3D-Oberflächen-Rekonstruktion mittels Polarisations-Bildgebung

Fragestellung:

Der Erhalt von Tiefeninformation ist eine zentrale Herausforderung in der Interventionellen Endoskopie. Speziell bei MIC oder NOTES Eingriffen, bei denen unter Nutzung monokularer Endoskope mit einer eingeschränkten Tiefenwahrnehmung agiert werden muss, ist es wünschenswert, Tiefenkarten des Situs zu erhalten, um die Eingriffe sicherer und schneller zu gestalten. Neben bekannten Verfahren, wie Tiefe-aus-Schattierung, Tiefe-aus-Stereo, Laserscanner oder Time-of-Flight Kameras findet die Rekonstruktion von Oberflächen unter Zuhilfenahme von Polarisationsbildgebung neuerdings Beachtung.

Polarisationskameras sind eine neuartige und schnelle Technologie, um Eigenschaften von glänzenden Oberflächen in Echtzeit (ohne aufwändige Filterräder) zu erfassen, zu verarbeiten und darzustellen. Aus den ermittelten Polarisationsdaten lassen sich mittels sog. "Form-aus-Polarisation" (FaP) Ansätze Oberflächenrekonstruktionen von glänzendem Gewebe und Organen durchführen.

Methodik:

Es wurde eine Polarisationskamera genutzt, mit der alle Informationen durch eine einzige Aufnahme erfasst werden können. Zur Beleuchtung wurden Ringvon Infrarot-LEDs (ca. 850nm) und ein Beleuchtungsdom eingesetzt.

Der FaP-Ansatz basiert auf der Beobachtung, dass wenn unpolarisiertes Licht auf dielektrische Materialien trifft, das reflektierende Licht abhängig vom Einfallswinkel und Brechungsindex des Mediums partiell linear polarisiert wird. Mit Polarisationskameras ist es möglich die Polarisationsmerkmale der reflektierenden Lichtstrahlen zu erfassen. Über die Polarisationseigenschaften der Reflexionen lässt sich bei bekanntem Brechungsindex ein Zusammenhang zu den Oberflächennormalen des Objekts herstellen. Entsprechend lassen sich aus dem Feld der Flächennormalen zugehörige 3D-Höhenprofile erzeugen.

Ergebnisse:

Die Ermittlung von Höhenkarten aus wurde an metallischen Prüfkörpern mit bekannter Geometrie (Kalotte, Kante, Kegel) und an einem Leberphantom validiert. Die Höhenapproximation eines Ausschnitts des Leberphantom durch den FaP-Ansatz ist in Abb. 1 in zwei Perspektiven dargestellt.

Abb. 1: Rekonstruktion des Ausschnitts eines Leberphantoms

Schlussfolgerung:

Die qualitative Eigenschaften bzw. Oberflächenverläufe des Phantoms können durch den untersuchten FaP-Ansatz realistisch nachgebildet werden. So sind der Höhenabfall von links nach rechts im ausgewählten Bildbereich in den Rekonstruktionen gut abgebildet. Der vorgestellte Ansatz zur Rekonstruktion ist bisher noch kaum untersucht, ist aber vielversprechend für den Einsatz bei MIS Eingriffen für die Approximation von Tiefenkarten.