JP4693246B2 - 重力ベクトル方向算定補助手段を有する位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、請求項１の前提部に係る、少なくとも一つの三次元座標系内での、それぞれが少なくとも三つの非同一線上マーカーを備えた本体の位置と方向を検出する装置、および請求項２４の前提部に係るＸ線写真の修正方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
空間で可動な測定器械および画像器械の使用は、行われる測定の種類によって、測定器械の位置または方向の変化をたびたび必要とする。これはまたＸ線器械、特に外科手術室で一般的に用いられる可動および／または旋回可能なＸ線装置（画像増幅器、Ｃ−アーム器械）について特に当てはまる。
【０００３】
対象物内の外科器械または外科器具の位置と方向を検出し、検出した位置に相当する前記対象物の前もって発生させた画像を同時に表示するためのシステムは、ブーフホルツ（ＢＵＣＨＨＯＬＺ）の米国特許第５，３８３，４５４号明細書から公知である。このシステムはまた、対象物内の定められた位置へ探針の先端を動かすことも可能にし、探針の位置はまた、対象物のこの部分の前もって発生した画像も同時に表示する一つの表示スクリーン上で観察することができる。この公知の発明において、探針の位置は、商慣習上の三次元音響デジタイザーにより算定される。
【０００４】
外科手術室で用いられるＸ線器械のような重器械では、地球の重力場に関連した器械の方向付けは、材料変形により、測定に影響を及ぼし、または画像検出に影響を及ぼすことがある。磁気光学画像検出を備えたＸ線器械では、地球の磁場に関する器械の方向づけはまた、Ｘ線写真を損なうこともある。更なるこれらのＸ線写真の起こり得る変形は、受像機で発生する光学的変形の影響によるものであり得るし、これは主として放射源と受像機の特質に依存し、これは、例えば、電子から光子への変換の間およびその後の光子から電気信号への変換の間に生じ得る。
【０００５】
（発明の開示）
本発明はこれらの改善法を提供することを意図する。従って本発明の目的は、更に、局所的重力ベクトルのその場での測定と、後に続く重力が引き起こしたＸ線器械の変形の影響に関してなされる修正にあり、これらはＸ線器械が水平にまたは垂直に方向付けられているかどうか、並びに算定しかつ相応して修正すべき測定値またはＸ線写真への重力と地球の磁場の影響によって異なる。
【０００６】
本発明に係れば、この目的は、請求項１の特徴を示す、少なくとも一つの三次元座標システム内のそれぞれ少なくとも三つの非同一線上マーカーを備えた本体の位置と方向を検出する装置並びに請求項２４の特徴を示すＸ線写真修正の方法により達成される。
本発明の更なる有利な実施態様は従属請求項において特徴付けられる。
【０００７】
本発明に係る、重力ベクトルを検出しそして参照する補助手段を有する位置検出装置は、本質的に座標系内に、マーカー好ましくは赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）の位置を検出する光電子工学センサーを含み、これは、センサーが受け取った信号を分析するコンピュータと、三次元座標系に関する重力ベクトルの方向を検出する補助手段へ接続され、センサーに基づく座標系と空間に基づく座標系または重力に基づく座標系との間の、コンピュータで処理した座標変換を可能にする。
光電子工学位置検出装置の代わりに、本発明に係る装置はまた、音響学位置検出ユニットまたは磁気位置検出ユニットを含むことができる。
【０００８】
選択された位置検出ユニットに依存して、マーカーは発信器、受像機または反射器であってもよい。例えば、発信器としては：
‐光源；
‐発光ダイオード（ＬＥＤ’ｓ）；
‐赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ’ｓ）；
‐音響発信器；
‐磁場を発生するコイル；または
‐対応した発信器と結合した反射器であり、この発信器は前記反射器から離れて位置した別のユニットに配置されている；
または受像機としては：
