立體視覺系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于計(jì)算各種形狀的對(duì)象的尺寸(包括面積和體積)的測(cè)量系統(tǒng)。特別地，其涉及完全適合于老鼠中的皮下腫瘤的3D測(cè)量的微型3D測(cè)量設(shè)備。本發(fā)明的主要目的然后還由用于各種形狀的對(duì)象的3D測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)組成，該測(cè)量系統(tǒng)包括手持裝置，該手持裝置具有至少一個(gè)照相機(jī)，一個(gè)投影儀和測(cè)量室。在更具體的實(shí)現(xiàn)中，手持裝置將具有2個(gè)照相機(jī)和投影儀，并且3D測(cè)量是基于立體視覺的。測(cè)量系統(tǒng)確保所述手持裝置還具有處理器模塊，用戶接口，電源，數(shù)據(jù)通信接口以及可替換的測(cè)量室，以給予裝置必要的靈活性和自主性以加速測(cè)量過程以及顯著地改善測(cè)量的再現(xiàn)性也是本發(fā)明的目的。
【專利說明】立體視覺系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于計(jì)算各種形狀的對(duì)象(object)的尺寸(包括表面和體積)的測(cè)量系統(tǒng)。特別地，其涉及完全適合于3D測(cè)量老鼠中的皮下腫瘤(subcutaneoustumour)的微型(miniature) 3D測(cè)量設(shè)備。本發(fā)明的主要目的還由用于3D測(cè)量各種形狀的對(duì)象的測(cè)量系統(tǒng)組成，測(cè)量系統(tǒng)包括手持裝置，該手持裝置具有至少一個(gè)圖像捕獲裝置(在下文中也稱作傳感器)，至少一個(gè)測(cè)量源(source)，特別是投影儀(projector)和測(cè)量室(measuring chamber)。在更具體的實(shí)現(xiàn)中，手持裝置將具有I個(gè)或2個(gè)、特別是2個(gè)照相機(jī)和I個(gè)投影儀，并且3D測(cè)量是基于立體視覺(stereo-vision)的。
[0002]測(cè)量系統(tǒng)確保所述手持裝置還具有處理器模塊、用戶接口、電源、數(shù)據(jù)通信接口以及可替換(exchangeable)的測(cè)量室，以給予裝置必要的靈活性和自主性以加速測(cè)量過程以及顯著地改善測(cè)量的再現(xiàn)性(reproducibility)也是本發(fā)明的目的。
【背景技術(shù)】
[0003]在對(duì)于抗癌的新目標(biāo)進(jìn)行功能識(shí)別之后，各種產(chǎn)品集中于基于其目標(biāo)的選擇性而選擇的目標(biāo)上。接著，必須在大量的篩選過程中比較候選藥物的活性、效力(efficacy)和安全性和毒性屬性(profile)。該篩選過程在產(chǎn)品的臨床實(shí)驗(yàn)可開始之前在臨床前期(preclinical)動(dòng)物模型中被執(zhí)行。由于缺少高通量(high-throughput)篩選模型,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間通常是對(duì)于癌(cancer)的潛在藥物的開發(fā)中的首要問題。
[0004]腫瘤大小是大多數(shù)臨床前期活動(dòng)研究中的主要焦點(diǎn)。腫瘤的精確測(cè)量和效力由此對(duì)于新候選藥物的迅速評(píng)估是至關(guān)重要的。活體研究中的這些的重更部分在老鼠中發(fā)生，借此測(cè)試分量對(duì)皮下或正位腫瘤的效果被研究。具有免疫缺陷的皮下腫瘤模型，裸鼠被最頻繁地使用。在該模型中，腫瘤生長通過皮膚是清晰可見的，該皮膚使得能夠進(jìn)行生長的簡(jiǎn)單、無創(chuàng)監(jiān)測(cè)。
[0005]已經(jīng)存在很多先進(jìn)的對(duì)于宏觀成像(macroscopic imaging)可獲得的商業(yè)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，諸如“計(jì)算機(jī)斷層成像(CT) ”，“磁共振成像(MRI) ”以及“斷層熒光(FMT) ”。然而，這些腫瘤研究方法是非常昂貴的，并且在目前環(huán)境中的可用性和可得性是長期實(shí)驗(yàn)中使用的主要限制因素，在實(shí)驗(yàn)中腫瘤生長被頻繁地監(jiān)測(cè)。通常也不容易將這些方法標(biāo)準(zhǔn)化或迅速執(zhí)行它。這些技術(shù)因此不能被用作高通量篩選系統(tǒng)。此外，還存在基于所謂的線掃描器(其可有效地用于測(cè)量老鼠中的腫瘤)的光學(xué)系統(tǒng)，例如Biopticon的系統(tǒng)(一種用于掃描實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物中的皮下腫瘤的、結(jié)構(gòu)化的基于光的系統(tǒng)，諸如例如在美國專利US7，450，783中所描述的)。然而，由于線投影儀是基于激光的，所以這些系統(tǒng)相對(duì)昂貴且較大。除此之夕卜，待測(cè)量的表面的全部掃描持續(xù)數(shù)秒，在此期間老鼠必須完全穩(wěn)定。
