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Das hier vorgestellte System verbindet das neue Konzept der Peer-to-Peer-Navigation mit dem Einsatz von Augmented Reality zur Unterstützung von bettseitig durchgeführten externen Ventrikeldrainagen. Das sehr kompakte und genaue Gesamtsystem beinhaltet einen Patiententracker mit integrierter Kamera, eine Augmented-Reality-Brille mit Kamera und eine Punktionsnadel bzw. einen Pointer mit zwei Trackern, mit dessen Hilfe die Anatomie des Patienten aufgenommen wird. Die exakte Position und Richtung der Punktionsnadel wird unter Zuhilfenahme der aufgenommenen Landmarken berechnet und über die Augmented-Reality-Brille für den Chirurgen sichtbar auf dem Patienten dargestellt. Die Methode zur Kalibrierung der statischen Transformationen zwischen Patiententracker und daran befestigter Kamera beziehungsweise zwischen den Trackern der Punktionsnadel sind für die Genauigkeit sehr wichtig und werden hier vorgestellt. Das Gesamtsystem konnte in vitro erfolgreich getestet werden und bestätigt den Nutzen eines Peer-to-Peer-Navigationssystems.
Optische Navigationssysteme weisen bisher eine eindeutige Trennung zwischen nachverfolgendem Gerät (Tool Tracker) und nachverfolgten Geräten (Tracked Tools) auf. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept vorgestellt, dass diese Trennung aufhebt: Jedes Tracked Tool ist gleichzeitig auch Tool Tracker und besteht aus Marker-LEDs sowie mindestens einer Kamera, mit deren Hilfe andere Tracker in Lage und Orientierung nachverfolgt werden können. Bei Verwendung von nur einer Kamera geschieht dies mittels Pose Estimation, ab zwei Kameras werden die Marker-LEDs trianguliert. Diese Arbeit beinhaltet die Vorstellung des neuen Peer-To-Peer-Tracking-Konzepts, einen sehr schnellen Pose-Estimation-Algorithmus für beliebig viele Marker sowie die Klärung der Frage, ob die mit Pose Estimation erreichbare Genauigkeit vergleichbar mit der eines Stereo-Kamera-Systems ist und den Anforderungen an die chirurgische Navigation gerecht wird.
Flexible Three-dimensional Camera-based Reconstruction and Calibration of Tracked Instruments
(2016)
Navigated instruments commonly include applied parts, e.g. burrs or saw blades, that need to be calibrated with respect to the attached or integrated tracker. Since this calibration has to be very precise, it is often performed by the manufacturer. However, due to the great variety of instruments and the option to exchange the applied parts (e.g. burrs) there is a definite demand for flexible and generic calibration techniques. Furthermore, if we look into the medical field, there is also a need for calibrating sterile instruments. We propose a new and flexible camera-based calibration technique that addresses these demands by working contactlessly, precisely, and generically for a large variety of tracked instruments. This is realized using one or more tracked cameras which are calibrated with respect to an attached or integrated tracker. The tracked instrument is rotated in front of the camera(s) and its 3D geometry and surface are reconstructed from the 2D images in the coordinate system of the attached or integrated tracker. The 3D geometry of the navigated instrument was reconstructed with an accuracy of under 0.2 mm. The radius of a sphere-shaped instrument was reconstructed with an RMS deviation of 0.015mm.
Die Verwendung von Kameras als Messmittel für medizinische Anwendungen setzt deren präzise Kalibrierung voraus. Gängige Verfahren modellieren die Abbildungseigenschaften einer Kamera mittels perspektivischer Projektion und parametrisierter Funktionen zur Beschreibung von Linsenverzerrung. In den Randbereichen des Kamerabildes sind diese Modelle oft unzureichend. Außerdem bedingt die Verwendung starrer Kalibriermuster eine in der Regel kleine Anzahl an nicht gleichmäßig verteilten Punktkorrespondenzen zur Bestimmung der Modellparameter. In der vorliegenden Arbeit wird ein vollkommen neues und nicht auf Modellen basierendes Kalibrierverfahren vorgestellt, bei dem jedes Kamerapixel unabhängig von jedem anderen kalibriert wird.
This work describes a non-parametric camera-based method for the calibration of Optical See-Through Glasses (OSTG). Existing works model the optical system through perspective projection and parametric functions. In the border areas of the displays such models are often inadequate. Moreover, rigid calibration patterns, that produce only a small amount of non-equidistant point correspondences, are used. In order to overcome these disadvantages every single display pixel is calibrated individually. The error prone user interaction is avoided by using cameras placed behind the displays of the OSTG. The displays show a shifting pattern that is used to calculate the pixels' locations. A camera mounted rigidly on the OSTG is used to find the relations between the system components. The obtained results show better accuracies than in previous works and prove that a second calibration step for user adaptation is necessary for high accuracy applications.
This work describes a camera-based method for the calibration of optical See-Through Glasses (STGs). A new calibration technique is introduced for calibrating every single display pixel of the STGs in order to overcome the disadvantages of a parametric model. A non-parametric model compared to the parametric one has the advantage that it can also map arbitrary distortions. The new generation of STGs using waveguide-based displays [5] will have higher arbitrary distortions due to the characteristics of their optics. First tests show better accuracies than in previous works. By using cameras which are placed behind the displays of the STGs, no error prone user interaction is necessary. It is shown that a high accuracy tracking device is not necessary for a good calibration. A camera mounted rigidly on the STGs is used to find the relations between the system components. Furthermore, this work elaborates on the necessity of a second subsequent calibration step which adapts the STGs to a specific user. First tests prove the theory that this subsequent step is necessary.