Orientierung endoskopischer Bilder: Rektifizierung durch Schwerkraft / Orientation of endoscopic images: rectification by gravity

Zusammenfassung Ein nach wie vor ungelöstes Problem in der endoskopischen Chirurgie (insbesondere mit Hilfe von flexiblen Video-Endoskopen) ist das Fehlen eines stabilen Horizonts der endoskopischen Bilder auf dem Monitor. Mit unserem „Endoscopy with the New Dimension of Orientation (ENDOrientation)“-Ansatz kann eine Korrektur der Bildverdrehung, sogar in der nicht-starren interventionellen Endoskopie (insbesondere NOTES) mit einem 3 mm schmalen dreiachsigen MEMS-Beschleunigungssensor realisiert werden, der an der Spitze des Endoskops positioniert wird. Dieser Sensor misst den Anteil der Erdanziehungskraft auf jede der drei orthogonalen Achsen. Nach einer initialen Kalibrierung und zeitlichen Filterung dieser drei Datenströme kann der Rotationswinkel direkt ermittelt werden. Die erreichbare Abtastrate liegt dabei deutlich über der gewöhnlichen Videoframe-Rate von 25 Hz, die Genauigkeit der Rotationserkennung liegt bei etwa einem Grad. Die Aufrichtung des Endoskopbildes in Relation zu einem stabilen Horizont wird in Echtzeit über eine digitale Rotation des analogen Endoskopie-Video-Signals ermöglicht. Die Verbesserungen und Vorteile wurden in Tierversuchen evaluiert. Die Koordination und Führung mehrerer Instrumente zugleich wurde bei endoskopischen Bildern mit stabilisiertem Horizont als deutlich intuitiver beurteilt. Die ermittelten Arbeitsschrittzeiten und Bewegungspfade stützten diese Beobachtung eindeutig. Abstract A known problem in endoscopic surgery (especially with flexible video endoscopes) is the absence of a stable horizon in endoscopic images displayed on a monitor. With our “ENDOrientation” approach, image rectification, even in non-rigid endoscopic surgery (particularly NOTES), can be realized with a tiny MEMS tri-axial inertial sensor placed on the tip of an endoscope. This sensor measures the impact of gravity on each of the three orthogonal accelerometer axes in real time. After an initial calibration and temporal filtering of these three data steams, the rotation angle of an endoscope can be estimated directly. The achievable sampling rate of the inertial sensor is above the usual endoscopic video frame rate of 25 Hz; the rotation accuracy is approximately one degree. The image rectification can be performed in real time by digitally rotating the endoscopic video signal. Improvements and benefits have been evaluated in animal studies: coordination and movement of different instruments was rated to be much more intuitive with a stable horizon on endoscopic images. The recorded time stamps and position tracks clearly support this observation.