Name: Medische kwaliteit Steriliseerbare Doel voor-Fluid ondergedompeld fetoscope Optical Distortion Calibration (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 3 s
Description: Leer een sterilisatiebare kalibratiedoel voor endoscopen te fabriceren met roestvrij staal en laseretsen. Deze methode maakt snelle, steriele optische correctie mogelijk tijdens fetale chirurgie.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Dit werk werd ondersteund door een Innovative Engineering for Health award van de Wellcome Trust [WT101957], de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) [NS/A000027/1], en een National Institute for Health Research Biomedical Research Centre UCLH/UCL High Impact Initiative. Jan Deprest wordt gefinancierd door het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen (FWO; JD als klinisch onderzoeker 1.8.012.07). Danail Stoyanov ontvangt financiering van de EPSRC (EP/N013220/1, EP/N022750/1), het EU-FP7 project CASCADE (FP7-ICT-2913-601021), en het EU-Horizon2020 project EndoVESPA (H2020-ICT- 2015-688592). Sebastien Ourselin ontvangt financiering van de EPSRC (EP/H046410/1, EP/J020990/1, EP/K005278) en de MRC (MR/J01107X/1). Marcel Tella wordt ondersteund door het EPSRC-gefinancierde UCL Centre for Doctoral Training in Medical Imaging (EP/L016478/1).