[0006]由于該原因，皮下腫瘤生長通常利用卡鉗(calliper)來測(cè)量，其使得能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單而且快速的測(cè)量(參見圖1A)。接著根據(jù)二維水平直徑和最大高度來計(jì)算腫瘤大小。隨著腫瘤生長，形狀可能強(qiáng)烈地(strongly)偏離理論上的半橢圓形狀(參見圖1B)。計(jì)算的形狀由此僅為一種估計(jì)，其可強(qiáng)烈地偏離實(shí)際的腫瘤大小。對(duì)于可再現(xiàn)的測(cè)量，不僅需要大量的訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)，還需要更多的動(dòng)物以用于有效的結(jié)果。
[0007]利用該申請(qǐng)， 申請(qǐng)人:接著還提供高科技3D測(cè)量設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，其使得能夠進(jìn)行皮下腫瘤生長的精確、容易并且快速的測(cè)量。利用新的測(cè)量設(shè)備，臨床前期篩選過程在兩個(gè)方向上被加速。一方面，測(cè)量是完全自動(dòng)的，并且另一方面，測(cè)量的可變性被最小化，這將增加臨床前期實(shí)驗(yàn)的效力。
[0008]進(jìn)一步的且與本領(lǐng)域已知的3D測(cè)量系統(tǒng)不同的，該系統(tǒng)已適于根據(jù)待測(cè)量的對(duì)象的尺寸通過使用手持裝置和可替換的測(cè)量室測(cè)量具有非幾何形的小對(duì)象。例如，當(dāng)與歐洲專利公開EP140870中所描述的3D攝影系統(tǒng)(3D_fotography)比較時(shí)，本發(fā)明的3D測(cè)量系統(tǒng)不包括投影視角調(diào)節(jié)單元，以使得單個(gè)照相機(jī)能夠從不同的視角對(duì)相同的對(duì)象進(jìn)行拍照，后者在3D立體視覺算法中被結(jié)合。它還缺少適合(fitover)待測(cè)對(duì)象的可替換(可移除(removable))的測(cè)量室。這同樣對(duì)于US4805638中所描述的3D測(cè)量裝置適用。所述參考提供了用于人頭部的攝影測(cè)繪(photogrammetrical)測(cè)量的裝置，從附圖明顯看出，該系統(tǒng)不包括具有可替換(可移除)的測(cè)量室的手持裝置。缺少這樣的可替換的測(cè)量室的其它系統(tǒng)例如在專利參考CA2686904、US20070229850、W02007129047以及US20090245603 中被描述。CA2686904、W02007129047 以及 US20090245603 還與測(cè)量方法中應(yīng)用的即時(shí)(instant)裝置不同。CA2686904中的方法還需要存在靠近待測(cè)對(duì)象的回復(fù)反射(retro-refiective)材料和額外的光源。這明顯對(duì)測(cè)量增加了另外的復(fù)雜度，并且不可應(yīng)用在如上文所描述的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物中的皮下腫瘤的掃描中。在W02007129047中所描述的方法中，額外的具有預(yù)定體積的參考目標(biāo)被增加到測(cè)量區(qū)域。再次，與CA2686904中所描述的方法類似，這對(duì)測(cè)量增加了另外的復(fù)雜度，并且不可應(yīng)用在如上文所描述的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物中的皮下腫瘤的掃描中。在US20090245603中，從對(duì)象拍攝兩個(gè)具有不同照明度(illumination)的圖像。在即時(shí)裝置中，僅一個(gè)照明度被使用，由此簡(jiǎn)化了過程并且有助于裝置操縱的容易性。
[0009]由此本發(fā)明的目的在于提供一種精確的3D測(cè)量系統(tǒng)，包括手持裝置，使用簡(jiǎn)單并且特別適合于測(cè)量具有可變的、非幾何形狀的小對(duì)象；特別是皮下腫瘤。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖1利用卡鉗測(cè)量皮下腫瘤(A)。這些腫瘤可具有不同的形狀(B)。
[0011]附圖2是輔助的立體視覺原理的示意圖。
[0012]附圖3是測(cè)量裝置的側(cè)視圖㈧和具有最重要元件的技術(shù)制圖⑶。
[0013]附圖4是具有面板計(jì)算機(jī)的基地站(A)和系統(tǒng)的架構(gòu)的框圖(B)。
[0014]發(fā)明的描述
