WO2010103866A1 - 位置検出システムおよび位置検出方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a position detection system and a position detection method, and more particularly to a position detection system and a position detection method for detecting the position of a capsule-type in-subject introduction apparatus introduced into a subject using a magnetic field.
- In-subject introduction apparatuses such as capsule endoscopes that have been introduced into a subject such as a human being or an animal in recent years to acquire various types of information such as images in the subject or perform some kind of treatment in the subject. It has been developed (for example, see Patent Documents 1 to 4 shown below).
- an in-subject introduction apparatus equipped with an imaging element is orally introduced into a subject to image the inside of the subject, and an obtained image (hereinafter referred to as an in-subject image) is arranged outside the subject. Transmit to an external device wirelessly. The operator can diagnose the symptom and the like of the subject by visually confirming the in-subject image received by the external device.
- the position and orientation of the intra-subject introduction apparatus are determined for the purpose of imaging or specifying the treatment location in the subject and the position guidance of the intra-subject introduction apparatus. It is desirable to know exactly. Therefore, in Patent Document 1, a resonance circuit (hereinafter referred to as an LC resonance circuit) including a coil (L) and a capacitor (C) is provided in the in-subject introduction apparatus, and this LC resonance circuit is given from the outside.
- a position detection system that detects the position and orientation of an in-subject introduction apparatus by detecting a resonance magnetic field generated by an alternating magnetic field (hereinafter referred to as a drive magnetic field) with a sense coil provided in an external device is disclosed. Yes.
- the drive magnetic field is usually formed using any pair of a plurality of pairs of drive coils arranged so as to sandwich a detection space in which the subject into which the in-subject introduction apparatus is introduced is accommodated from different directions.
- the strength of the resonance magnetic field generated by the LC resonance circuit in the in-subject introduction apparatus depends on the direction of the drive magnetic field input to the LC resonance circuit. For this reason, in order to perform stable and accurate position detection, a drive coil that generates a drive magnetic field in an appropriate direction is selected and driven according to the direction of the intra-subject introduction device (particularly the LC resonance circuit). There is a need.
- the drive coil is selected according to the position and orientation of the in-subject introduction device detected immediately before.
- the drive coil selected according to the position and orientation of the intra-subject introduction apparatus detected immediately before is until the next detection timing.
- An appropriate drive magnetic field is not always generated for the intra-subject introduction apparatus that has moved to the position.
- the conventional position detection system has a problem that accurate position detection is not always performed using an appropriate drive coil.
- the present invention has been made in view of the above problems, and provides a position detection system and a position detection method capable of accurate position detection even when the position or orientation of the in-subject introduction apparatus has changed.
- the purpose is to provide.
- a position detection system includes an in-subject introduction apparatus that generates a resonance magnetic field induced by a driving magnetic field having a specific frequency, and a subject into which the in-subject introduction apparatus is introduced.
- a drive magnetic field forming unit that forms a drive magnetic field of the specific frequency in the detection space to be accommodated, a magnetic sensor that detects the magnetic field formed in the detection space, and the object to be detected based on the magnetic field detected from the magnetic sensor.
- a position detection unit that detects at least one of the position and orientation of the intra-sample introduction device; a guide unit that guides at least one of the position and orientation of the intra-subject introduction device to at least one of the target position and orientation; and At least one of the position and orientation detected by the position detection unit, and the position and orientation at which the guide unit targets the in-subject introduction device as the target are small.
- a prediction unit that predicts at least one of the position and orientation of the in-subject introduction apparatus at a certain time using the guidance information when guiding to at least one of the information and the certain time predicted by the prediction unit; And a control unit that controls the drive magnetic field forming unit and the position detection unit based on at least one of the position and the orientation.
- the guidance information guides the in-subject introduction apparatus to at least one of the target position and orientation and at least one of the target position and orientation.
- Information on speed or angular velocity generated in the intra-subject introduction apparatus, acceleration generated in the intra-subject introduction apparatus to guide the intra-subject introduction apparatus to at least one of the target position and orientation, or It is characterized by information on angular acceleration.
