This work was supported through an Innovative Engineering for Health award by the Wellcome Trust [WT101957], the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) [NS/A000027/1], and a National Institute for Health Research Biomedical Research Centre UCLH/UCL High Impact Initiative. Jan Deprest is being funded by the Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen (FWO; JD as clinical researcher 1.8.012.07). Danail Stoyanov receives funding from the EPSRC (EP/N013220/1, EP/N022750/1), the EU-FP7 project CASCADE (FP7-ICT-2913-601021), and the EU-Horizon2020 project EndoVESPA (H2020-ICT- 2015-688592). Sebastien Ourselin receives funding from the EPSRC (EP/H046410/1, EP/J020990/1, EP/K005278) and the MRC (MR/J01107X/1). Marcel Tella is supported by the EPSRC-funded UCL Centre for Doctoral Training in Medical Imaging (EP/L016478/1).

1. 대상 제작 <ol><li> 샌드 블라스팅 <ol><li> 1.2 mm 두께를 가진 316 스테인레스 스틸 시트를 준비한다. 연필이나 못을 사용하여, 통치자의 도움으로 시트 상에 40mm X 40mm의 정사각형을 그립니다. </li><li> 수동 금속 절단기를 사용하여 그려진 사각형을 잘라. 주의! 손가락을보세요. </li><li> 샘플의 모서리와면을 둥글게 할 파일을 사용합니다. 주의! 그들은 매우 날카로운; 조심해. </li><li> 스테인레스 강판의 크기보다 약간 큰 직선 나무 또는 금속 블록을 준비한다. 그것에 낱장 용지를 넣습니다; 샌드 동안 샘플을 구부러지지 않도록하기 위해 이렇게. </li><li> 내부 폭발 챔버에서 어셈블리를 놓습니다. 집진기를 사용하는 기억 단단히 내부 폭발 챔버를 밀봉하는 단계; 그렇지 않으면, 모래 과정 전체에 걸쳐 확산된다. 눈을 보호하기 위해 보안경을 착용 할 것. </li><li> 직교하는 블라스팅 건을 위치 및 적어도 4-5cm 떨어진 금속 표면. 발 제어 방식을 적용샌드 블 래스팅에 대한 올. 샘플을 변형 할 수있는 고압의 유동 모래 같은 부사를 사용하여 목재 (두께 1~2cm)의 조각 샘플을 넣어. 모래 분사하는 동안, 나무 조각의 가장자리 나 다른 반대를 사용하여 단단히 샘플을 개최합니다. </li><li> 이 양면에 새겨진 교정 패턴을 갖는 것이 바람직 할 경우, 다른 쪽의 샌드 블라스트를 반복한다. </li></ol></li><li> 레이저 패터닝 <ol><li> 도 1에 도시 된 바와 같이, 비대칭 원형의 패턴을 설계한다. </li><li> 설계 중 CAD 소프트웨어 또는 다른 적절한 프로그래밍 언어를 사용하는 도면 교환 형식 (DXF) 파일을 준비한다. 참고 : 편의를 위해,이 문서에 언급 된 디자인을위한 DXF 파일을 생성 할 수있는 파이썬 응용 프로그램이 컴팩트 한 GUI 응용 프로그램 (16)의 일부로 제공됩니다. </li><li> 레이저 절단 소프트웨어로 DXF 파일을 가져옵니다. </li><li> 배경 에칭에 대해 다음 매개 변수를 설정합니다. 레이저 전원 : 40 %, 스캔 속도 :80cm / s의, 주파수 : 4,000 Hz에서, 패스의 수 : 1. </li><li> 패턴을 에칭 다음 매개 변수를 설정합니다. 레이저 전원 : 40 %, 스캔 속도 : 2.1 cm / s로, 주파수 : 4,000 Hz에서, 패스의 수 : 1. </li><li> 작업 플랫폼에 샘플을 넣고 소프트웨어를 사용하여 절단 패턴 정렬. </li><li> 레이저 절단을 수행 한 후, 알코올에 침지하여 샘플을 청소. 그들은 일반적으로 바람직하지 않은 잔류 물을 떠날 어떤 잎사귀를 사용하지 마십시오. </li></ol></li><li> 살균 <ol><li> 살균 패키지의 살균 샘플을 싸서 살균 장치 (오토 클레이브)에 삽입합니다. </li><li> 오토 클레이브에 물 (안 증류수)를 추가하고 대상을 소독하기 위해 사용 설명서 / 제조업체의 권장 사항을 따르십시오. </li></ol></li></ol> 2. 