‐ＣＣＤカメラ；
‐光ダイオード；
‐マイクロホン；または
‐ホール効果部品；
が考えられる。
【０００９】
本発明に係る装置の好ましい実施態様において、前記装置は、少なくとも二つの光電子工学カメラ好ましくはＣＣＤチップ（電荷結合素子チップ）を備えた光電子工学カメラを有する位置検出センサー、水平軸が重力に基づく三次元座標系のｘ‐軸を定める第一の傾斜計、水平軸が重力に基づく三次元座標系のｙ‐軸を定める第二の傾斜計、および表示画面上にデータの数字または図式形態での三次元リアルタイム観察を可能にするソフトウェアを備えたコンピュータを含む。
【００１０】
傾斜計の水平軸が重力ベクトルに対し垂直に延びる面を形成し、これが重力ベクトルと共に、重力に基づく三次元座標系を形成する。傾斜計からコンピュータへ発する信号の電子的伝送により、センサーに基づく座標系の一つの軸と重力に基づく座標系の相当する軸との間の並行性の偏差を決定し、従って、重力に基づく座標系に対するセンサーに基づく座標系の回転を算定できる。
好ましい条件下において、重力ベクトルに対し垂直に延びる平面はまた、一つの傾斜計のみの助けによっても算定できる。
【００１１】
傾斜計は、重力ベクトルからの偏差を電子的に決定できる、気泡／液体原理（アルコール水準器）、ジャイロスコープ原理（ジャイロスコープコンパスに類似）、または慣性の原理（慣性位置検出に類似）のいずれか一つの原理に基づく器械であってもよい。ジャイロスコープ原理または慣性の原理に基づく器械は、重力ベクトルに対するこれらの方向に関して前以て較正する必要がある。磁気器械（電子コンパスに類似）の使用は同様に可能である。
【００１２】
位置検出装置として、あらゆる市場で入手可能なシステム、例えばワーテルロー、オンタリオのノーザンデジタル(Northen Digital, Waterloo, Ont.)により市販されているオプトトラク（ＯＰＴＯＴＲＡＫ）３０２０、を用いることができる。
【００１３】
本発明に係る装置の更なる実施態様は、重力ベクトルの算定を、重力場と本体自身とを整列した本体によって実現することに関してのみ上述の実施態様と異なる。前記本体は細い糸またはワイヤロープに吊り下げられ、お互いに距離Ａで配置された少なくとも二つのマーカーを備えている。
【００１４】
マーカーの位置は、位置検出装置により検出され、従ってコンピュータを用いた空間でのマーカー位置が算定され、その結果、重力ベクトル方向の算定を可能にする。センサーに基づく座標系内での重力ベクトルの方向は、位置検出装置により検出され、そして重力に基づく座標系に対するセンサーに基づく座標系の回転は、コンピュータによるデジタルデータ処理によって算定される。
【００１５】
重力場に整列した本体の糸またはワイヤロープでの吊り下げの代わりに、鎖での吊り下げ、カルダン式吊り下げ装置での吊り下げ、ボールジョイントでの吊り下げ、またはシリコーンゴム若しくは発泡シリコーンゴムのようなエラストマーへの本体の埋め込みを考えることも可能である。
【００１６】
好ましくは、重力場との本体の整列は衝撃吸収され、前記吸収は、本体の液体中への浸漬によって、スプリングによって、または空気圧若しくはガス圧に基づく緩衝器によって、機械的または電磁的に実現可能である。
【００１７】
マーカーを備えた、Ｘ線源と、Ｘ線写真好ましくは磁気光学的Ｘ線写真を発生する受像機とを有するＸ線器械の、磁場中の精確な方向付けを検出するための本発明の方法は、以下の段階：
ａ）本発明に係る装置の実施態様による、三次元座標系内での、重力ベクトルの方向の検出と保存をする段階であって、ここで前記座標系は、センサーに基づくもの、空間に基づくもの、または重力に基づくものであってもよい段階；
ｂ）本発明に係る装置の実施態様による、前記座標系内でのＸ線源と受像機の位置を算定する段階；
ｃ）コンピュータを用いて、重力で引き起こされたＸ線器械の機械的変形によるＸ線写真のゆがみを算定する段階；および
ｄ）コンピュータを用いて、段階ｃ）で算定したゆがみに関してＸ線写真を修正する段階を含む。
【００１８】
本発明に係る方法の好ましい実施態様において、前記方法は更に以下の段階：