1. Target Fabrication <ol><li> zandstralen <ol><li> Bereid een 316 roestvrij stalen plaat met een dikte van 1,2 mm. Met behulp van een potlood of een spijker, trek een vierkante mm 40 mm x 40 op de plaat met behulp van een liniaal. </li><li> Snijd de getekende plein met behulp van een handmatige metalen cutter. VOORZICHTIGHEID! Let op de vingers. </li><li> Gebruik een bestand naar de hoeken en zijkanten van het monster te ronden. VOORZICHTIGHEID! Ze zijn zeer scherp; doe voorzichtig. </li><li> Bereid een rechte houten of metalen blok iets groter in omvang dan de roestvrij stalen plaat. Leg het vel op het; doe dit om te voorkomen dat tijdens het zandstralen van het monster te buigen. </li><li> Plaats het geheel in de interne ontploffing kamer. Vergeet niet om een ​​stofafscheider te gebruiken en om goed af, de interne ontploffing kamer; anders zullen de zand overal verspreid tijdens het proces. Draag een veiligheidsbril om de ogen te beschermen. </li><li> Plaats een blast pistool loodrecht op en ten minste 4-5 cm afstand van de metalen oppervlak. Breng de voet control voor zandstralen. Leg het monster op het stuk hout (1-2 cm dik) met behulp van een bankschroef, zoals de hoge druk zand stroom kan het monster vervormen. Tijdens het zandstralen, houdt het monster stevig aan de rand van het stuk hout of met een andere ondeugd. </li><li> Herhaal het zandstralen aan de andere kant, indien het gewenst is om een ​​kalibratie patroon gegraveerd op beide zijden. </li></ol></li><li> laser patroonvorming <ol><li> Ontwerp een patroon van asymmetrische cirkels, zie figuur 1. </li><li> Bereid een bestandsuitwisseling tekening formaat (DXF) van het ontwerp hetzij met behulp van CAD-software of een andere geschikte programmeertaal. LET OP: Voor het gemak is een Python applicatie die DXF-bestanden kan genereren voor de in dit artikel genoemde ontwerp geleverd als onderdeel van de compacte GUI applicatie 16. </li><li> Importeer de DXF-bestanden in het lasersnijden software. </li><li> Stel de volgende parameters voor achtergrond etsen. Laser Vermogen: 40%, scansnelheid:80 cm / s, Frequentie: 4000 Hz, aantal passages: 1. </li><li> Stel de volgende parameters voor het etsen van het patroon. Laser Vermogen: 40%, scansnelheid: 2,1 cm / s, Frequentie: 4000 Hz, aantal passages: 1. </li><li> Plaats het monster op het werkplatform en lijn de snij-patroon met behulp van de software. </li><li> Na de laser de snede uitvoert, het reinigen van het monster door dompelen in alcohol. Gebruik geen doekjes niet gebruiken, omdat ze doorgaans vertrekken ongewenste residuen. </li></ol></li><li> Sterilisatie <ol><li> Wikkel de gesteriliseerde monster in een sterilisatie verpakking en steek hem in de sterilisatie-unit (autoclaaf). </li><li> water (niet gedestilleerd water) toe te voegen aan de autoclaaf en volg de handleiding / aanbevelingen van de fabrikant om het doel te steriliseren. </li></ol></li></ol> 2. Peri-operatieve Calibration <ol><li> kalibratiesoftware <ol><li> Installeer de &quot;endocal&quot; endoscoop kalibratiesoftware pakket geboden op GitHub 16(Volg de instructies in het README bestand daarin). OPMERKING: Deze software wikkelt de OpenCV camera kalibratie module 17 in een makkelijk te gebruiken gemak applicatie. De verstrekte applicatie draait in twee modi: online en offline. De online mode krijgt de videostream rechtstreeks vanuit compatibele frame grabber hardware. De offline-modus maakt het mogelijk voor het laden endoscoop beelden hetzij uit een videobestand of een map met een aantal video frames worden opgeslagen als beeldbestanden. Zie README voor ondersteunde hardware en gedetailleerde instructies over hoe deze twee modi te gebruiken. </li></ol></li><li> Endoscopische video acquisitie OPMERKING: De volgende instructies zijn voor online kalibratie (zoals hierboven beschreven), maar ze zijn ook van toepassing op offline kalibratie. <ol><li> Plaats het kalibratiedoel in een steriele vloeistofhouder, zoals een gallipot. </li><li> Vullen van de houder met het doel een vloeistof of dergelijke steriele substantie. LET OP: Bijvoorbeeld, in fetoscopic proceres, het doelwit vloeistof vruchtwater. Aangezien de optische eigenschappen van vruchtwater zijn vergelijkbaar met zout water 18, 19, steriel zout water wordt gebruikt voor het kalibreren van de fetoscope. </li><li> Stel de zoom en de scherpte van de endoscoop zoals gewenst. </li><li> Dompel de endoscoop in de vloeistof en houdt deze op afstand van meetobject gelijk aan de afstand van de anatomie, dat de endoscoop later te worden gebruikt. </li><li> Start de kalibratie aanvraag en begint de camera overname. </li><li> Beweeg de punt van de endoscoop enigszins voor verschillende weergaven terwijl het geheel kalibratiepatroon gezien de camera. Voor optimale prestaties, houden de elliptische legende rond de kalibratie patroon binnen de cirkelvormige uitzicht op de endoscoop. OPMERKING: video frames die bruikbaar zijn voor het kalibreren worden aangegeven met een virtuele patroon overlay, zoals getoond in figuur 3. </li><li> Acquiopnieuw ten minste het minimum aantal vereiste voor de kalibratie (zoals aangegeven in de endocal venster) endoscopische camera standpunten. LET OP: De huidige versie van endocal vereist minstens 10 endoscopische camera standpunten voor de kalibratie, een heuristisch geselecteerd aantal views waar de kalibratiefout lijkt minimaal te zijn en volgt een stabiel patroon 20. </li><li> Toets kalibratietoets, zoals aangegeven op de endocal venster, het kalibratieproces beginnen de beelden nu toe verkregen. </li></ol></li><li> Opslaan en het gebruik van de kalibratie parameters <ol><li> Druk op de aangegeven kalibratie sleutel tot de resulterende kalibratie-parameters in een YAML slaan ( &quot;YAML Is not Markup Language&quot;) bestand 21. </li><li> Groep kalibratieparameters in de cameramatrix en vervorming coëfficiënten, zoals in de OpenCV Camerakalibratie module 17. LET OP: Na het uitvoeren van de kalibratie, de kalibratieapplicatie toont automatisch de vervorming gecorrigeerde beeld om het juiste beeld van de oorspronkelijke endoscoop van. </li><li> Gebruik de vervorming gecorrigeerde video-feed tijdens een fetoscopic procedure voor pure visualisatie of voor real-time placenta mozaïeken 11. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Zhang, Z., Matsushita, Y., Ma, Y. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures. CVPR 2011 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Washington, D.C., USA, , IEEE Computer Society. 2321-2328 (2011).</li>
<li>Devernay, F., Faugeras, O. D. Automatic calibration and removal of distortion from scenes of structured environments. SPIE's 1995 International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation. 62-72 International Society for Optics and Photonics, , International Society for Optics and Photonics. 62-72 (1995).</li>
<li>Duane, C. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/2478035_Close-Range_Camera_Calibration">Close-range camera calibration.</a> Photogramm. Eng. 37 (8), 855-866 (1971).</li>
<li>Mallon, J., Whelan, P. F. <a target="_blank" href="http://doras.dcu.ie/18667/">Which pattern? biasing aspects of planar calibration patterns and detection methods.</a> Pattern recognition letters. 28 (8), 921-930 (2007).</li>
<li>Balletti, C., Guerra, F., Tsioukas, V., Vernier, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calibration+of+Action+Cameras+for+Photogrammetric+Purposes%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Calibration of Action Cameras for Photogrammetric Purposes.</a> Sensors. 14 (9), 17471-17490 (2014).</li>
<li>Heikkila, J. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/879788/">Geometric camera calibration using circular control points.</a> IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence. 22 (10), 1066-1077 (2000).</li>
<li>Deprest, J. A., et al. Fetal surgery is a clinical reality. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDeprest%2C+JA+%22Seminars+in+fetal+and+neonatal+medicine%22">Seminars in fetal and neonatal medicine</a>. 15 (1), Elsevier. 58-67 (2009).</li>
<li>Watanabe, M., Flake, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fetal+surgery%3A+Progress+and+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+pediatrics%22%5BJournal%5D)">Fetal surgery: Progress and perspectives.</a> Advances in pediatrics. 57 (1), 353-372 (2010).</li>
<li>Lewi, L., Deprest, J., Hecher, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+vascular+anastomoses+in+monochorionic+twin+pregnancies+and+their+clinical+consequences%5BTitle%5D)+AND+%22American+journal+of+obstetrics+and+gynecology%22%5BJournal%5D)">The vascular anastomoses in monochorionic twin pregnancies and their clinical consequences.</a> American journal of obstetrics and gynecology. 208 (1), 19-30 (2013).</li>
<li>Yamashita, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Miniature+bending+manipulator+for+fetoscopic+intrauterine+laser+therapy+to+treat+twin-to-twin+transfusion+syndrome%5BTitle%5D)+AND+%22Surgical+Endoscopy%22%5BJournal%5D)">Miniature bending manipulator for fetoscopic intrauterine laser therapy to treat twin-to-twin transfusion syndrome.</a> Surgical Endoscopy. 22 (2), 430-435 (2008).</li>
<li>Daga, P., et al. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2505941">Real-time mosaicing of fetoscopic videos using SIFT.</a> Proc. SPIE 9786, Medical Imaging 2016: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling. 97861R. , International Society for Optics and Photonics. (2016).</li>
<li>Yang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+mapping+of+untracked+free-hand+endoscopic+views+to+an+ultrasound+image-constructed+3D+placenta+model%5BTitle%5D)+AND+%22The+International+Journal+of+Medical+Robotics+and+Computer+Assisted+Surgery%22%5BJournal%5D)">Image mapping of untracked free-hand endoscopic views to an ultrasound image-constructed 3D placenta model.</a> The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 11 (2), 223-234 (2015).</li>