요정 수술 교정 <ol><li> 교정 소프트웨어 <ol><li> GitHub의 (16)에 제공된 &quot;endocal&quot;내시경 교정 소프트웨어 패키지를 설치(내부 README 파일의 지침에 따라). 참고 :이 소프트웨어는 사용하기 쉬운 편의 응용 프로그램에서 OpenCV의 카메라 보정 모듈 (17)을 래핑합니다. 제공되는 응용 프로그램은 두 가지 모드에서 실행 : 온라인과 오프라인. 온라인 모드는 호환 프레임 그래버 하드웨어에서 직접 비디오 스트림을 획득한다. 오프라인 모드 로딩 내시경 화상에 대해 하나의 비디오 파일이나 이미지 파일로 저장된 비디오 프레임의 번호와 폴더에서 허용한다. 지원되는 하드웨어 및 이러한 두 가지 모드를 사용하는 방법에 대한 자세한 지침은 README를 참조하십시오. </li></ol></li><li> 내시경 영상 획득 주 : (위에서 설명) 다음은 온라인 교정 있지만, 또한 오프라인에서 교정에 적용 가능하다. <ol><li> 이러한 gallipot 등의 살균 액체 용기에 보정 대상을 놓습니다. </li><li> 대상 유체 또는 유사한 살균 물질과 용기를 입력합니다. 참고 : 예를 들어, fetoscopic proce을에절차들 대상 유체는 양수이다. 양수의 광학 특성을 염수 (18, 19)과 유사하기 때문에, 살균 염수의 fetoscope을 교정에 이용 될 수있다. </li><li> 원하는대로 내시경의 줌과 선명도를 조정합니다. </li><li> 유체 내시경을 담그고 내시경 추후에 사용되는 인체로부터의 거리와 유사한 캘리브레이션 타겟으로부터 거리를 길게. </li><li> 보정 응용 프로그램을 시작하고 카메라 수집을 시작합니다. </li><li> 카메라의 관점에서 전체 교정 패턴을 유지하면서 다른 뷰에 대한 약간 내시경의 끝을 이동합니다. 최적의 성능을 위해 내시경의 원형보기 내에서 교정 패턴 주위에 타원형의 전설을 유지합니다. 참고 : 그림 3에서와 같이 교정에 사용할 수있는 비디오 프레임은, 가상 패턴 오버레이로 표시됩니다. </li><li> 아퀴합니다 (endocal 창에 표시된 바와 같이) 교정에 필요한 내시경 카메라 뷰의 적어도 최소 수 (Re). 참고 : endocal의 현재 버전은 교정 적어도 10 내시경 카메라 뷰, 교정 오류 최소화 및 안정적인 패턴 (20)을 따라 나타나는 뷰의 경험적으로 선택된 번호가 필요합니다. </li><li> endocal 창에 표시된 바와 같이, 지금까지 취득 된 화상을 사용하여 조정 프로세스를 시작하기 위해, 교정 키를 누른다. </li></ol></li><li> 보정 파라미터를 저장 및 사용 <ol><li> YAML의 결과 보정 파라미터를 저장하기 위해 지정된 교정 키를 누릅니다 ( &quot;YAML 언어를 마크 업하지 않는다&quot;) (21) 파일. </li><li> 그룹 OpenCV의 카메라 교정 모듈 (17)에서 설명한 바와 같이, 카메라 행렬 왜곡 계수로 보정 파라미터. 주 : 교정을 수행 한 후, 보정응용 프로그램이 자동으로 원래의 내시경 화상의 오른쪽에, 왜곡 보정 된 화상을 표시한다. </li><li> 순수한 시각화 또는 11 mosaicing 실시간 태반에 대한 fetoscopic 절차를 수행하는 동안 왜곡 보정 비디오 피드를 사용합니다. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Zhang, Z., Matsushita, Y., Ma, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Camera+calibration+with+lens+distortion+from+low-rank+textures.">Camera calibration with lens distortion from low-rank textures.</a> , 2321-2328 (2011).</li><li>Devernay, F., Faugeras, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+calibration+and+removal+of+distortion+from+scenes+of+structured+environments.">Automatic calibration and removal of distortion from scenes of structured environments.</a> , 62-72 (1995).</li><li>Duane, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Close-range+camera+calibration.">Close-range camera calibration.</a> Photogramm. 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The authors have nothing to disclose.