ｅ）コンピュータを用いて、段階ｂ）で算定された受像機またはＸ線源の位置と方向から、前記座標系内のＸ線写真に対し垂直に延びる垂線の方向を算定する段階；
ｆ）コンピュータを用いて、地球の局所的磁場の方向からの前記写真の垂線の偏差により引き起こされた、磁気光学に基づいて受像機により生じたＸ線写真の欠陥を算定する段階；および
ｇ）コンピュータを用いて、段階ｆ）で算定した欠陥に関してＸ線写真を修正する段階を含む。
【００１９】
本発明に係る方法の他の実施態様において、前記方法は更に以下の段階：
ｈ）受像機で発生した光学的変形により引き起こされた磁気光学Ｘ線写真の欠陥を算定する段階；
ｉ）コンピュータを用いて、段階ｈ）で算定した欠陥に関してＸ線写真を修正する段階を含む。
【００２０】
本発明により達成された有利さは、本質的に、本発明に係る装置がその場での局所的重力ベクトルの検出を可能にし、しかも本発明に係る方法は、重力により誘発されたＸ線器械の機械的変形によるＸ線写真のゆがみを考慮に入れた修正を可能にするという事実にある。これは旋回式Ｘ線器械に関し特に当てはまり、この器械では機械的変形は、Ｘ線器械が水平に方向付けられているかまたは垂直に方向付けられているかによって異なる。
【００２１】
更に、Ｘ線写真への重力と地球の磁場の影響もまた算定することができ、映像も相応して修正できる。本発明の更なる有利さは、校正本体を光線の通り道へ配置する必要がなく、その結果操作はこのような本体の影響を受けないことである。
【００２２】
以下に、本発明と本発明の更なる発展を、いくつかの実施態様の部分概略図に関してより詳細に説明する。
図１は本発明に係る装置の好ましい実施態様を示す。この装置は、三つの光電子工学カメラ２好ましくは線状ＣＣＤチップを装備した光電子工学カメラを有する位置検出センサー１；水平軸４が重力に基づく三次元座標系５のｘ‐軸を定める、位置検出センサーに固定した第一の傾斜計３；水平軸７が前記水平軸４に対し垂直に延びて、重力に基づく三次元座標系５のｙ‐軸を定める、位置検出センサー１に固定した第二の傾斜計６；およびコンピュータ８を含む。
【００２３】
前記カメラ２により検出された信号を処理するために、位置検出装置１２（例えばワーテルロー、オンタリオのノーザンデジタルのオプトトラク３０２０）は、コンピュータ８に接続した、システム制御ユニット９、ケーブル１３およびインターフェイスカード１１、並びに表示画面１０上において数字または図式形態でデータをリアルタイム三次元的観察するためのソフトウェアを装備している。
【００２４】
前記カメラ２の光軸１４；１５；１６は地点１７でお互いに交差し、平面１８を形成し、この平面は、センサーに基づく三次元座標系２６の座標軸Ｘ_Kが第一の傾斜計３の水平軸４に対し平行に整列しており、センサーに基づく三次元座標系２６の座標軸Ｙ_Kが第二の傾斜計６の水平軸７に対し平行に整列しているので、重力ベクトル１９に対して垂直に延びる。センサーに基づく座標軸Ｘ_K；Ｙ_Kの一つと傾斜計３；６の対応する水平軸４；７との間の並行性における偏差の場合、前記偏差は傾斜計３；６により検出され、重力に基づく座標系５に対するセンサーに基づく座標系２６の回転は、傾斜計３；６により検出された偏差に相当する信号のデジタル処理によって、コンピュータ８で算定される。
【００２５】
図２は本発明に係る装置の他の好ましい実施態様を示し、これは図１に示した実施態様と、重力ベクトル１９の算定が重力場と整列した本体２０により実現されることに関してのみ異なる。前記本体２０は、細い糸またはワイヤロープ２２に吊り下げられ、お互いに距離Ａで配列した少なくとも二つのマーカー２１好ましくは赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）を備えている。マーカー２１により発せられた赤外線は位置検出装置１２の前記カメラ２により検出され、従って、コンピュータ８を用いて空間でのマーカー２１の位置が算定され、その結果、重力ベクトル１９の方向を算定することを可能にする。
【００２６】