<li>Liao, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+image+mapping+of+endoscopic+image+mosaics+with+three-dimensional+ultrasound+image+for+intrauterine+fetal+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Minimally+invasive+therapy+%26+allied+technologies%22%5BJournal%5D)">Fast image mapping of endoscopic image mosaics with three-dimensional ultrasound image for intrauterine fetal surgery.</a> Minimally invasive therapy & allied technologies. 18 (6), 332-340 (2009).</li>
<li>Chadebecq, F., et al. Practical Dry Calibration With Medium Adaptation For Fluid-Immersed Endoscopy. Hamlyn Symposium on Medical Robotics, , (2015).</li>
<li>Wengert, C., Reeff, M., Cattin, P. C., Székely, G., et al. Bildverarbeitung für die Medizin 2006: Algorithmen Systeme Anwendungen. Proceedings des Workshops vom 19. - 21. März 2006 in Hamburg. Handels, H., et al. , Springer. Berlin Heidelberg. 419-423 (2006).</li>
<li>Shakir, D. I. Compact GUI application for optical distortion calibration of endoscopes. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://github.com/gift-surg/endocal">https://github.com/gift-surg/endocal</a> (2016).</li>
<li>Camera calibration With OpenCV. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/calib3d/camera_calibration/camera_calibration.html">http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/calib3d/camera_calibration/camera_calibration.html</a> (2016).</li>
<li>Reeff, M., Gerhard, F., Cattin, P. C., Székely, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aReeff%2C+M+%22Mosaicing+of+endoscopic+placenta+images%22">Mosaicing of endoscopic placenta images</a>. , Citeseer. (2011).</li>
<li>Steigman, S. A., Kunisaki, S. M., Wilkins-Haug, L., Takoudes, T. C., Fauza, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+properties+of+human+amniotic+fluid%3A+implications+for+videofetoscopic+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Fetal+diagnosis+and+therapy%22%5BJournal%5D)">Optical properties of human amniotic fluid: implications for videofetoscopic surgery.</a> Fetal diagnosis and therapy. 27 (2), 87-90 (2009).</li>
<li>Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/888718/">A flexible new technique for camera calibration.</a> IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 22 (11), 1330-1334 (2000).</li>
<li>Evans, C. C. The Official YAML Web Site. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://yaml.org">http://yaml.org</a> (2016).</li>
<li>Bouguet, J. -Y. Camera Calibration Toolbox for Matlab. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/">http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/</a> (2015).</li>
<li>Common Interfaces of Feature Detectors. , Available from:
	 <a target="_blank" href="http://docs.opencv.org/2.4/modules/features2d/doc/common_interfaces_of_feature_detectors.html">http://docs.opencv.org/2.4/modules/features2d/doc/common_interfaces_of_feature_detectors.html</a> (2016).</li>
<li>Open Source Computer Vision Library. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://github.com/opencv/opencv">https://github.com/opencv/opencv</a> (2016).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Zandstralen is een belangrijke stap in het fabricageproces omdat het ruwe metaaloppervlak prominent reflecteert de endoscoop licht, waardoor het onmogelijk wordt de cirkels te detecteren. Het is moeilijk om de kringen te onderscheiden, zelfs met het blote oog (zie figuur 5). Merk op dat het oppervlak van het doel reeds aangegeven werd geëtst met een laser. Dit betekent echter niet lichtreflectie verminderen. <img alt="figuur 5" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig5.jpg" /> Figuur 5: Calibration doel zonder zandstralen toegepast. Zoals blijkt uit de endoscoop zicht aan de linkerkant, de schittering van de endoscoop licht op het oppervlak van het materiaal maakt het moeilijk, zelfs voor het blote oog naar de kringen te onderscheiden (er is een cirkel net ten zuidoosten van de grote reflectie). Merk op dat het oppervlak van het doel (dat wil zeggen, de &quot;achtergrond&quot;) al geëtst, maar dit is niet<html> behulpzaam bij afwezigheid van zandstralen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Vóór patroon etsen, is het ook belangrijk om het oppervlak van het gehele monster etsen. Dit is nodig omdat het gezandstraalde oppervlak veel spiegelende reflecties (zie figuur 6), die interfereren met blob detectie. <img alt="figuur 6" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig6.jpg" /> Figuur 6: Gezandstraald oppervlak zonder etsen. Hoewel niet zo duidelijk is als het ruwe metaaloppervlak, de relatief kleine spiegelende reflecties (waarvan sommige zijn gemarkeerd met gele pijlen) nog steeds voldoende om te voorkomen blob detectie van slagen, zodat geen kalibratie kan worden uitgevoerd met dit doel.arget = &quot;_ blank&quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. Het toepassen van de laser op verschillende snelheden geeft verschillende achtergrondkleuren. De achtergrondkleur speelt een belangrijke rol bij het contrast tussen de cirkels en de achtergrond. Daarom is het essentieel om de optimale achtergrondkleur bepalen. Voor dit doel, een bord met cirkels geëtst tegen een set van verschillende achtergronden is gemaakt (zie figuur 7). De achtergronden werden getest met de functie detectiemodule van OpenCV 23, die wordt gebruikt in de OpenCV Camerakalibratie module 17. In dit werk, is het doel van roestvrij staal, omdat het de meest voorkomende en betrouwbare materialen in klinieken voor medische hulpmiddelen. Dit materiaal is vrij beschikbaar, niet duur, robuust en gemakkelijk te steriliseren. Andere materialen zou kunnen worden gebruikt voor de kalibratie doel, zoals aluminium of gejodeerd metalen, maar dit is het scope van de toekomstige werkzaamheden. <img alt="figuur 7" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig7.jpg" /> Figuur 7: Roestvrij staal met een palet van verschillende achtergrondkleuren geëtst met de laser. Praktische experimenten werden uitgevoerd in samenwerking met de functie OpenCV detectiemodule te bepalen welke achtergrondkleur optimaal resultaat qua blob naar achtergrondcontrast 23 geeft. De endoscoop zicht op de linkerkant toont het bord. De gematigde achtergrondkleuren (dat wil zeggen, die andere die de donkerste en lichtste ones) in dit palet opleveren beter blob detectie. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Een van de voordelen van dit werk is dat het uitvoeren van een kalibratie met het doel gefabriceerde duurt 2-3 minuten. Het grootste deel van de inspanning te gaanes aan de endoscoop handmatig stabiliseren om fatsoenlijk uitzicht op de kalibratie patroon te verkrijgen. Met behulp van een op maat gemaakte houder endoscoop kan handmatig hoeft te stabiliseren, hetgeen zou kunnen aanzienlijk kalibratie verkorten elimineren. <img alt="video 1" src="/files/ftp_upload/55298/55298video1.jpg" /> Video 1: De video toont hoe de optische vervorming kalibratie kan worden uitgevoerd met behulp van de ontwikkelde kalibratiedoel samen met de endocal software. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/fetoscope-calibration-480.mov" target="_blank">Klik hier om deze video te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)</a> Een voordeel van ons werk in vergelijking met het werk van Wengert et al. 15 is dat de OpenCV camerakalibratie module 17 kan worden gebruikt voor kalibratie, zonder enige wijziging of aangepaste parameterization. Omdat OpenCV is een gevestigde en goed onderhouden softwarepakket en is zeer populair in de computer vision gemeenschap, met behulp van het elimineert de noodzaak voor het schrijven en onderhouden van software op maat. Voor het gemak van de lezer, is een compacte GUI applicatie ontvangen # 16, die de lezer gemakkelijk kan installeren en gebruiken om nieuwe kalibratiedoelen testen. Een nadeel van onze methode vergeleken Wengert et al. 15 is dat de werkwijze robuuster in occlusies van de patroon, aangezien het niet de detectie van vlekken vereisen. Aanvankelijk kalibratiedoel met een dambordpatroon werd vervaardigd voor dit werk. Dit type van kalibratiewaarde bleek ongeschikt voor experimenten te wijten aan de moeilijkheid van het detecteren van de hoeken van de vierkanten dambord. Hoek-detectie is gebaseerd op een histogram gebaseerde image binarisering (zie de OpenCV source code 24). dit impligt de noodzaak van een duidelijk kleurcontrast tussen de donkere en lichte vierkanten, die niet kon worden gegarandeerd met onze dambordpatroon, mede door spiegelende reflecties, zoals de in figuur 6 die. Dergelijke spiegelende reflecties zijn aanwezig, zelfs nadat achtergrond etsen; De detectie van de cirkels schijnt minder gevoelig dit bezwaar te zijn. In de huidige setup, alleen loodrecht uitzicht op het kalibratiedoel zorgen voor een succesvolle blob detectie. Dit komt door de spiegelende reflecties van het doeloppervlak belemmering blob detectie bij schuine hoeken. We zijn bezig om de doelgroep verder te verbeteren, zodat het mogelijk te maken voor de aankoop van uitzicht op een breder scala van hoeken, die mogelijk de kwaliteit van de uitgevoerde kalibraties 20 zou kunnen verbeteren. In real time placenta mozaïeken pijpleiding die eerder voorgestelde 11, de berekening van de transformatie die afbeelding paren in kaart is gebaseerd op de succesvolle opsporing en de groepering van de functies. Optische vervormingen, anderzijds, veroorzaken een groep elementen met een stijve geometrie in verschillende beelden. Bijgevolg Dit verschil leidt tot onnauwkeurigheden in de berekende omzettingen, die veranderingen in het resulterende beeldmozaïeken veroorzaken. Omdat de meest prominente optische vervormingen aanwezig zijn naar de randen, worden endoscopische plaatjes bijgesneden om hun diepste gebieden. Een goede correctie voor optische vervormingen zouden potentieel oog op het opnemen van een groter gedeelte van elke afbeelding in het mozaïeken proces. Het voordeel hiervan is tweeledig. In de eerste plaats zou het aantal gedetecteerde functies in elk beeld te verhogen, mogelijk verbeteren van de berekening van het beeld transformaties. Ten tweede zou het mogelijk maken voor de hele doelgroep anatomische oppervlak dat moet worden gereconstrueerd in een kortere tijd.

