Simulation der Oberflächenerreichbarkeit.
Simulation der optischen Erreichbarkeit eines Teilbereiches auf der komplexen Oberfläche geflochtener Stents mittels Raytracing.
Um mit der Inspektion von Stents den hohen medizinischen Anforderungen gerecht zu werden, präzisiert die bewilligte Vorhabenbeschreibung die Herausforderung des Projektes, die in der automatischen Oberflächenerfassung und „Bildauswertung mit nahezu 100%-iger Detektionsrate“ liegt. Dazu muss die notwendige Bedingung der 100%-igen Oberflächenerreichbarkeit erfüllt werden. Es stellt sich die berechtigte Frage, welche Abdeckung unter welchen Sichtbedingungen eine angedachte Aufnahmekonfiguration erreichen kann. Aufgrund der unterschiedlichen Skalengrößenordnungen, nämlich der makroskopischen Dimension der Objekte (bis zu 250mm Länge) und der mikroskopischen Fehler (> 40 µm) auf Drahtdurchmessern zwischen 160 µm und 200 µm, sowie der komplexen Oberfläche, existiert zum einen keine triviale Lösung und zum anderen ist die empirische Validierung nicht ohne weiteres möglich.
Wir machen uns die Technik des Raytracings zu Nutze, um durch physikalisch korrekte Simulation die optische Erreichbarkeit auf der komplexen Stentoberfläche unter eingestellten Bedingungen zu errechnen. Im Folgenden ist ein Exkurs über die Umsetzung angefügt.
Raytracing vs. Fotographie
Beim Fotografieren entsteht ein Bild dadurch, dass das aus der Szene durch die Kameraöffnung (Blende) auf den Sensor einfallende Licht gemessen wird. Bei der Simulation ist aus Gründen der Effizienz der Vorgang umgekehrt. Es werden beim Raytracing einzelne Strahlen von der Kamera aus in die Szene verfolgt (primäre Strahlen). Wird kein Objekt getroffen, so nimmt das Pixel, von welchem der Strahl ausgeht, die zuvor festgelegte Farbe des Hintergrundes an. Trifft dagegen ein Strahl auf ein Objekt, so wird er entsprechend den Objekteigenschaften reflektiert und weiterverfolgt oder zerstreut (sekundäre Strahlen).
Im Anschluss wird ein Strahl in Richtung der Beleuchtungsquelle gesandt (Schattenstrahl), um mögliche Abschattungen zu überprüfen. Entsprechend der ermittelten Parameter für Beleuchtung und für Attribute des Objektes, wird der Wert für das korrespondierende Pixel berechnet.
Geometrisches Modell des Stents
Zum Erstellen eines 3D-Modells von Stents, wird das Programm constent verwendet. Es wurde am Fraunhofer ITWM entwickelt und stellt ein Konstruktionstool dar, um parametrisierte Stentmodelle am Computer zu erzeugen. Für die Simulation der Oberflächenerreichbarkeit wurde der Raytracer RayPlan, der ebenfalls am Fraunhofer ITWM entwickelt wurde, integriert. Um die Konfiguration des Traces zu vereinfachen, wurden in constent entsprechende Benutzermasken erstellt. Darin werden Parameter wie Kameramodell, Startpositionen, Tiefenschärfebereich, maximaler Winkel zwischen Strahl und Flächennormalen, u.a.m. eingestellt.
Vorgang des Raytracings
Nach der Konfiguration des Raytracers werden zunächst alle Kamerapositionen errechnet, die zur vollständigen Abdeckung der Oberfläche mindestens benötigt werden. Von diesen Positionen aus, werden Strahlen in Blickrichtung der Kamera gesandt. Der Kamerasensor wird orthogonal zur optischen Achse ausgerichtet und im Abstand der Fokuslänge an der errechneten Position platziert. Für jedes Pixel wird ein Strahl durch die Blende einer nachgestellten Pinholekamera in die Szene gesandt. Trifft der Strahl ein Objekt, so wird der Treffer gespeichert und das Modell an dieser Stelle eingefärbt.
Ergebnis eines Raytraces
Mit dieser Methode wird validiert, welche Bereiche des Stents mit den gewählten Einstellungen optisch zugänglich sind und welche nicht. Die Ergebnisvisualisierung mittels Heatmap stellt zudem dar, aus wie vielen Positionen eine Region sichtbar ist. Die Einfärbung des Modells in constent ermöglicht eine komfortable Analyse der Ergebnisse.