前記カメラ２の光軸１４；１５；１６により形成された平面１８に垂直に延びるセンサーに基づく垂線２３と、重力ベクトル１９との間の並行性の偏差の場合には、前記偏差は位置検出センサー１により検出され、重力に基づく座標系５に対するセンサーに基づく座標系２６の回転は、位置検出センサー１によって検出されたこの偏差に相当する信号のデジタル処理によってコンピュータ８を用いて算定される。
【００２７】
図３は、本発明に係る装置を用いてＸ線器械２８の精確な方向を検出する本発明の方法を説明している。Ｘ線器械は、本質的にＸ線源３０と受像機２９を含み、これらは磁気光学に基づき写真の垂線３１；３２に対し垂直に延びるＸ線写真３５を生成する。患者３３のＸ線写真３５は、本質的に腹側−背側と側面−中心面方向で、または逆に撮影され、その結果写真の垂線３１；３２は、Ｘ線器械２８の位置に応じて、おおよそ垂直または水平方向へ延びる。
【００２８】
本発明に係る方法は以下の段階：
ａ）位置検出装置１２とコンピュータ８を用いて、三次元座標系５；２４；２６内の重力ベクトル１９の方向を検出および記憶する段階であって、空間に基づく座標系２４は、位置検出装置１２を用いて、空間に固定した位置を有する少なくとも三つの非同一線上マーカー２１位置の測定により算定でき、一方、重力に基づき同様に空間にも基づく三次元座標系５を算定することは、傾斜計３；６の水平軸４；７とこれらの交点の測定により、または本体２０上に非同一線上配列で提供される少なくとも三つのマーカー２１の位置の測定により実現できる段階；
ｂ）前記座標系５；２４；２６内のＸ線源３０および／または受像機２９の位置と方向を、Ｘ線源３０および／または受像機２９上に固定したマーカー２１の位置を測定することにより、位置検出装置１２とコンピュータ８を用いて算定する段階；
ｃ）コンピュータ８を用いて、重力に引き起こされたＸ線器械２８の機械的な変形によるＸ線写真の変形を算定する段階；
ｄ）コンピュータ８を用いて、段階ｃ）で算定された変形に関してＸ線写真を修正する段階；
ｅ）前記座標系５；２４；２６内でＸ線写真へ垂直に延びる垂線３１；３２の方向を、コンピュータ８を用いて、段階ｂ）で算定された受像機２９の位置と方向から算定する段階；
ｆ）地球の局所的磁場方向からの前記写真の垂線３１；３２の偏差から生ずる、磁気光学に基づいた受像機２９によって生じたＸ線写真の欠陥を、コンピュータ８を用いて、算定する段階；
ｇ）コンピュータ８を用いて、段階ｆ）で算定された欠陥に関してＸ線写真を修正する段階；
ｈ）受像機２９で生ずる光学的変形により引き起こされ、特に、Ｘ線器械２８の垂直方向付けまたは水平方向付けにより影響される磁気光学Ｘ線写真３５の欠陥を算定する段階、；
ｉ）コンピュータ８を用いて、段階ｈ）で定められた欠陥に関してＸ線写真３５を修正する段階を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置の好ましい実施態様の概略図である。
【図２】 本発明に係る装置の他の好ましい実施態様の概略図である。
【図３】 本発明に係る方法を実施する好ましいやり方の説明図である。
【符号の説明】
１：位置検出センサー、２：光電子工学カメラ、３および６：傾斜計、５，２４および２６：三次元座標系、４および７：水平軸、８：コンピュータ、９：システム制御ユニット、１０：表示画面、１１：インターフェイスカード、１２：位置検出装置、１３：ケーブル、１４，１５および１６：光軸、１７：地点、１８：平面、１９：重力ベクトル、２０：本体、２１：マーカー、２２：細い糸またはワイヤロープ、２３：垂線、２５：補助手段、２７：吊り下げ、２８：Ｘ線器械、２９：受像機、３０：Ｘ線源、３１および３２：垂線、３３：患者、３５：磁気光学Ｘ線写真、３６：本体。

Claims (30)

1. 重力に基づく三次元座標系（５）と空間に基づく座標系（２４）とセンサーに基づく三次元座標系（２６）とから選択される少なくとも一つの三次元座標系（５；２４；２６）内の、少なくとも三つの非同一線上マーカー（２１）を備えた本体（３６）の位置と方向を検出する装置が、
   Ａ）前記座標系（５；２４；２６）内または他の三次元座標系（５；２４；２６）内のマーカー（２１）の位置を測定する位置検出センサー（１）；および