<html> Camerakalibratie is een bekend probleem in de computer vision veld intensief bestudeerd in de jaren 1, 2, 3. Een belangrijke stap van camerakalibratie procedures om de parameters van een distortion model, alsmede de intrinsieke cameraparameters schatten, door het extraheren van een raster van punten met een bekende geometrie van camerabeelden nauwkeurig sub-pixel. Kalibratiedoelen met een schaakbordpatroon met zwart-witte vierkanten worden vaak gebruikt voor dit doel. Circulaire blobs bieden een alternatief patroon 4, 5, 6. De laatste jaren is er een groeiende belangstelling voor de ontwikkeling van chirurgische navigatietechnologie voor foetale chirurgie procedures, zoals de behandeling van tweelingtransfusiesyndroom (TTS) met foetussen geweest&gt; 7, 8, 9, 10. Aangezien het gezichtsveld van de fetoscope (dwz een endoscoop in foetale chirurgische procedures) is zeer beperkt, methoden voor het afbeelden van de placenta vasculatuur zonder het gebruik van externe trackers voorgesteld om TTS operatie 11, 12, 13 helpen. Optische vervormingen binnen fetoscopic beelden nadelige gevolgen hebben voor deze computationele mozaïeken methoden die afhankelijk zijn van visuele informatie-extractie 11. Er is dus een onvervulde behoefte aan een rendabele en snelle tool voor peri-operatief kalibreren fetoscopes zodat compensatie optische vervorming in real-time kan tijdens de ingreep. Vanwege het feit dat de fetoscope in vruchtwater wordt ondergedompeld tijdens de ingreep, de brekingsindex verschil tussen eenir en vruchtwater maakt klassieke in-air camera kalibratie methoden ongeschikt voor foetale chirurgie procedures. Het schatten van vloeistof ondergedompeld camera parameters in de lucht camera parameters is een moeilijke taak en ten minste één beeld van de vloeistof ondergedompeld kalibratiedoel 14 vereist. Bovendien, peri-operatieve, vloeistof ondergedompeld fetoscopic camera kalibratie momenteel onpraktisch als gevolg van sterilisatie eisen en beperkingen van het toegestaan ​​in de operatiekamer materialen. Vanwege deze redenen, kalibreren endoscopen voor optische vervormingen typisch niet meer in de huidige klinische workflow. Het werk in dit handschrift is een poging om deze camera calibratie kloof te dichten door het ontwerpen en produceren van een steriliseerbaar en praktische optische vervorming kalibratierichtwaarde die een patroon van asymmetrische kringen. Voorheen Wengert et al. gefabriceerd van een aangepaste kalibratie-apparaat met een geoxideerd aluminiumplaat als kalibratiedoel. hun method werkt echter alleen in combinatie met de aangepaste kalibratiealgoritme ze ontwikkeld 15.