[0015]新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行4個(gè)過程:1)在待測(cè)對(duì)象的表面使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量源(例如使用LED光源的結(jié)構(gòu)化噪聲圖案(noise pattern),遮光圖案盤(gobo pattern disk)(利用圖案蝕刻的金屬覆蓋玻璃盤)以及聚光器)投影可檢測(cè)的信號(hào)，2)使用一個(gè)或多個(gè)相配(compatible)的傳感器記錄由待測(cè)對(duì)象變換的信號(hào)(例如利用I個(gè)或2個(gè)數(shù)字照相機(jī)對(duì)投影在待測(cè)對(duì)象上的結(jié)構(gòu)化噪聲圖案進(jìn)行圖像記錄)，3)處理記錄的信號(hào)，其中數(shù)據(jù)被內(nèi)插到3D體(例如經(jīng)由立體視覺)，4)數(shù)據(jù)輸出。自動(dòng)化這些過程的所需的硬件和軟件包括在由測(cè)量裝置和具有用戶接口(例如由面板(panel)計(jì)算機(jī)(pc)組成(參見圖4))的基地站(base stafion)組成的設(shè)置(set-up)中，其將使得操作者能夠精確地執(zhí)行測(cè)量。如以上已經(jīng)指出的，新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特別適合于3D測(cè)量對(duì)于癌的各種動(dòng)物模型中的皮下腫瘤。與卡鉗類似的測(cè)量，包括數(shù)據(jù)處理通常會(huì)花費(fèi)幾分鐘。利用新的創(chuàng)造(conc印t)，這減少到幾秒鐘。這樣，操作者可并行跟進(jìn)3倍多的實(shí)驗(yàn)。
[0016]新的裝置不僅加速了測(cè)量過程，還通過測(cè)量的精度和分辨率的增加降低了測(cè)量的可變性。由于測(cè)量的一致性，對(duì)于所述癌模型需要更少的動(dòng)物以獲取精確的結(jié)果(由于測(cè)量之間的(內(nèi))可變性(intra-variability)的降低)，并且可保證另一個(gè)操作者的實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程(由于操作者之間的(互)可變性(inter-variability)被最小化)。由于可保證實(shí)驗(yàn)的持續(xù)性，每年研究的數(shù)量可以150%增加。
[0017]所有這些因素確保新的測(cè)量裝置符合腫瘤抑止劑對(duì)皮下腫瘤生長的效果的高通量篩選所需要的全部需求。在目前卡鉗被使用的情形中，操作者在2個(gè)月的期間內(nèi)平均可跟蹤2個(gè)實(shí)驗(yàn)。每年，每個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行大約6個(gè)實(shí)驗(yàn)。利用新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，操作者將能夠并行跟蹤6個(gè)實(shí)驗(yàn)，并且利用多個(gè)操作者的合作，每年每個(gè)項(xiàng)目可執(zhí)行平均27個(gè)實(shí)驗(yàn)。具體地，這意味著該獨(dú)特裝置的開發(fā)加速了潛在癌藥物的臨床前期篩選過程達(dá)12個(gè)月。
[0018]本申請(qǐng)的目的由3個(gè)部分組成。第一個(gè)目的在于用于3D測(cè)量具有可變的、非幾何形狀的對(duì)象(特別是皮下腫瘤)的電子產(chǎn)品和圖像記錄技術(shù)的可得性(avaflabflity)。決定該圖像記錄技術(shù)的參教一方面是測(cè)量的速度和精度(空間分辨率)，另一方面是裝置的自主性和效率。原則上，基于一個(gè)或多個(gè)圖像捕獲裝置(傳感器)和測(cè)量源的任何3D測(cè)量方法都可被使用，包括但不限于3D立體視覺，超光譜成像、超聲波造影術(shù)(ultrasonography)、光聲成像(photoacoustic tompgraphy)、熱聲成像(thermoacoustictompgraphy)等。
[0019]例如，在光聲成像的情況中，測(cè)量源將由傳送到目標(biāo)的非電離(non-1onizing)激光脈沖組成。傳送能量的一些將被吸收并轉(zhuǎn)換成熱，從而導(dǎo)致短暫(transient)的熱塑膨脹并產(chǎn)生超聲波。所述波可通過使用一個(gè)或多個(gè)超聲換能器(傳感器)檢測(cè)。由于所述超聲波的幅度與局部的能量沉積成比例，所以前者可形成目標(biāo)區(qū)域的3D圖像。使用光聲成像，可在達(dá)7cm的深度處產(chǎn)生這樣的皮下腫瘤的高分辨率圖像。通過使用微波或無線電頻率(RF)脈沖作為激勵(lì)源可到達(dá)進(jìn)一步的深度。在所述實(shí)例中，前述技術(shù)被稱為熱聲成像。
[0020]接下來，本申請(qǐng)的第二個(gè)目的在于具有用于利用圖像可視化和數(shù)據(jù)輸出來分析記錄信號(hào)(例如在3D立體視覺的情況中的圖像分析或在光聲或熱聲成像的情況中的超聲波分析)的模塊的軟件包的可得性。對(duì)于該軟件的決定參擻是數(shù)據(jù)處理的自主性和速度。最終，該申請(qǐng)具有最后的一個(gè)目的，在于將圖像記錄技術(shù)和軟件集成在與用于癌的活體動(dòng)物模型(例如老鼠)相配的設(shè)置(裝置)中。該裝置使得操作者能夠有效并且精確地測(cè)量老鼠中的皮下腫瘤的大小。此外，在“皮下老鼠-腫瘤模型”的研究過程中集成裝置確保了通過一個(gè)操作者對(duì)相同腫廇的測(cè)量之間的“內(nèi)可變性”(intra-variability)就像由不同的操作者所測(cè)量的相同腫瘤的測(cè)量之間的“互可變性”(inter-variaility) —樣減少(與目前卡鉗方法的可變性相比)。