원료 금속 표면이 보이 불가능 원이 검출 될 때까지 만들어 내시경 광을 반사하기 때문에 샌드 블라스팅은 제조 프로세스에서 중요한 단계이다. 이는 심지어 육안으로 서클을 구별하기 어렵다 (도 5 참조). 도시 된 타겟 표면이 이미 레이저 에칭 있습니다. 그러나,이 빛의 반사를 감소하지 않습니다. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig5.jpg" /> 그림 5 : 교정 대상없는 샌드와 함께 적용했다. 왼쪽에있는 내시경보기에서 알 수있는 바와 같이, 재료 표면에 내시경 빛의 섬광이 육안으로는 원을 구별하기조차 것이 어렵게 (그냥 대형 반사의 남동쪽에 원이있다). 이 타겟의 표면 (즉, 상기 &quot;배경&quot;) 이미 에칭 있는데, 이는 아니다<html> 샌드 블라스트의 부재 도움. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 이전에 패턴을 에칭, 전체 시료의 표면을 에칭하는 것도 중요하다. 이것은 샌드 블라스트 표면 많은 거울 반사 때문에 얼룩 검출을 방해 (도 6 참조)이 필요하다. <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig6.jpg" /> 그림 6 : 없음 에칭 표면을 모래 분사. 원료 금속 표면 저명한되지 않았지만, (일부 노란 화살표로 강조된다) 비교적 작은 정반사 여전히 성공할 얼룩 검출을 방지하기에 충분하므로 캘리브레이션이 대상으로 수행 할 수 없다.arget = &quot;_ 빈&quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 다른 속도로 레이저를 적용하는 것은 다른 배경 색상을 제공합니다. 배경색은 원과 배경 사이의 명암에 중요한 역할을한다. 따라서, 최적의 배경색을 결정하기 위해 필수적이다. 이를 위해, 동그라미와 플레이트는 생성 된 다른 배경 (그림 7 참조)의 집합에 대해 에칭. 배경에는는 OpenCV의 카메라 교정 모듈 (17)에서 사용된다 OpenCV의 23의 특징 검출 모듈을 사용하여 시험 하였다. 그것은 의료 기기 병원에서 가장 일반적으로 안정적인 재료이기 때문에,이 작업에서, 타겟은 스테인레스 강으로 만들어졌다. 이 자료는 자유롭게, 비싸지 않은, 사용 가능한 강력한 및 소독이 용이하다. 다른 재료는 잠재적으로 알루미늄 또는 요오드화 금속으로, 보정 대상에 사용될 수 있지만, 이것은 SCOP 인향후 작업의 전자. <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig7.jpg" /> 그림 7 : 레이저 에칭 다른 배경 색상의 팔레트를 갖춘 스테인레스 강판. 실제 실험 블롭 대 배경 콘트라스트 (23)의 측면에서 최적의 결과를 제공하는 배경 색상을 결정하는 기능을 OpenCV 검출 모듈과 연계하여 수행 하였다. 왼쪽의 내시경보기는 판을 보여줍니다. 적당한 배경 색상 (즉, 다른 그 가장 어두운 부분과 밝은 사람 있음)이 팔레트에 더 얼룩 검출을 얻었다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 이 작업의 장점 중 하나는 제조 된 표적을 사용하여 교정을 수행하는 2-3 분 소요된다. 노력의 대부분은 이동ES 수동 교정 패턴의보기 흉 수득 내시경을 안정화한다. 맞춤식 내시경 홀더를 사용하면 결과적으로 크게 보정 시간을 단축 할 수있는 수동 안정화에 대한 필요성을 제거 할 수있다. <img alt="비디오 1" src="/files/ftp_upload/55298/55298video1.jpg" /> 비디오 1 : 비디오는 endocal 소프트웨어와 함께 개발 보정 대상을 사용하여 수행 될 수있는 방법을 보여주는 광학 왜곡 보정. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/fetoscope-calibration-480.mov" target="_blank">이 동영상을 보려면 여기를 클릭하십시오. (다운로드 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다.)</a> 벵거 르트 등의 등의 작업에 비해 우리의 작업의 장점. 15 OpenCV의 카메라 교정 모듈 (17)은 임의의 수정 또는 사용자 parame 없이도 교정 그대로 사용할 수 있다는terization. OpenCV의 잘 확립하고 잘 관리 소프트웨어 패키지이며 쓰고 커스텀 소프트웨어를 유지하기위한 필요성을 제거하여, 컴퓨터 비전 사회에서 매우 인기가 있기 때문이다. 독자의 편의를 위해, 소형의 GUI 애플리케이션은 독자가 쉽게 설치하고 새로운 캘리브레이션 타겟을 테스트하는 데 사용할 수있는, (16)이 제공된다. 벵거 르트 등에 비교하여 제안 된 방법의 단점. 도 15은 모든 얼룩의 검출을 필요로하지 않기 때문에 그 방법은, 패턴의 폐색에 더 견고하다는 것이다. 처음에, 바둑판 패턴으로 보정 대상이 일을 위해 제작 하였다. 그러나, 보정 대상이 유형 의한 바둑판 사각형의 모서리를 검출하는 어려움 실험 부적합한 것으로 판명되었다. 코너 검출은 히스토그램 기반의 이미지 이진화합니다 (OpenCV의 소스 코드 24 참조)에 의존한다. 이 꼬마 도깨비도 6에 도시 된 것과 같은, 부분적으로 거울 반사에, 우리의 바둑판 패턴을 보장 할 수없는 어둠과 빛 사각형 사이의 명확한 색상 대비의 필요성이있다. 이러한 거울 반사 심지어 배경 에칭 후 존재; 그러나, 원형의 검출은 이러한 단점에 덜 민감한 것으로 보인다. 현재의 설정으로, 보정 대상의 수직보기 성공 얼룩 검출 허용한다. 이 경사 각도 얼룩 검출 방해 대상 표면에서 정반사에 기인한다. 우리는 잠재적으로 교정을 수행 (20)의 품질을 개선 할 수있는 각도의 넓은 범위에서 뷰의 획득이 가능하도록 상기 대상을 개선하기 위해 노력하고있다. 실시간 태반 이전 11 제안한 파이프 라인 트랜스의 계산 mosaicing이미지 쌍을 매핑 형성은 성공적으로 탐지 및 기능의 그룹에 의존합니다. 광학 왜곡, 다른 한편으로는, 강성 구조와 기능의 그룹은 이미지에 걸쳐 상이한 나타나게. 결과적으로, 이러한 차이는 생성 된 화상의 모자이크 드리프트 원인 계산 된 변형에 부정확성을 이끈다. 가장 눈에 띄는 광학 왜곡 가장자리쪽으로 존재하기 때문에, 내시경 이미지는 현재 자신의 가장 깊은 지역에 잘립니다. 광학 왜곡에 대한 좋은 보정은 잠재적으로 mosaicing 프로세스에 각 이미지의 더 큰 부분의 결합을 허용합니다. 이 방법의 장점은 두 가지이다. 첫째, 잠재적으로 화상 변환의 계산을 개선 각 이미지에서 검출 기능의 수를 증가시킬 것이다. 둘째, 짧은 시간에 재구성 될 전체 목표 해부학 표면을 허용한다.