<table><tbody><tr><td>1.2 mm Metalplaat 316 Grade, 40 mm bij 40 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Watercontainer minimaal 50 mm bij 50 mm bij 30 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een sterilisatiepakket</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zoutwater</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Handmatige metalen snijder</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een vijl om de hoeken af te ronden</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een houten of metalen blok 50 mm bij 50 mm minimaal 10 mm dik</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een vice (wenselijk maar niet vereist)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zandstraling machine</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>GUI-applicatie om.dxf-bestand met het patroon te maken</td><td></td><td></td><td>https://github.com/gift-surg/endocal</td></tr><tr><td>PC</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lasersnijder</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Autoclaaf</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een endoscoop kalibratie software</td><td></td><td></td><td>van GitHub: https://github.com/gift-surg/endocal</td></tr><tr><td>Endoscoop</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>OpenCV camera kalibratie module</td><td></td><td></td><td>http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/calib3d/camera_calibration/camera_calibration.html</td></tr><tr><td>Veiligheidsbril</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een labjas</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Een liniaal en een marker</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alcohol (bij voorkeur ethanol) voor stofverwijdering en reiniging</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

medische kwaliteit steriliseerbare doel voor-fluid ondergedompeld fetoscope optical distortion calibration

Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

We hebben een kalibratiedoelwit ontwikkeld voor gebruik met in vloeistof ondergedompeld endoscoop in de context van het GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal Therapy and Surgery) project. Een van de doelen van dit project is om nieuwe, real-time beeldverwerkingsmethoden te ontwikkelen voor intra-operatief gebruik bij de behandeling van aangeboren geboorteafwijkingen, zoals spina bifida en het twin-to-twin transfusie syndroom. Het ontwikkelde doelwit maakt de steriliteit-behoudende optische vervormingskalibratie van endoscopen mogelijk binnen enkele minuten. Goede optische vervormingskalibratie en compensatie zijn belangrijk voor het verminderen van ongewenste effecten zoals radiale vervormingen, die niet alleen nauwkeurige beeldvorming met bestaande endoscopische technologie tijdens foetale chirurgie belemmeren, maar ook de verkregen beelden minder geschikt maken voor potentieel zeer nuttige beeldcomputingtoepassingen, zoals real-time mozaïekwerk. In dit artikel wordt een nieuwe fabricagemethode voorgesteld om een betaalbare, steriele kalibratietarget te maken die geschikt is voor gebruik in een klinische setup. Deze methode omvat het etchende van een kalibratiepatroon door lasercutten van een gezandstraalde roestvrijstalen plaat. Dit doelwit werd gevalideerd met behulp van de camera kalibratie module die wordt geleverd door OpenCV, een state-of-the-art softwarebibliotheek die populair is in de computer vision community.