[0021]如以上已經(jīng)指出的，其目的之一中的新的監(jiān)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)由于以下原因而基于輔助的立體視覺(Konolige,K.,Projected texture stereo, Robotics and Automation(ICRA),2010IEEE 國際會(huì)議；p.148-155):[0022]-對(duì)投影系統(tǒng)存在較少的需求。在其它的創(chuàng)造中，點(diǎn)是基于激光投影和成像器(imager)的幾何圖形而計(jì)算的。這必須非常仔細(xì)地校準(zhǔn)并保持穩(wěn)定一段時(shí)間。利用立體視覺，足以校準(zhǔn)照相機(jī)以及在4寺測(cè)的體積上創(chuàng)建可辨認(rèn)的標(biāo)哼己點(diǎn)(recoRnisable markpoint)(例如結(jié)構(gòu)化的噪聲圖案)。
[0023]-由于人們希望迅速進(jìn)行測(cè)量，所以立體視覺給予了一個(gè)圖像記錄(左和右照相機(jī)圖像)足以進(jìn)平行精確3D測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。此外，照相機(jī)圖像中的一個(gè)(優(yōu)選為左邊的一個(gè)，因?yàn)樵搱D像還繃作參考圖像)可被存儲(chǔ)為歷史數(shù)據(jù)(historic data)。
[0024]-照相機(jī)的成本對(duì)于預(yù)期的精度不是問題。例如在智能電話，膝上型電腦、玩具以及甚至是小玩意(gadget)中使用的2個(gè)便宜的照相機(jī)就足夠。兩個(gè)這樣的照相機(jī)比I個(gè)具有昂貴透鏡的昂貴照相機(jī)給出甚至更多的信息。
[0025]上述說明也可應(yīng)用于投影儀(在本發(fā)明的該3D立體視覺實(shí)施例中使用的測(cè)量源)。簡(jiǎn)單、模塊化、微型的靜態(tài)投影儀就足夠，而不需要昂貴的激光器。目前在微微}殳影機(jī)(picobeamer)中使用的諸如LCD、DLP或CRT的投影儀技術(shù)同樣適合于本發(fā)明。測(cè)量在非常短的距離上進(jìn)行，并且難度存在于所需要的相對(duì)大的場(chǎng)(field)深度。在特別的實(shí)現(xiàn)形式(本發(fā)明的實(shí)施例)中，投影儀是基于幻燈片投影儀的原理并且由高功率LED光源、遮光圖案盤(利用圖案蝕刻的金屬覆蓋玻璃盤)以及聚光器組成的緊湊投影儀，。
[0026]圖2示出了輔助的立體視覺原理的示意圖。如以上所指出的，為此目的，測(cè)量儀器具有兩個(gè)照相機(jī)和一個(gè)投影儀。后者在待測(cè)對(duì)象上投影圖案，優(yōu)選為結(jié)構(gòu)化噪聲圖案。
[0027]系統(tǒng)必須基于已知對(duì)象(尤其是可從照相機(jī)以各種角度和各種距離定位的跳棋(draughts)圖案)的實(shí)際測(cè)量預(yù)先被校正。這樣，諸如焦距、兩個(gè)照相機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣以及透視變換矩陣的照相機(jī)參教被取得。
[0028]對(duì)于實(shí)際測(cè)量，可辨認(rèn)的測(cè)量點(diǎn)(特別是結(jié)構(gòu)化噪聲)經(jīng)由投影儀被投影到未知對(duì)象上，并且可辨認(rèn)的測(cè)量點(diǎn)可在兩個(gè)照相機(jī)記錄上被找到。經(jīng)由這些可辨認(rèn)的測(cè)量點(diǎn)，可取得兩個(gè)圖像中的相應(yīng)塊(block)。左圖像和右圖像之間的這樣的塊的移位(在像素中)經(jīng)由先前確定的校準(zhǔn)參數(shù)可被轉(zhuǎn)換成3D區(qū)域中的點(diǎn)。該方法提供了可靠和快速的測(cè)量方式。
[0029]實(shí)現(xiàn)形式
[0030]產(chǎn)品規(guī)格/尺寸
[0031]分辨率
[0032]測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)爭(zhēng)取可被廣泛用于具有可變形狀的對(duì)象的尺寸(包括體積和面積)的計(jì)算的系統(tǒng)。為此目的，能夠觀察對(duì)象的細(xì)微的細(xì)節(jié)不是必須的，這樣，關(guān)于分辨率的需求就不需要在太多的細(xì)節(jié)中指定。在本發(fā)明中，并且特別是在老鼠中的皮下腫瘤的測(cè)量中，人們希望盡可能快地測(cè)量腫瘤，其中具有體積和形狀的精確測(cè)量是最重要的。每點(diǎn)的精度由此也位于0.5到0.0lmm的范圍；特別是大約0.3到0.1mm ;更具體地,照相機(jī)理想地具有每點(diǎn)0.03mm的分辨率，并且可實(shí)現(xiàn)0.3mm的深度分辨率。