<html> 카메라 보정 집중적 년 1, 2, 3을 통해 연구되어왔다 컴퓨터 비전 분야에서 잘 알려진 문제이다. 카메라 교정 방법의 주요 단계는 서브 픽셀 정밀도로 카메라 영상에서 알려진 형상과 점의 격자를 추출하여, 왜곡 모델의 파라미터뿐만 아니라 고유 카메라 파라미터를 추정하는 것이다. 검은 색과 흰색 사각형을 특징으로 바둑판 패턴으로 교정 대상은 일반적으로이 목적을 위해 사용됩니다. 원형 모양은 다른 패턴 4, 5, 6 제안한다. 최근 태아 그러한 쌍태아 간 수혈 증후군 (TTTS)의 치료와 같은 태아 수술 절차, 수술 용 항법 기술의 개발에 대한 관심이 증가되고있다&gt; 7, 8, 9, 10. fetoscope의 시야로서 (즉, 태아의 수술에 사용되는 내시경은) 매우 외부 추적기를 사용하지 않고 태반 혈관계를 매핑하는 방법이 TTTS 수술 11, 12, 13를 돕기 위해 제시되었다 한정된다. fetoscopic 이미지 내의 광학 왜곡 시각 정보 추출 (11)에 의존하는 이러한 계산 mosaicing 방법에 부정적 영향을 미칠. 따라서, 광학 왜곡 보상 개입 동안에 실시간으로 수행 할 수 있도록 동작 가능 주위염이-fetoscopes 교정을위한 비용 효율적이고 빠른 도구에 대한 충족되지 않은 필요성이 존재한다. 인해 fetoscope가 개입 동안에 양수에서의 굴절률 차이를 침지된다는 사실IR 및 양수는 태아 수술 절차에 적합 고전에서 공기 카메라 교정 방법을 렌더링합니다. 공기 중 카메라 파라미터로부터 유체 침지 카메라 파라미터를 추정하는 것은 매우 어려운 일이며, 유체 침지 보정 대상 (14)의 적어도 하나의 이미지를 필요로한다. 또한, 요정 수술은, 유체 침지 fetoscopic 카메라 보정은 운영 극장에서 허용되는 물질에 살균 요구 사항 및 제한 사항으로 인해 현재 불가능하다. 때문에 이러한 이유로, 광학 왜곡 내시경을 교정하는 것은 일반적으로 현재 임상 워크 플로우의 일부가 아닙니다. 이 원고의 작업은 설계 및 비대칭 원의 패턴을 특징으로 멸균하고 실용적인 광학 왜곡 보정 대상을 생산하여 카메라 교정 격차를하기위한 시도이다. 이전 벵거 르트 등. 캘리브레이션 타겟으로서 산화 알루미늄 판을 갖춘 맞춤 교정 장치를 제작. 그들의 메트OD, 단, 그들은 15 개발 된 맞춤형 교정 알고리즘과 연계하여 작동한다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.2mm Metal sheet 316 Grade, 40 mm by 40 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water container at least 50mm by 50mm by 30mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A sterilisation package</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Seline water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual metal cutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A file to round up the corners</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A wooden or metal block 50 mm by 50 mm at least 10 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A vise (desirable but not required)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sand Blasting machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GUI application to create .dxf file with the pattern (https://github.com/gift-surg/endocal)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Cutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autoclave</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>An endoscope calibration software from GitHub (http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/calib3d/camera_calibration/camera_calibration.html)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Endoscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OpenCV camera calibration module (https://github.com/opencv/opencv)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