We hebben een steriliseerbaar kalibratierichtwaarde door etsen van een patroon van asymmetrische cirkel op een gezandstraalde roestvrijstalen metalen plaat, waarvan het ontwerp is weergegeven in figuur 1. Een voorbeeld setup waarop deze kalibratiewaarde in actie met een fetoscope wordt getoond in figuur 2. Om dit ontwerp worden meegenomen in de laser etsen software, werd een aangepaste toepassing in de programmeertaal Python 16 geïmplementeerd. Het creëren van het ontwerp patroon gaat iteratief etsen parallelle lijnen op een metalen plaat. Voor het patroon een consistente kleur daarna kennen, moet de afstand tussen deze lijnen dan de breedte van de laserbundel (zie de inzet van figuur 1) -dit waarde 45 urn voor Violino (LASERVALL) lasersnijmachine. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig1.jpg" /> <st<html> rong&gt; Figuur 1: Ontwikkeling van de gegraveerde patroon die een 3-by-11 raster van asymmetrische kringen. Inzet: ingezoomde weergave van het rooster van asymmetrische cirkels. De afstand tussen de lijnen 45 pm (gelijk aan de laserstraal breedte) en elke cirkel een diameter van 1 mm. Andere afmetingen kunnen worden gebruikt voor het raster ook, maar dit bleek optimaal ten opzichte van het gebied fetoscope gezien worden. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig2.jpg" /> Figuur 2: Exemplar setup met het kalibratiedoel in gebruik is. De tip van de in water ondergedompeld fetoscope is gericht op het kalibratiedoel aan de rechterkant. Aan de linkerkant is een Britse stuiver op schaal informatie te verstrekken.&quot;Target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. De gefabriceerde kalibratiemodel maakt de detectie van het cirkelvormige patroon in de endoscopische videostroom met OpenCV 17, waarvan de locaties worden vervolgens gesorteerd in de vooraf bepaalde asymmetrische cirkelnet (zie figuur 3). Deze informatie gebruikt in combinatie met de reeds bekende raster geometrie, kan de interne camera parameters worden geschat. Deze omvatten de cameramatrix en verstoring coëfficiënten. De camera matrix bestaat brandpuntafstanden en de optische centra langs de x- en y-as van de 2D beeldvlak. De vervorming coëfficiënten zijn gebaseerd op de Brown-Conrady model 3. Merk op dat voor dit werk alleen de radiale vervorming parameters werden geschat. Voor een korte bespreking van de theorie, met praktische voorbeelden, zie de website van de OpenCV camerakalibratie module &lt;sup class = &quot;xref&quot;&gt; 17 en de MATLAB camerakalibratie toolbox 22. Meer details over de camera kalibratie procedure zijn verkrijgbaar in het werk van Zhang&#39;s 20. De endocal software repository is voorzien van een steekproef dataset van 10 endoscopische uitzicht op de gefabriceerde kalibratiedoel 16. Gebruik van deze dataset, een kalibratie met een gemiddelde re-projectie onjuiste 0,28 pixels (min: 0,16, max: 0,45) werd verkregen. Dit is vergelijkbaar met de pixels van 0,25 Wengert et al. met behulp van hun aangepaste kalibratie-algoritme 15. Dezelfde onderzoeksgroep meldde echter een nieuwe projectie onjuiste 0,6 pixels in een recent artikel bij gebruik van de werkwijze 15 voor het kalibreren van een endoscopische camera voor placenta mozaïeken 18. <img alt="figuur 3" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig3.jpg" /> <strong&gt; Figuur 3: Real-time detectie van de kalibratie patroon. Een screenshot van de kalibratie applicatie 16 met het gedetecteerde kalibratie patroon overlay op de live video-stream met behulp van de virtual reality visualisatie van OpenCV 17. Merk op dat elke gedetecteerde kolom van de kalibratiepatroon wordt benadrukt door een andere kleur. De gedetecteerde cirkels, samen met de bekende geometrie, worden gebruikt voor het berekenen van de camera parameters. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> De geschatte cameraparameters worden gebruikt voor optische vervorming correctie. Figuur 4 toont een rechthoekig schaakbordpatroon, zoals gezien met een fetoscope, waarbij optische vervormingen maken het lijnen als curven. Merk op dat de lijnen verschijnen normaal in de Distortion-gecorrigeerde foto. <img alt="figuur 4" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig4.jpg" /> Figuur 4: Optische vervorming correctie. Een screenshot van de kalibratie verzoek 16 het live-videobeeld van een fetoscope opname van het schaakbordpatroon (links) met de vervorming gecorrigeerde beeld (rechts) met. Drie exemplarische lijnen getrokken in beide beelden, elk van de ene hoek naar de andere, waarbij het traject lineair. Door de optische vervormingen deze lijnen als curven in de oorspronkelijke fetoscope beelden. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

Dit artikel beschrijft het ontwerp en de ontwikkeling van een sterieel aangepaste camera optische vervormingskalibratie doelwit voor de peri-operatieve, vloeistof-ondergedompeld kalibratie van endoscopen tijdens endoscopische ingrepen.

Medische kwaliteit Steriliseerbare Doel voor-Fluid ondergedompeld fetoscope Optical Distortion Calibration

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal ...