[0033]測(cè)暈體積和測(cè)暈(寬度、高度、深度)
[0034]如上已經(jīng)指出的，本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)的特征在于包含手持裝置，除了一個(gè)或多個(gè)傳感器(特別是I個(gè)或2個(gè)照相機(jī))之外，還具有至少一個(gè)測(cè)量源(特別是投影儀)以及可替換(可移除)的測(cè)量室，以確保待測(cè)對(duì)象被封閉。由此關(guān)于該測(cè)量室的形狀和大小也不存在具體的限制，并且鑒于皮下腫瘤測(cè)量的特別應(yīng)用，這些腫瘤的典型形狀和尺寸將被考慮以用于確定測(cè)量室的內(nèi)部測(cè)量的尺寸。在第一實(shí)現(xiàn)形式(實(shí)施例)中，測(cè)量室具有達(dá)到大約150mm的基本長度和寬度以及達(dá)到大約200mm的高度；并且特別地具有大約50mm的長度和寬度以及大約IOOmm的高度；更特別地具有大約30mm的長度和寬度以及大約50mm的高度；并且更具體地具有大約22.5mm的長度和寬度以及大約50mm的高度；并且，在其最小形式中，具有大約15_的長度和寬度以及大約50_的高度。鑒于待測(cè)對(duì)象的尺寸的變化，測(cè)量室將是可替換或可移除的，并且根據(jù)待測(cè)對(duì)象的尺寸，另一個(gè)測(cè)量室可被裝在手持裝置上。在該實(shí)施例中，測(cè)量室由直立面(upright face)組成，直立面在一側(cè)適合待測(cè)對(duì)象并在手持裝置的測(cè)量頭(head)的相對(duì)側(cè)固定，后者安裝有I個(gè)或2個(gè)照相機(jī)和投影儀。在特別的實(shí)施例中，測(cè)量室的內(nèi)壁以這樣的方式布局:例如經(jīng)由測(cè)量室的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面的水平肋板(ribbed panel),不存在光反射。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)定位在待測(cè)對(duì)象之上時(shí)，可替換(可移除)測(cè)量室的直立面中的至少一個(gè)允許向測(cè)量室內(nèi)觀察。后者允許測(cè)量室在待測(cè)對(duì)象之上更好的定位。允許裝置的操作者向測(cè)量室內(nèi)觀察的任何可想到的調(diào)適(adaptation)都在本發(fā)明的許可(admit)內(nèi)。在示例性實(shí)施例中,可替換(可移除)測(cè)量室的直立面中的至少一個(gè)是透明的或者已被打開。
[0035]在本發(fā)明的實(shí)施例中，手持裝置由此進(jìn)一步的特征在于它含有可替換的測(cè)量室的事實(shí)，并且后者具有用于與手持裝置的測(cè)量頭連接的夾具(grip)。這些可例如由螺紋連接、卡銷(bayonet lock)、棘爪固定(click confirmation)、磁配件(fitting)等組成。在特別的實(shí)施例中，夾具由測(cè)量頭和測(cè)量室之間的磁配件組成。在本發(fā)明中使用的可替換室在基部具有達(dá)到大約150_的尺寸以及達(dá)到大約200_的高度。在特別的實(shí)施例中，測(cè)量室具有達(dá)到大約150mm的方形基本的長度和寬度以及達(dá)到大約200mm的高度；并且特別具有達(dá)到大約50mm的長度和寬度以及達(dá)到大約IOOmm的高度；更特別地具有達(dá)到大約30mm的長度和寬度以及達(dá)到大約50mm的高度；并且更具體地具有大約22.5mm的長度和寬度以及大約50mm的高度；并且在其最小形式中，具有大約15mm的長度和寬度以及大約50mm的高度。
[0036]在另外的一個(gè)實(shí)施例中,可替換的測(cè)量室具有取決于尺寸的識(shí)別點(diǎn)(recognitionpoint)，其與測(cè)量頭相互作用，允許手持裝置識(shí)別當(dāng)前測(cè)量室的尺寸，并且建立測(cè)量參數(shù)(諸如照明時(shí)間，感光度)。在其最簡(jiǎn)單的形式中，該取決于尺寸的識(shí)別點(diǎn)可由跨越(across)手持裝置測(cè)量頭而分布的接觸元件(contact element)組成,并且取決于測(cè)量室的尺寸在其與存在于可替換測(cè)量室上的接觸元件的相互作用中將是唯一(unique)的。
[0037]另一個(gè)重要因素在于系統(tǒng)的小型化以導(dǎo)致可在活體實(shí)驗(yàn)室中使用非常靈活的“手持”測(cè)量儀器。據(jù)此，用戶友好性將特別成為裝置的外測(cè)量的決定因素，并且對(duì)形式和尺寸沒有特別的限制。實(shí)際上，人們將爭(zhēng)取保持手持裝置的重量在500g以下。
[0038]獲取的速度