medical-grade sterilizable target for fluid-immersed 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 Therapy and Surgery) project. One of the aims of this project is to engineer novel, real-time image processing methods for intra-operative use in the treatment of congenital birth defects, such as spina bifida and the twin-to-twin transfusion syndrome. The developed target allows for the sterility-preserving optical distortion calibration of endoscopes within a few minutes. Good optical distortion calibration and compensation are important for mitigating undesirable effects like radial distortions, which not only hamper accurate imaging using existing endoscopic technology during fetal surgery, but also make acquired images less suitable for potentially very useful image computing applications, like real-time mosaicing. In this paper proposes a novel fabrication method to create an affordable, sterilizable calibration target suitable for use in a clinical setup. This method involves etching a calibration pattern by laser cutting a sandblasted stainless steel sheet. This target was validated using the camera calibration module provided by OpenCV, a state-of-the-art software library popular in the computer vision community.

우리는 그 디자인을도 1에 도시 된 샌드 블라스트 스테인리스 금속판에 비대칭 원형의 패턴을 에칭에 의해 멸균 보정 대상을 만들었다. fetoscope와 함께 행동이 교정 대상을 보여주는 모범 설정은 그림 2에 표시됩니다. 레이저 에칭 소프트웨어에이 디자인을 공급하기 위해, 사용자 지정 응용 프로그램은 파이썬 프로그래밍 언어 (16)로 구현되었다. 디자인 패턴을 만들기 반복적으로 금속 시트에 평행선을 에칭 포함한다. 패턴은 결국 일정한 색을 갖고, 이들 라인들 사이의 거리가 상기 레이저 빔의 폭보다 작아야한다 (도 1의 인셋 참조) 값 Violino (Laservall) 레이저 커터 45 μm의 인격적. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig1.jpg" /> <st<html> 룽&gt; 그림 1 : 비대칭 원의 3 별 11 그리드를 특징으로 새겨진 패턴의 디자인. 삽입은 : 확대 된 비대칭 원의 격자보기. 라인 사이의 거리 (레이저 빔의 폭과 동일) 45 ㎛의이며, 각각의 원이 1mm의 직경을 갖는다. 다른 크기도 격자에 사용될 수 있지만, 이는 도면의 fetoscope 필드에 대해 최적 인 것으로 밝혀졌다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig2.jpg" /> 그림 2 : 사용중인 보정 대상으로 모범 설정. 물 침지 fetoscope의 선단 오른쪽 보정 대상에 관한 것이다. 왼쪽의 스케일 정보를 제공하는 영국 페니이다.&quot;대상 =&quot;_ 빈은 &quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 제작 된 보정 대상이 위치 다음 미리 정의 된 비대칭 원형 격자로 정렬 OpenCV의 (17)와 내시경 비디오 스트림에 원형 패턴의 검출을 가능하게 (도 3 참조). 이미 공지 된 격자 형상과 함께이 정보를 이용하여 카메라의 내부 파라미터를 추정 할 수있다. 이러한 카메라 행렬 왜곡 계수들을 포함한다. 카메라 행렬은 초점 거리와 2 차원 화상면의 X 및 Y 축 방향의 광학 중심 구성된다. 왜곡 계수는 브라운 - Conrady 모델 3을 기반으로합니다. 이 일을 위해, 단지 반경 왜곡 매개 변수를 추정되었다합니다. 실제 사례와 이론에 대한 간단한 설명을 보려면, &lt;OpenCV의 카메라 보정 모듈의 웹 페이지를 참조하십시오SUP 클래스 = &quot;외부 참조&quot;&gt; (17)과 MATLAB 카메라 보정 도구 상자 22. 카메라 보정 절차에 대한 자세한 내용은 장의 작품 20에서 사용할 수 있습니다. endocal 소프트웨어 저장소는 제작 된 보정 대상 16 10 내시경 전망의 샘플 데이터 세트를 제공합니다. (0.16, 최대 : 0.45 분)이 데이터 집합, 0.28 화소의 평균 재 투영 오차 보정을 사용하여 얻었다. 이것은 벵거 르트 등에 의해보고 0.25 픽셀과 비교된다. 자신의 사용자 정의 교정 알고리즘 (15)를 사용. 태반 18 mosaicing에 이용하는 내시경 카메라 교정 15의 방법을 이용하면 동일한 연구 그룹은, 그러나, 최근의 논문에서 0.6 화소 재 투영 오차를보고했다. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig3.jpg" /> <st룽&gt;도 3 : 계측 패턴의 실시간 검출. 검출 된 교정 패턴을 특징으로 보정 응용 프로그램 (16)에서 스크린 샷은 OpenCV의 17에서 가상 현실 시각화를 사용하여 라이브 비디오 스트림을 입혔다. 교정 패턴의 각각의 검출 된 열이 다른 색으로 강조합니다. 검출 원은, 공지 된 구조와 함께, 카메라 파라미터를 계산하기 위해 사용된다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 추정 된 카메라 파라미터 광학 왜곡 보정을 위해 사용된다. 광학 왜곡 선이 곡선으로 표시 할 fetoscope를 사용하여 볼 때 그림 4는 직사각형 체스 판 패턴을 보여줍니다. 라인이 distorti 정상 표시합니다이미지에 보정. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig4.jpg" /> 그림 4 : 광학 왜곡 보정. 왜곡 보정 이미지 (오른쪽)와 체크 무늬 패턴 (왼쪽)에서 fetoscope 녹화에서 라이브 영상을 특징으로 보정 응용 프로그램 (16)에서 스크린 샷. 세 가지 예시적인 선은 궤도 선형 또 다른 한 구석에서 각각 두 이미지에 그려집니다. 때문에 광학 왜곡에,이 라인은 원래 fetoscope 이미지에 곡선으로 나타납니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55298/55298fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

유체 - 침지 Fetoscope 광학 왜곡 보정 의료 수준의 소독 가능 대상

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

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.6K 조회수.  University College London. This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