Het doel van het project is om een steriliseerbaar kalibratieapparaat voor endoscopische camera's te ontwikkelen dat door clinici in operatiekamers kan worden gebruikt. Medische beeldgevingsmethoden, zoals real-time tracking van het menselijke cardiovasculaire stelsel, kampen momenteel met optische distortie-effecten die verminderd kunnen worden door een gestandaardiseerd kalibratieproces. Dit apparaat kan dienen als een snel en praktisch hulpmiddel voor de perioperatieve kalibratie van endoscopen die worden gebruikt bij foetale chirurgische ingrepen, zoals het tweeling-transfusiesyndroom.Teken vóór het zandstralen met een liniaal een vierkant van 40 bij 40 millimeter op een 1,2 millimeter dikke plaat van 316 roestvrij staal. Gebruik vervolgens een handmatige metaalsnijder om het vierkant uit te snijden en gebruik een vijl om de hoeken en zijkanten van het monster af te ronden. Plaats het staal vervolgens op een één tot twee centimeter dik blok dat iets groter is dan het vierkante monster.Gebruik één bankschroef om het monster op het blok te bevestigen en een tweede om het monster stevig bij de rand van het blok vast te houden tijdens het schuren. Plaats vervolgens de gehele opstelling in een interne straalkamer, zet de perslucht aan en sluit de kamer luchtdicht af. Zet daarna een veiligheidsbril op en positioneer een straalpistool loodrecht op het metalen oppervlak, op een afstand van ten minste vier tot vijf centimeter.Gebruik vervolgens het voetpedaal om het monster te zandstralen. Zandstraal daarna de andere zijde op dezelfde wijze, indien van toepassing. Ontwerp voor het laserpatroneren van het monster eerst een patroon van asymmetrische cirkels en gebruik de geschikte ontwerpsoftware om een tekenuitwisselingsbestand (DXF-bestand) van het ontwerp voor te bereiden.Importeer het bestand in de lasersnijsoftware en stel de achtergronde ltsing en de perimeters van het etspatroon in. Ga naar het laser-tabblad van de software. Wanneer u roestvrij staal als materiaal kiest, verschijnen de vooraf gedefinieerde perimeters.Pas het vermogen, de shotfrequentie, de scansnelheid en het aantal omtrekdoorgangen dienovereenkomstig aan. Pas indien nodig de X- en Y-positie van het te etsen patroon aan. Om het patroon aan de hand van de hoekpunten van de vierkanten te kunnen herkennen, moeten de kleur van het blok en de achtergrond worden geoptimaliseerd.De juiste werking en de perimeterinstelling van de laser moeten ook worden gecontroleerd voordat men begint met het patroon aanbrengen. Plaats vervolgens het monster op het werkplatform en stel het oppervlak van het monster scherp door het Z-as opdrachtvenster te gebruiken om de hoogte van de laser aan te passen. Controleer of de optie voor de starttest in de software is geactiveerd, schakel de laserdiode op het laserpaneel in en stel vervolgens de hoogte van de laser af.Wanneer de testplek samenvalt met de plek van de diodelaser, bevindt de focus van de laser zich precies op het oppervlak. Gebruik de software om het snijpatroon uit te lijnen. Dompel het monsterpatroon in alcohol om het oppervlak te reinigen.Wikkel het monster vervolgens in een sterilisatieverpakking voor autoclavering. Om de endoscoop te kalibreren, installeert u eerst het Endocal endoscoop-kalibratiesoftwarepakket dat via GitHub wordt aangeboden. Plaats daarna het kalibratiedoel in een steriele vloeistofcontainer, zoals een potje.Vul de houder met de doelvloeistof en stel de zoom en scherpte van de endoscoop naar wens in. Dompel vervolgens de endoscoop in de vloeistof, waarbij u de endoscoop op een afstand van het kalibratiedoel houdt die vergelijkbaar is met de afstand waarop de endoscoop later zal worden gebruikt. Start nu de kalibratieapplicatie en begin met de cameragegevensverzameling, terwijl u de punt van de endoscoop lichtjes beweegt voor verschillende aanzichten en het gehele kalibratiepatroon in het gezichtsveld van de camera houdt.Verkrijg het minimale aantal endoscopische camerabeelden dat vereist is voor de kalibratie, zoals aangegeven in het Endocal-venster. Dit steriliseerbare kalibratiedoel is gemaakt door een asymmetrisch cirkelpatroon aan te brengen op een gezandstraalde roestvrijstalen plaat, zoals geïllustreerd in deze afbeeldingen. Om een consistente kleur van het patroon te verkrijgen, moet de afstand tussen de lijnen kleiner zijn dan de breedte van de laserstraal.Hier wordt een voorbeeld getoond van deze kalibratiedoelwit in actie met een endoscoop. Het vervaardigde kalibratiedoelwit maakt de detectie van de circulaire vlekken in de endoscopische videostroom mogelijk met OpenCV. De locaties hiervan worden vervolgens gesorteerd in een vooraf gedefinieerde asymmetrische circulaire rastergeometrie en daarna gebruikt voor het schatten van de optische distortieparameters. Optische distorties kunnen worden gecorrigeerd met behulp van de geschatte parameters.Bijvoorbeeld, in dit representatieve endoscopische beeld van een rechthoekig schaakbordpatroon zorgen de optische vervormingen ervoor dat de lijnen als krommingen verschijnen. Na vervormingscorrectie zien de lijnen er echter normaal uit. Deze techniek maakt de betaalbare fabricage mogelijk van een steriliseerbaar apparaat voor endoscopische camerakalibratie, gemaakt van gemakkelijk verkrijgbaar medisch materiaal.Voortbouwend op de positieve resultaten van dit werk, werken wij aan de ontwikkeling van een volledig uitgerust ergonomisch kalibratieapparaat dat slechts minimale interactie van de gebruiker vereist. Deze productiemethode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van de interpretatieve medische beeldvorming, zoals: hoe kan de steriliseerbaarheid van de endoscopische camera worden behouden tijdens het kalibratieproces? Ons kalibratieapparaat werkt met geavanceerde camera-kalibratiesoftware zoals Open CV, waardoor de complexiteit van de integratie van het apparaat met vele potentiële klinische softwaretoepassingen verder wordt verminderd.