[0039]獲取的速度是用于選擇記錄系統(tǒng)的決定參數(shù)。畢竟，人們希望盡可能快地測(cè)量腫瘤，即使老鼠被固定在研究者的手中。它仍然關(guān)系到活的并且清醒的動(dòng)物，而且在測(cè)量期間的完全固定是不可能的。所有的這些使得獲取的速度成為圖像記錄質(zhì)量的決定因素，而沒有好的圖像記錄，也是不可能在以后執(zhí)行可靠分析的。具有兩個(gè)照相機(jī)的基于3D立體視覺的設(shè)置相對(duì)于例如現(xiàn)存的工業(yè)線掃描器提供了一些重要的益處。利用預(yù)期的設(shè)置，I個(gè)或數(shù)個(gè)圖像記錄就足夠，并且取決于分辨率，圖像記錄可在幾個(gè)毫秒內(nèi)發(fā)生。多個(gè)記錄必須利用線掃描器進(jìn)行。即使利用快速掃描器(SOfps)，這也會(huì)花費(fèi)超過I秒鐘。在該時(shí)間期間，對(duì)象不能移動(dòng)，而這是不能保證的。
[0040]由此，在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，測(cè)量系統(tǒng)的特征在于圖像記錄的速度小于I / 10秒并且圖像在10秒內(nèi)被處理的事實(shí)。
[0041]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述
[0042]基于3D立體視覺的3D測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)基于前面的規(guī)格被編譯(compile)(參見圖3)。在含有測(cè)量對(duì)象的測(cè)量室的手持設(shè)備周圍建立一切，并且特別地可定外在腫瘤(I)周圍。利用該裝置，我們使用了 3個(gè)不同的可容易替換的測(cè)量室，具有30X30X50mm，22.5X22.5X50mm以及15X15X50_(LXBXH)的尺寸。在測(cè)量室的頂部，并且作為手持裝置的測(cè)量頭的一部分，你將發(fā)現(xiàn)用于立體視覺(II)的雙照相機(jī)設(shè)置(即傳感器)，優(yōu)選地為可在智能電話、膝上型電腦、玩具以及甚至是小玩意(gadget)中使用的小的、便宜的照相機(jī)。定制(custom)透鏡也可被用于在50mm的距離處獲得清晰的圖像和足夠的場(chǎng)深度。靠近照相機(jī)并且作為手持裝置的測(cè)量頭的一部分，你還將發(fā)現(xiàn)用于將可辨認(rèn)的測(cè)量點(diǎn)(例如結(jié)構(gòu)化噪聲圖案)(III)投影到目標(biāo)對(duì)象上的定制的投影系統(tǒng)(即測(cè)量源)。這將有助于提高立體匹配算法以及用于在目標(biāo)上物理定位測(cè)量室的精度。投影的圖案優(yōu)選為基于漢明碼的噪聲圖案，并且由于老鼠皮膚的反射和吸收光譜其對(duì)于最佳質(zhì)量是綠(green)的。除此之外，手持裝置還具有用于數(shù)據(jù)獲取并且可選地用于初步數(shù)據(jù)處理的處理器。該處理器還處理由一個(gè)或多個(gè)輸入裝置(特別是包括在手持裝置的手柄中的按鈕)和一個(gè)或多個(gè)輸出裝置(特別是一個(gè)或多個(gè)光、圖像和/或噪聲信號(hào))以通知用戶關(guān)于手持(測(cè)量)裝置的狀態(tài)，諸如電力狀態(tài)，與基地站的連接/通信狀態(tài)，數(shù)據(jù)獲取狀態(tài)，存儲(chǔ)器狀態(tài)等。
[0043]為了經(jīng)由內(nèi)置的照相機(jī)記錄圖像，在激活手持裝置的手柄中的按鈕之后激活處理器以進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。圖像通過處理器記錄并被保年在安裝的RAM存儲(chǔ)器中。這些原始圖像接著經(jīng)受可選的、初始數(shù)據(jù)處理(諸如圖像的修正，標(biāo)記(tag)圖像，立體計(jì)算、圖像的視覺控制)，并且無線地或以任何其他的方式被發(fā)送到基地站。標(biāo)準(zhǔn)模塊被優(yōu)選地使用。本發(fā)明的目的之一然后還在于提供測(cè)量系統(tǒng)，其中，手持裝置具有處理器模塊；用戶接口；電源；以及數(shù)據(jù)通信接口。在第一實(shí)施例中，為了執(zhí)行前面的測(cè)量方法，手持裝置的處理器模塊將含有圖像記錄，投影，電源，通信接口以及用戶接口的應(yīng)用代碼(application code)。
[0044]基地站(參見圖4)是基于標(biāo)準(zhǔn)的面板計(jì)算機(jī)的。該面板計(jì)算機(jī)具有所需的軟件以進(jìn)一步將來自手持裝置的圖像處理為測(cè)量對(duì)象的體積。為此目的，立體圖像被轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云(point cloud),噪聲被濾除，并且該點(diǎn)云被三角化(triangulate)以及腫瘤被(半)自動(dòng)分段(segment)。用于三角化的庫(library)、結(jié)構(gòu)化噪聲產(chǎn)生器、以及立體視覺算法作為開源是可得到的，例如作為ROS應(yīng)用包.的一部分的開放CU開源計(jì)算機(jī)視覺)(Konolige, K.,Projected texture stereo, Robotics and Automation(ICRA),2010IEEE國際會(huì)議；P.148-155)。用于三角化的可能庫為QHuI1、點(diǎn)云、庫(PCL)等。