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

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

입체 광학 해상도 Photoacoustic 현미경

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

연구

생체공학

A Cre-Lox P Recombination Approach for the Detection of Cell Fusion In Vivo

The ability of two or more cells of the same type to fuse has been utilized in metazoans throughout evolution to form many complex organs, including skeletal muscle, bone and placenta. Contemporary studies demonstrate fusion of cells of the same type confers enhanced function. For example, when the trophoblast cells of the placenta fuse to form the syncytiotrophoblast, the syncytiotrophoblast is better able to transport nutrients and hormones across the maternal-fetal barrier than unfused trophoblasts1-4. More recent studies demonstrate fusion of cells of different types can direct cell fate. The "reversion" or modification of cell fate by fusion was once thought to be limited to cell culture systems. But the advent of stem cell transplantation led to the discovery by us and others that stem cells can fuse with somatic cells in vivo and that fusion facilitates stem cell differentiation5-7. Thus, cell fusion is a regulated process capable of promoting cell survival and differentiation and thus could be of central importance for development, repair of tissues and even the pathogenesis of disease.
Limiting the study of cell fusion, is lack of appropriate technology to 1) accurately identify fusion products and to 2) track fusion products over time. Here we present a novel approach to address both limitations via induction of bioluminescence upon fusion (Figure 1); bioluminescence can be detected with high sensitivity in vivo8-15. We utilize a construct encoding the firefly luciferase (Photinus pyralis) gene placed adjacent to a stop codon flanked by LoxP sequences. When cells expressing this gene fuse with cells expressing the Cre recombinase protein, the LoxP sites are cleaved and the stop signal is excised allowing transcription of luciferase. Because the signal is inducible, the incidence of false-positive signals is very low. Unlike existing methods which utilize the Cre/LoxP system16, 17, we have incorporated a "living" detection signal and thereby afford for the first time the opportunity to track the kinetics of cell fusion in vivo.
To demonstrate the approach, mice ubiquitously expressing Cre recombinase served as recipients of stem cells transfected with a construct to express luciferase downstream of a floxed stop codon. Stem cells were transplanted via intramyocardial injection and after transplantation intravital image analysis was conducted to track the presence of fusion products in the heart and surrounding tissues over time. This approach could be adapted to analyze cell fusion in any tissue type at any stage of development, disease or adult tissue repair.

A Cre-Lox P Recombination Approach for the Detection of Cell Fusion In Vivo

A method to track cell fusion in living organisms over time is described. The approach utilizes Cre-LoxP recombination to induce luciferase expression upon cell fusion. The luminescent signal generated can be detected in living organisms using biophotonic imaging systems with a sensitivity of detection of &tilde;1,000 cells in peripheral tissues.

세포 융합의 탐지를위한 Cre - 훈제 연어 P 재조합 접근법 VIVO에서</em

The ability of two or more cells of the same type to fuse has been utilized in metazoans throughout evolution to form many complex organs, including ...

In vitro Synthesis of Native, Fibrous Long Spacing and Segmental Long Spacing Collagen

Collagen fibrils are present in the extracellular matrix of animal tissue to provide structural scaffolding and mechanical strength. These native collagen fibrils have a characteristic banding periodicity of ~67 nm and are formed in vivo through the hierarchical assembly of Type I collagen monomers, which are 300 nm in length and 1.4 nm in diameter. In vitro, by varying the conditions to which the monomer building blocks are exposed, unique structures ranging in length scales up to 50 microns can be constructed, including not only native type fibrils, but also fibrous long spacing and segmental long spacing collagen. Herein, we present procedures for forming the three different collagen structures from a common commercially available collagen monomer. Using the protocols that we and others have published in the past to make these three types typically lead to mixtures of structures. In particular, unbanded fibrils were commonly found when making native collagen, and native fibrils were often present when making fibrous long spacing collagen. These new procedures have the advantage of producing the desired collagen fibril type almost exclusively. The formation of the desired structures is verified by imaging using an atomic force microscope.

In vitro Synthesis of Native, Fibrous Long Spacing and Segmental Long Spacing Collagen

Simple and reproducible procedures are described for making three structurally distinct collagen assemblies from a common commercially available Type I collagen monomer. Native type, fibrous long spacing or segmental long spacing collagen can be constructed by varying the conditions to which the 300 nm long and 1.4 nm diameter monomer building block is exposed.

기본, 섬유 긴 간격 및 Segmental 긴 간격 콜라겐의 체외 합성에

Collagen fibrils are present in the  extracellular matrix of animal tissue to provide structural scaffolding and  mechanical strength. These native ...

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene for applications as a stent material. Graphene was grown on copper substrates via chemical vapor deposition and then transferred onto nitinol substrates. In order to understand how the graphene coating could change biological response, cell viability of rat aortic endothelial cells and rat aortic smooth muscle cells was investigated. Moreover, the effect of graphene-coatings on cell adhesion and morphology was examined with fluorescent confocal microscopy. Cells were stained for actin and nuclei, and there were noticeable differences between pristine nitinol samples compared to graphene-coated samples. Total actin expression from rat aortic smooth muscle cells was found using western blot. Protein adsorption characteristics, an indicator for potential thrombogenicity, were determined for serum albumin and fibrinogen with gel electrophoresis. Moreover, the transfer of charge from fibrinogen to substrate was deduced using Raman spectroscopy. It was found that graphene coating on nitinol substrates met the functional requirements for a stent material and improved the biological response compared to uncoated nitinol. Thus, graphene-coated nitinol is a viable candidate for a stent material.