medical-grade-sterilizable-target-for-fluid-immersed-fetoscope

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Hier beschrijven we een procedure die de microschalige schlieren-techniek gebruikt om mengingsongelijkheid in een microfluïdisch apparaat te meten. Door middel van kalibratie kan de verdeling van de concentratiegradiënt worden afgeleid uit de micro-schlieren-afbeelding.

Het analyseren van Mengen Inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat door Microscale Schlieren Technique

We presenteren een protocol om op cellen gebaseerde neurotransmitter fluorescerende engineered reporters (CNiFERs) te creëren voor de optische detectie van volumetrische neurotransmitter release.

De bouw van het Cell gebaseerde neurotransmitter Fluorescent Engineered Reporters (CNiFERs) voor optische detectie van neurotransmitters<em&gt; In Vivo</em

Wij rapporteren een verfijnde procedure van de ijzerchloride (FeCl3) geïnduceerde trombose modellen op de halsslagader en mesenterica evenals ader, efficiënt gekarakteriseerd met behulp van intravitale microscopie tot tijd om trombi vorming occlusief bewaken.

IJzer-Chloride geïnduceerde Murine Trombose Models

Het beoefenen van de specifieke vaardigheden vereist voor fetoscopic laser coagulatie van monochorionic placenta anastomoses op realistische modellen minder ervaren chirurgen kunnen helpen bij het overwinnen van de steile het leren kromme die zijn gekoppeld aan deze procedure die nu wordt beschouwd als de standaard van zorg voor transfusie van twin-twin syndroom.

Model chirurgische opleiding: Verwerven van de vaardigheden van in Fetoscopic Laser Photocoagulation van Monochorionic Diamniotic Twin Placenta met behulp van realistische simulatoren

Hier wordt een stereotactische procedure beschreven die zich kan richten op uitdagende en moeilijk bereikbare hersengebieden (vanwege ruimtelijke beperkingen) met behulp van een schuine coronale benadering. Dit protocol is aanpasbaar aan zowel muis- als rattenmodellen en kan worden toegepast op diverse neurowetenschappelijke toepassingen, waaronder canule-implantatie en micro-injecties van virale constructies.

Aanpasbare schuine stereotactische benadering voor veelzijdige neurowetenschappelijke technieken

We presenteren een protocol om de hersenstam van volwassen muizen van de ventrale kant bloot te leggen. Door een gradiënt-brekingsindexlens met een miniatuurmicroscoop te gebruiken, kan calciumbeeldvorming worden gebruikt om de activiteit van inferieure olijfneurale somata in vivo te onderzoeken.

In vivo Calcium beeldvorming in muis inferieure olijf

Open globe oogletsel kan onbehandeld blijven voor meerdere dagen in landelijke of militair-relevante scenario's, wat resulteert in blindheid. Therapeutica zijn nodig om verlies van gezichtsvermogen te minimaliseren. Hier beschrijven we een orgaancultuur open globe letselmodel. Met dit model kunnen potentiële therapieën voor het stabiliseren van deze verwondingen goed worden geëvalueerd.

Anterieur segment orgaancultuurplatform voor het volgen van open globe verwondingen en therapeutische prestaties

We presenteren een protocol voor het gebruik van fiberoptische confocale lasermicro-endoscopie (CLM) om de spatio-temporele verdeling van liposomen in het oog na subconjunctivale injectie niet-invasief te bestuderen.

Spatio-temporale in vivo beeldvorming van oculaire medicijnafgiftesystemen met behulp van fiberoptische confocale lasermicro-endoscopie

Dit manuscript beschrijft het ontwerp en de werking van een microtensiometer / confocale microscoop om gelijktijdige metingen van interfaciale spanning en oppervlaktedilatationale reologie uit te voeren terwijl de interfaciale morfologie wordt gevisualiseerd. Dit biedt de real-time constructie van structuur-eigenschap relaties van interfaces die belangrijk zijn in technologie en fysiologie.

Microtensiometer voor confocale microscopie visualisatie van dynamische interfaces

We presenteren een geautomatiseerde methode voor het karakteriseren van de effectieve elastische modulus van een oculaire lens met behulp van een compressietest.

Geautomatiseerde compressietests van de oculaire lens

Leer een sterilisatiebare kalibratiedoel voor endoscopen te fabriceren met roestvrij staal en laseretsen. Deze methode maakt snelle, steriele optische correctie mogelijk tijdens fetale chirurgie.

Medische kwaliteit Steriliseerbare Doel voor-Fluid ondergedompeld fetoscope Optical Distortion Calibration

Meer video's verkennen