別の複数の利点、特徴及び詳細は、以下で説明する複数の実施例から、ならびに図面によって得られる。

図面の簡単な説明

0045

複数の色付きストライプからなりかつ3つの色を含む列と、この色付きストライプ列から得られる、複数のストライプの複数の幅からなる列とを示す図である。
複数の色付きストライプからなりかつ8つの色を含む列と、この色付きストライプ列から得られる、複数のストライプの複数の幅からなる列とを示す図である。
被検体の第1及び第2部分領域を示す図である。
被検体の表面の深さを特定する方法の概略流れ図である。

0046

同じタイプの要素には、複数の図面において同じ参照符号が付され得る。これらの図面において一般的に色はハッチングとして示されており、各ハッチングは1つの色を表している。

0047

図1には、複数の色付きストライプ8からなる列が示されており、この列がカラーコード4を形成している。ここではカラーコード4は、3つの基本色の赤11と、緑12と、青13とによって構成されている。例えば吸収によって基本色の緑12及び青13が消去40されることにより、カラーコード4は、複数の幅のストライプからなる列に変化し、これらの幅のストライプが幅コード5を構成する。幅コード5には、赤色11及び黒色32が含まれており、黒32は、色がないことを示している。色のこのような欠如は、例えば色の消去40又は吸収によって発生する。図示しない評価装置は、カラーコード4及び幅コード5を評価するように形成されている。

0048

図2には、複数の色付きストライプ8からなる列(カラーコード4)から、複数のストライプの幅からなる列(幅コード5)が生じる様子が示されている。ここでは、カラーコード4の1つのストライプ8の色は、2つの基本色1、2、3から構成されている。基本色1、2、3として、赤色11、緑色12及び青色13が使用されている。ここから混合色の黄色22と、マゼンタ21と、シアン23と、白31とが得られる。黒色32は、色の欠如又は色がないことを示している。黄22は、赤11と緑12との加色混合により、マゼンタ21は、赤11と青13との加色混合により、シアン23は、緑12と青13との加色混合によって得られる。

0049

基本色の緑12及び青13が消去40される、ないしは欠落40することにより、カラーコード4から幅コード5が発生する。結果的に幅コード5には2色の赤11及び黒22が含まれるため、モノクロームの幅コード5が得られる。基本色の緑12及び青13の消去40は、例えば図示しない血液における吸収40によって発生する。言い換えると、カラーコード4は、基本色の緑12及び青13の吸収によって幅コード5に変化し、この幅コード5は、図示しない評価装置によって評価可能である。

0050

光学的には、赤色11は、600nmを上回る主スペクトル領域により、緑色12は、520nm〜565nmの主スペクトル領域により、青色13は、460nm〜480nmの主スペクトル領域によって特徴付けられる。混色の黄22、マゼンタ21、シアン23及び白31は、基本色の赤11、緑12及び青13の加法混色によって得られる。

0051

図3には被検体の表面の第1部分領域16及び第2部分領域18が示されており、この表面には、被検体の全体表面の少なくとも一部分が含まれている。ここではこの被検体の表面に色付きストライプパターンが投影され、反射ストライプパターン7が検出される。反射ストライプパターン7のストライプ8はそれぞれ、8色の赤11、緑12、青13、マゼンタ21、黄22、シアン23、白31又は黒32のうちの1つを有する。

0052

被検体のこの表面の第2部分領域18は、血液42によって覆われている。これによって第2部分領域18では、基本色の緑12及び青13がほぼ完全に吸収40されている。

0053

図3からわかるのは、吸収40によって緑色12、青色13及びシアン23が黒色32に変化することである。マゼンタ21、黄色22及び白色31は、赤11に変化する。赤のストライプは、反射の後、実質的に赤色11を維持する。

0054

第2部分領域18において緑色12、青色13及びシアン23が吸収によって消去40されることにより、幅コード5が形成され、この幅コード5が、第2部分領域18における被検体の表面の深さの特定に使用される。大きく吸収された第2部分領域18の外部では、すなわちわずかにしか吸収されない第1部分領域16では、被検体の表面の深さは、カラーコード4を用いて特定される。これにより、第2部分領域18によって発生するカラーコード4のエラー箇所は、第2部分領域18における幅コード5の評価によって推定されるため、被検体の表面の深さをほぼ欠落している部分なしにかつ一意に特定することができる。

0055

図4には、被検体の表面の深さを特定する方法の概略流れ図が示されている。

0056

第1ステップS1では、色付きストライプ列から、色付きストライプパターンが形成される。ここではこの色付きストライプパターンの色付きストライプ列は、ランダムに生成することが可能である。

0057

第2ステップS2では、投影装置を用いて、上記の形成した色付きストライプパターンを被検体の表面に投影する。特に被検体としては、血液によって取り囲まれる有機組織が想定されている。

0058

第3ステップS3では、被検体の表面によって反射されたストライプパターンを検出する。この検出は、例えばカメラを用いて、特に3チップカメラを用いて行われる。

0059

第4ステップS4では、評価装置を用いて深さが特定され、ここでこの深さ特定は、カラーコードの評価S41と、幅コードの評価S45とを用いて行われる。

0060

これにより、カラーコードと幅コードとが協力するように組み合わせられたカラーコード三角測距法が可能になって有利であり、これによって吸収性の被検体における被検体の表面の深さ特定が改善される。特に低侵襲手術において、例えば内視鏡を使用する際に、ここで説明した方法は有利である。

0061

ここまで複数の有利な実施例によって本発明を詳細に述べて説明してきたが、本発明は、開示された例によって限定されることはなく、又は当業者は、本発明の保護範囲を逸脱することなく、ここから別の複数の変化形態を導出することがことが可能である。

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