Graphene offers potential as a coating material for biomedical implants. In this study we demonstrate a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene and determine how graphene may influence implant response.

생명을 주입 Graphene 코팅

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Wideband Optical Detector of Ultrasound for Medical Imaging Applications

Optical sensors of ultrasound are a promising alternative to piezoelectric techniques, as has been recently demonstrated in the field of optoacoustic imaging. In medical applications, one of the major limitations of optical sensing technology is its susceptibility to environmental conditions, e.g. changes in pressure and temperature, which may saturate the detection. Additionally, the clinical environment often imposes stringent limits on the size and robustness of the sensor. In this work, the combination of pulse interferometry and fiber-based optical sensing is demonstrated for ultrasound detection. Pulse interferometry enables robust performance of the readout system in the presence of rapid variations in the environmental conditions, whereas the use of all-fiber technology leads to a mechanically flexible sensing element compatible with highly demanding medical applications such as intravascular imaging. In order to achieve a short sensor length, a pi-phase-shifted fiber Bragg grating is used, which acts as a resonator trapping light over an effective length of 350 &#181;m. To enable high bandwidth, the sensor is used for sideway detection of ultrasound, which is highly beneficial in circumferential imaging geometries such as intravascular imaging. An optoacoustic imaging setup is used to determine the response of the sensor for acoustic point sources at different positions.

Optical detection of ultrasound is impractical in many imaging scenarios because it often requires stable environmental conditions. We demonstrate an optical technique for ultrasound sensing in volatile environments with miniaturization and sensitivity levels appropriate for optoacoustic imaging in restrictive scenarios, e.g. intravascular applications.

광대역 의료 이미징 애플리케이션을위한 초음파의 광 검출기

Optical sensors of ultrasound are a promising alternative to piezoelectric techniques, as has been recently demonstrated in the field of optoacoustic ...

Quantitative Optical Microscopy: Measurement of Cellular Biophysical Features with a Standard Optical Microscope

We describe the use of a standard optical microscope to perform quantitative measurements of mass, volume, and density on cellular specimens through a combination of bright field and differential interference contrast imagery. Two primary approaches are presented: noninterferometric quantitative phase microscopy (NIQPM), to perform measurements of total cell mass and subcellular density distribution, and Hilbert transform differential interference contrast microscopy (HTDIC)&#160;to determine volume. NIQPM is based on a simplified model of wave propagation, termed the paraxial approximation, with three underlying assumptions: low numerical aperture (NA) illumination, weak scattering, and weak absorption of light by the specimen. Fortunately, unstained cellular specimens satisfy these assumptions and low NA illumination is easily achieved on commercial microscopes. HTDIC is used to obtain volumetric information from through-focus DIC imagery under high NA illumination conditions. High NA illumination enables enhanced sectioning of the specimen along the optical axis. Hilbert transform processing on the DIC image stacks greatly enhances edge detection algorithms for localization of the specimen borders in three dimensions by separating the gray values of the specimen intensity from those of the background. The primary advantages of NIQPM and HTDIC lay in their technological accessibility using &#8220;off-the-shelf&#8221; microscopes. There are two basic limitations of these methods: slow z-stack acquisition time on commercial scopes currently abrogates the investigation of phenomena faster than 1 frame/minute, and secondly, diffraction effects restrict the utility of NIQPM and HTDIC to objects from 0.2 up to 10 (NIQPM) and 20 (HTDIC) &#956;m in diameter, respectively. Hence, the specimen and its associated time dynamics of interest must meet certain size and temporal constraints to enable the use of these methods. Excitingly, most fixed cellular specimens are readily investigated with these methods.

We describe the use of a standard optical microscope to perform quantitative measurements of cellular mass, volume, and density through a combination of bright field and differential interference contrast imagery.

양이 광학 현미경 : 세포 생물 물리학의 측정​​ 표준 광학 현미경과 특징

We describe the use of a standard optical microscope to perform quantitative measurements of mass, volume, and density on cellular specimens through a ...

Optical Control of Living Cells Electrical Activity by Conjugated Polymers

Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in-vitro and in-vivo applications. In particular, conjugated polymers display several optimal properties as substrates for biological systems, such as good biocompatibility, excellent mechanical properties, cheap and easy processing technology, and possibility of deposition on light, thin and flexible substrates. These materials have been employed for cellular interfaces like neural probes, transistors for excitation and recording of neural activity, biosensors and actuators for drug release. Recent experiments have also demonstrated the possibility to use conjugated polymers for all-optical modulation of the electrical activity of cells. Several in-vitro study cases have been reported, including primary neuronal networks, astrocytes and secondary line cells. Moreover, signal photo-transduction mediated by organic polymers has been shown to restore light sensitivity in degenerated retinas, suggesting that these devices may be used for artificial retinal prosthesis in the future. All in all, light sensitive conjugated polymers represent a new approach for optical modulation of cellular activity.
In this work, all the steps required to fabricate a bio-polymer interface for optical excitation of living cells are described. The function of the active interface is to transduce the light stimulus into a modulation of the cell membrane potential. As a study case, useful for in-vitro studies, a polythiophene thin film is used as the functional, light absorbing layer, and Human Embryonic Kidney (HEK-293) cells are employed as the biological component of the interface. Practical examples of successful control of the cell membrane potential upon stimulation with light pulses of different duration are provided. In particular, it is shown that both depolarizing and hyperpolarizing effects on the cell membrane can be achieved depending on the duration of the light stimulus. The reported protocol is of general validity and can be straightforwardly extended to other biological preparations.