   Ｂ）前記位置検出センサー（１）により検出されるマーカー（２１）の位置から、少なくとも一つの座標系（５；２４；２６）内の少なくとも三つの非同一線上マーカー（２１）を備えた本体（３６）の位置と方向を算定するコンピュータ（８）
   を含む装置の使用方法であって、
   Ｃ）前記検出装置が、Ｘ線写真の修正のために座標系（５；２４；２６）内の重力ベクトル（１９）の方向を算定する補助手段（２５）を含むことを特徴とする前記検出装置の使用方法。
2. 前記補助手段（２５）が少なくとも一つの傾斜計（４）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置の使用方法。
3. 前記補助手段（２５）が二つの傾斜計（３；６）を含み、補助手段の水平軸（４；７）がお互いに垂直に延びるように、これら傾斜計が位置検出センサー（１）に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の装置の使用方法。
4. 前記傾斜計（３；６）が、アルコール水準器に類似の気泡／液体原理に基づき、重力ベクトル（１９）に対する水平軸（４；７）の偏差を電子的に検出することを特徴とする請求項２または３に記載の装置の使用方法。
5. 前記傾斜計（３；６）が、ジャイロスコープコンパスに類似の空間に基づいた角運動量ベクトルを有するジャイロスコープ原理に基づき、重力ベクトル（１９）に対する校正した水平軸（４；７）の偏差を電子的に検出することを特徴とする請求項２または３に記載の装置の使用方法。
6. 前記傾斜計（３；６）が、慣性位置検出に類似の慣性の原理に基づき、重力ベクトル（１９）に対する校正した水平軸（４；７）の偏差を電子的に検出することを特徴とする請求項２または３に記載の装置の使用方法。
7. 前記補助手段（２５）が空間に吊り下がり、局所的重力場と整列した本体（２０）を含み、前記本体は互いに距離Ａで配列した少なくとも二つのマーカー（２１）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置の使用方法。
8. 前記本体（２０）の吊り下げ（２７）が細い糸またはワイヤロープ（２２）によって実現されることを特徴とする請求項７に記載の装置の使用方法。
9. 前記本体（２０）の吊り下げ（２７）が鎖によって実現されることを特徴とする請求項７に記載の装置の使用方法。
10. 前記本体（２０）の吊り下げ（２７）がカルダン式吊り下げ装置であることを特徴とする請求項７に記載の装置の使用方法。
11. 前記本体（２０）の吊り下げ（２７）がボールジョイントにより実現されることを特徴とする請求項７に記載の装置の使用方法。
12. 空間での前記本体（２０）の吊り下げ（２７）が、本体（２０）をエラストマー中に埋め込むことにより実現されることを特徴とする請求項７に記載の装置の使用方法。
13. 前記エラストマーがシリコーンゴムであることを特徴とする請求項１２に記載の装置の使用方法。
14. 前記本体（２０）が発泡シリコーンゴム中に埋め込まれていることを特徴とする請求項１３に記載の装置の使用方法。
15. 前記重力場と前記本体（２０）の整列が、衝撃吸収されることを特徴とする請求項７から１４のいずれか一項に記載の装置の使用方法。
16. 前記重力場と前記本体（２０）の整列が、前記本体（２０）の液体中への浸漬により衝撃吸収されることを特徴とする請求項１５に記載の装置の使用方法。
17. 前記重力場と前記本体（２０）の整列が、スプリングにより衝撃吸収されることを特徴とする請求項１５に記載の装置の使用方法。
18. 前記重力場と前記本体（２０）の整列が、電磁気的に衝撃吸収されることを特徴とする請求項１５に記載の装置の使用方法。
19. 前記重力場と前記本体（２０）の整列が、摩擦により機械的に衝撃吸収されることを特徴とする請求項１５に記載の装置の使用方法。
20. 前記重力場と前記本体（２０）の整列が、空気圧またはガス圧に基づく緩衝器により衝撃吸収されることを特徴とする請求項１５に記載の装置の使用方法。
21. 前記マーカー（２１）が赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）であることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置の使用方法。