[0045]當(dāng)需要時(shí)基地站的功能可利用自動(dòng)籠(automatic cage)和老鼠選擇、諸如例如老鼠的重量和觀察數(shù)據(jù)歷史的元數(shù)據(jù)(metadata)的自動(dòng)輸入來詳細(xì)闡述。為此推薦與服務(wù)器的連接，所有的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫中。
[0046]經(jīng)由管理計(jì)算機(jī)，可控制實(shí)驗(yàn)、籠以及老鼠。測(cè)量也可被審閱(review)并且可產(chǎn)生報(bào)告。
[0047]本發(fā)明的目的之一在于提供測(cè)量系統(tǒng)，其特別適于測(cè)量可變形的對(duì)象的尺寸(包括體積)，包括:
[0048]-手持裝置，具有測(cè)量室，至少一個(gè)照相機(jī)以及投影儀，其中投影儀在待測(cè)對(duì)象上投影可辨認(rèn)的標(biāo)記，并且照相機(jī)捕獲待測(cè)對(duì)象的一個(gè)或多個(gè)圖像并在初始處理之后將此發(fā)送到基地站；以及
[0049]-基地站，具有諸如觸摸屏、鍵盤和/或指針(pointer)裝置的用戶接口，用于進(jìn)一步將來自手持裝置的圖像處理成被測(cè)對(duì)象的體積所需的軟件、諸如屏幕的輸出裝置、以及可選地、用于手持裝置到基地站的瑪站(docking station)和或裝載站(loadingstation)。
[0050]在前述測(cè)量系統(tǒng)中，基地站可具有額外的通信端口，諸如IEEE1394、USB、IEEE1284、藍(lán)牙、IEEE802.lln、WiMedia UWB、SCSI以及以太網(wǎng)，以接收元數(shù)據(jù)的輸入，諸如經(jīng)由例如溫度傳感器的環(huán)境參數(shù)、經(jīng)由電子天平的老鼠的重量、經(jīng)由例如RFID芯片或條碼掃描器的自動(dòng)籠選擇；以及例如在遠(yuǎn)程服務(wù)器上可得到的數(shù)據(jù)歷史，并且另一方面將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器和/或管理計(jì)算機(jī)。
[0051]在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，手持裝置和基地站的功能被集成在單個(gè)裝置中，本發(fā)明進(jìn)一步的目的之一由此在于提供特別適于測(cè)量可變形狀的對(duì)象的尺寸(包括體積)的測(cè)量系統(tǒng)，包括:
[0052]-如此處描述的手持裝置，具有測(cè)量室，至少一個(gè)照相機(jī)，投影儀，處理器模塊；用戶接口 ；電源；以及教據(jù)通信接口，其中處理器模塊，除了用于用戶接口的應(yīng)用代碼；圖像記錄，投影，電源以及通信接口也具有用于圖像處理的應(yīng)用代碼。
[0053]可選地，該進(jìn)一步的實(shí)施例還可具有額外的通信端口，諸如IEEE1394、USB、IEEE1284、藍(lán)牙、IEEE802.lln、WiMedia UffB, SCSI以及以太網(wǎng)，以接收元數(shù)據(jù)的輸入，諸如經(jīng)由例如溫度傳感器的環(huán)境參數(shù)、經(jīng)由電子天平的老鼠的重量、經(jīng)由例如RFID芯片或條碼掃描器的自動(dòng)籠選擇；以及例如在遠(yuǎn)程服務(wù)器上可得到的數(shù)據(jù)歷史，并且另一方面將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器和/或管理計(jì)算機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于各種形狀的對(duì)象的3D測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)，其包括具有至少一個(gè)傳感器、至少一個(gè)測(cè)量源以及可替換/可移除的測(cè)量室的手持裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中傳感器是照相機(jī)或超聲換能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中測(cè)量源是從由投影儀、非電離激光器、微波源或RF波源組成的組中選擇的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中手持裝置具有兩個(gè)照相機(jī)和一個(gè)投影儀，并且3D測(cè)量是基于立體視覺的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中手持裝置具有以下部件中的一個(gè)或多個(gè)，或者在特別的情況下具有以下部件的全部:處理器模塊；用戶接口 ；電源；以及數(shù)據(jù)通信接口。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的測(cè)量室的內(nèi)部尺寸使得它能夠覆蓋具有可變的、非幾何體積的對(duì)象。