A method for stimulation of in-vitro cell cultures electrical activity with visible light, based on the use of organic semiconducting polymers is described.

공액 고분자에 의해 세포를 전기적 활동을 생활의 광 제어

Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in-vitro and in-vivo applications. In particular, conjugated ...

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Historically, most cellular processes have been studied in only 2 dimensions. While these studies have been informative about general cell signaling mechanisms, they neglect important cellular cues received from the structural and mechanical properties of the local microenvironment and extracellular matrix (ECM). To understand how cells interact within a physiological ECM, it is important to study them in the context of 3 dimensional assays. Cell migration, cell differentiation, and cell proliferation are only a few processes that have been shown to be impacted by local changes in the mechanical properties of a 3-dimensional ECM. Collagen I, a core fibrillar component of the ECM, is more than a simple structural element of a tissue. Under normal conditions, mechanical cues from the collagen network direct morphogenesis and maintain cellular structures. In diseased microenvironments, such as the tumor microenvironment, the collagen network is often dramatically remodeled, demonstrating altered composition, enhanced deposition and altered fiber organization. In breast cancer, the degree of fiber alignment is important, as an increase in aligned fibers perpendicular to the tumor boundary has been correlated to poorer patient prognosis1. Aligned collagen matrices result in increased dissemination of tumor cells via persistent migration2,3. The following is a simple protocol for embedding cells within a 3-dimensional, fibrillar collagen hydrogel. This protocol is readily adaptable to many platforms, and can reproducibly generate both aligned and random collagen matrices for investigation of cell migration, cell division, and other cellular processes in a tunable, 3-dimensional, physiological microenvironment.

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Collagen is a core component of the ECM, and provides essential cues for several cellular processes ranging from migration to differentiation and proliferation. Provided here is a protocol for embedding cells within 3D collagen hydrogels, and a more advanced technique for generating randomized or aligned collagen matrices using PDMS microchannels.

3D 상호 작용의 연구에 대한 3D 콜라겐 젤과 마이크로 채널 준비<em&gt; 생체</em

Historically, most cellular processes have been studied in only 2 dimensions.  While these studies have been informative about general cell signaling ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as multiplex assays, enzyme evolution, and molecular biology enhanced cell sorting require the detection of two or more colors of fluorescence. Standard multicolor detection systems that couple free space lasers to epifluorescence microscopes are bulky, expensive, and difficult to maintain. In this paper, we describe a scheme to perform multicolor detection by exciting discrete regions of a microfluidic channel with lasers coupled to optical fibers. Emitted light is collected by an optical fiber coupled to a single photodetector. Because the excitation occurs at different spatial locations, the identity of emitted light can be encoded as a temporal shift, eliminating the need for more complicated light filtering schemes. The system has been used to detect droplet populations containing four unique combinations of dyes and to detect sub-nanomolar concentrations of fluorescein.

Multicolor fluorescence detection in droplet microfluidics typically involves bulky and complex epifluorescence microscope-based detection systems. Here we describe a compact and modular multicolor detection scheme that utilizes an array of optical fibers to temporally encode multicolor data collected by a single photodetector.

물방울 미세 유체에 대한 여러 가지 빛깔의 형광 검출 광학 섬유를 사용하여

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as ...

Targeted Plasma Membrane Delivery of a Hydrophobic Cargo Encapsulated in a Liquid Crystal Nanoparticle Carrier

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. Recently, nanoparticles (NPs) have shown significant promise in the development of such delivery systems. Here, a liquid crystal NP (LCNP)-based delivery system has been employed for the controlled delivery of a water-insoluble dye, 3,3&#8242;-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DiO), from within the NP core to the hydrophobic region of a plasma membrane bilayer. During the synthesis of the NPs, the dye was efficiently incorporated into the hydrophobic LCNP core, as confirmed by multiple spectroscopic analyses. Conjugation of a PEGylated cholesterol derivative to the NP surface (DiO-LCNP-PEG-Chol) enabled the binding of the dye-loaded NPs to the plasma membrane in HEK 293T/17 cells. Time-resolved laser scanning confocal microscopy and F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) imaging confirmed the passive efflux of DiO from the LCNP core and its insertion into the plasma membrane bilayer. Finally, the delivery of DiO as a LCNP-PEG-Chol attenuated the cytotoxicity of DiO; the NP form of DiO exhibited ~30-40% less toxicity compared to DiOfree delivered from bulk solution. This approach demonstrates the utility of the LCNP platform as an efficient modality for the membrane-specific delivery and modulation of hydrophobic molecular cargos.

A liquid crystal nanoparticle (LCNP) nanocarrier is exploited as a vehicle for the controlled delivery of a hydrophobic cargo to the plasma membrane of living cells.

액정 나노 입자 캐리어의 소수성화물 캡슐화의 대상 플라즈마 멤브레인 배달

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. ...