22. 前記位置検出センサー（１）が光電子センサーであり、少なくとも二台のカメラ（２）を含み、これらの光軸（１４；１５；１６）が地点（１７）でお互いに交わることを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置の使用方法。
23. 位置検出装置（１２）を操作するために、コンピュータ（８）がインターフェイスカード若しくはインターフェイス（１１）を備えており、前記装置がシステム制御ユニット（９）を含むことを特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載の装置の使用方法。
24. 請求項１から２３のいずれか一項に記載の装置を用いて、重力で引き起こされる、Ｘ線源（３０）と受像機（２９）を含むＸ線器械（２８）の機械的変形から生ずる欠陥に関してＸ線写真（３５）を修正する方法であって、前記方法が以下の段階：
    ａ）前記位置検出装置（１２）と前記コンピュータ（８）を用いて三次元座標系（５；２４；２６）内の重力ベクトル（１９）の方向を検出する段階；
    ｂ）非直線上配列でＸ線器械（２８）上に固定した少なくとも三つのマーカー（２１）の位置を測定することにより、位置検出装置（１２）とコンピュータ（８）を用いて前記座標系（５；２４；２６）内のＸ線器械（２８）の位置と方向を算定する段階；
    ｃ）前記コンピュータ（８）を用いて、段階ｂ）で算定したＸ線器械（２８）の位置と方向からＸ線写真の欠陥を算定する段階；および
    ｄ）コンピュータ（８）を用いて、段階ｃ）で算定した欠陥に関してデジタルＸ線写真を修正する段階を含むことを特徴とする前記方法。
25. 前記方法が更に、コンピュータ（８）中でのＸ線写真（３５）のデジタル化と、デジタル化したＸ線写真（３５）の保存を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 磁気光学Ｘ線写真（３５）が受像機（２９）から生ずることを特徴とする請求項２４または２５に記載の方法。
27. 更に以下の段階：
    ｅ）段階ｂ）で算定したＸ線器械（２８）の位置と方向から、前記座標系（５；２４；２６）内のＸ線写真（３５）に対して垂直に延びる垂線（３１；３２）の方向を算定する段階；
    ｆ）コンピュータ（８）を用いて、重力ベクトル（１９）に対するＸ線器械（２８）の位置と方向から、地球の磁場により引き起こされる磁気光学Ｘ線写真（３５）の欠陥を算定する段階；および
    ｇ）コンピュータ（８）によって、前記欠陥に関してデジタル化したＸ線写真（３５）を修正する段階
    を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記座標系（５；２４；２６）内のＸ線源（３０）の位置と方向が、位置検出装置（１２）とコンピュータ（８）を用いて、Ｘ線源（３０）に固定された少なくとも三つのマーカー（２１）の位置を測定することにより算定されることを特徴とする請求項２４から２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記座標系（５；２４；２６）内の受像機（２９）の位置と方向が、位置検出装置（１２）とコンピュータ（８）を用いて、受像機（２９）に固定した少なくとも三つのマーカー（２１）の位置を測定することにより算定されることを特徴とする請求項２４から２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 更に加えて、受像機（２９）で発生する磁気光学Ｘ線写真（３５）の光学的変形により引き起こされたＸ線写真（３５）の欠陥が、受像機（２９）の位置と方向から算定され、しかもデジタル化したＸ線写真（３５）がそれに応じて修正されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。

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