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的測(cè)量室的內(nèi)部尺寸為大約150mm的長度和寬度以及具有大約200mm的高度；特別是大約50mm的長度和寬度以及大約IOOmm的高度；更特別地是大約30mm的長度和寬度以及大約50mm的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的測(cè)量室由直立面組成，所述直立面在一側(cè)適合待測(cè)對(duì)象并在手持裝置的測(cè)量頭的相對(duì)側(cè)固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的測(cè)量室具有用于與手持裝置的測(cè)量頭連接的夾具，例如從由螺紋連接、卡銷、棘爪固定、磁吸附等組成的組中選擇。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述 的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的室在其基部具有達(dá)到大約150mm的直徑以及達(dá)到大約200mm的高度；在特別的情況下,方形基部具有達(dá)到150mm的長度和寬度以及達(dá)到大約200mm的高度；在非常特別的情況下，具有大約50mm的長度和寬度以及大約IOOmm的高度；更特別地，具有大約30mm的長度和寬度以及大約50mm的高度。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的測(cè)量室的內(nèi)壁以這樣的方式布局:例如經(jīng)由測(cè)量室的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面上的水平肋板，不存在光反射。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中當(dāng)定位在待測(cè)對(duì)象之上時(shí)，可替換(可移除)的測(cè)量室的至少一個(gè)直立面允許向室內(nèi)觀察。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中可替換(可移除)的測(cè)量室的至少一個(gè)直立面是透明的或者已被打開。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中測(cè)量分辨率為大約0.5到0.01mm,并且在特別的情況下，大約為03到0.1mm。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中處理器模塊具有圖像記錄，投影，電源，通信接口，用戶接口的應(yīng)用代碼。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中通信接口連接到基地站；特別是具有用于對(duì)由處理器模塊生生的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理的軟件的面板電腦或計(jì)算機(jī)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求的測(cè)量系統(tǒng)，其中基地站處的軟件能夠執(zhí)行以下動(dòng)作中的一個(gè)或多個(gè)，在特別的情況下能夠執(zhí)行以下動(dòng)作的全部:計(jì)算3D點(diǎn)，表面擬合，3D濾波；體形的識(shí)別和移除，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和測(cè)量的管理，安裝和更新支持，以及產(chǎn)生用戶接口。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)，其中電源由一個(gè)或多個(gè)可替換的裝載電池組成，并且可選地具有集成的或獨(dú)立的電池裝載站。
19.一種用于可變形狀的對(duì)象的3D測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)，包括: -手持裝置，具有可替換(可移除)的測(cè)量室，至少一個(gè)照相機(jī)和一個(gè)投影儀，其中投影儀在待測(cè)對(duì)象上投影可識(shí)別的標(biāo)記，并且照相機(jī)捕獲待測(cè)對(duì)象的一個(gè)或多個(gè)圖像并在初始處理之后將此發(fā)送到基地站；以及 -基地站，具有諸如觸摸屏、鍵盤和/或指針裝置的用戶接口，用于進(jìn)一步將來自手持裝置的圖像處理成被測(cè)對(duì)象的體積所需的軟件，諸如屏幕的輸出裝置，以及可選地，用于手持裝置到基地站的塢站和或裝載站。
20.根據(jù)前述結(jié)論中的一個(gè)或多個(gè)的測(cè)量系統(tǒng)的使用，用于測(cè)量測(cè)試動(dòng)物中的皮下癌腫瘤。
【文檔編號(hào)】A61B5/107GK103703339SQ201280028528
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月29日
【發(fā)明者】E·斯內(nèi)德爾斯, J·M·斯塔森, H·尼卡司 申請(qǐng)人:佩拉私人有限公司, 思羅姆博基因股份有限公司