- the drive magnetic field forming unit includes a plurality of drive coils that generate the drive magnetic field, a drive signal generation unit that generates a drive signal of the specific frequency, and the drive signal generation unit.
- a switching unit that switches a driving coil to which the generated driving signal is input to any one of the plurality of driving coils, and the control unit predicts the position and direction at the certain time predicted by the prediction unit Based on at least one of the above, the drive coil to which the drive signal is input is switched to one of the plurality of drive coils by controlling the switching unit.
- the drive magnetic field forming unit includes a drive coil that generates the drive magnetic field, and a drive signal generation unit that generates a drive signal of the specific frequency input to the drive coil.
- the control unit controls the drive signal generated by the drive signal generation unit based on at least one of the position and the direction at the certain time predicted by the prediction unit.
- the position detection unit sets the magnetic field distribution of the resonance magnetic field included in the magnetic field as a true value, and at least one of the position and the direction at the certain time predicted by the prediction unit.
- the position and orientation by convergence calculation using a least-squares method with the magnetic field distribution of the resonant magnetic field formed by the in-subject introduction apparatus as an initial value of the estimated value. It is characterized by detecting at least one of the above.
- the position detection unit removes, from the magnetic field, a component of an interference magnetic field generated by a coil arranged in the vicinity of the detection space being induced by the resonance magnetic field.
- An interference correction unit that corrects the magnetic field, and the interference correction unit calculates a magnetic field component other than the resonance magnetic field included in the magnetic field based on at least one of the position and direction at the certain time predicted by the prediction unit. The magnetic field is removed from the magnetic field.
- the above-described position detection system according to the present invention is characterized in that the coil disposed in the vicinity of the detection space is a drive coil that generates the drive magnetic field.
- the in-subject introduction apparatus includes a magnet fixed to the casing of the in-subject introduction apparatus, and the guide section generates a guidance magnetic field that acts on the magnet.
- a coil including a guidance coil and disposed in the vicinity of the detection space is the guidance coil.
- the position detection system according to the present invention described above is predicted by the plurality of magnetic sensors, a selection unit that selects at least one magnetic sensor to be read out of the magnetic field among the plurality of magnetic sensors, and the prediction unit. And a selection control unit that controls the selection unit based on at least one of the position and orientation at a certain time.
- Another position detection system includes an in-subject introduction device that generates a resonance magnetic field induced by a drive magnetic field having a specific frequency, and a detection space that houses the subject into which the in-subject introduction device is introduced.
- the position of the introduction device in the subject based on the magnetic field detected from the magnetic field detected from the magnetic field detected from the magnetic field which detected the magnetic field formed in the detection space, the magnetic field formed in the detection magnetic field
- a position detection unit that detects at least one of the orientation, and the position and orientation of the in-subject introduction device at a certain time based on at least one of the position and orientation detected at the different time detected by the position detection unit.
- a prediction unit that predicts at least one, and at least one of the position and orientation at the certain time predicted by the prediction unit,
- the drive magnetic field forming unit includes a plurality of drive coils that generate the drive magnetic field, a drive signal generation unit that generates a drive signal of the specific frequency, and the drive signal generation A switching unit that switches a driving coil to which the driving signal generated by the unit is input to any one of the plurality of driving coils, and the control unit predicts the position at the certain time predicted by the prediction unit
- the drive coil to which the drive signal is input is switched to one of the plurality of drive coils by controlling the switching unit based on at least one of the direction and the orientation.
- the drive magnetic field forming unit generates the drive magnetic field
- the drive signal generation unit generates the drive signal of the specific frequency input to the drive coil
- the control unit controls the drive signal generated by the drive signal generation unit based on at least one of the position and the direction at the certain time predicted by the prediction unit.
- the position detection unit sets the magnetic field distribution of the resonance magnetic field included in the magnetic field as a true value, and determines the position and orientation at the certain time predicted by the prediction unit.
- the position is determined by a convergence calculation using a least square method in which the magnetic field distribution of the resonance magnetic field formed by the in-subject introduction device is an initial value of an estimated value. And at least one of the orientations is detected.
- the position detection unit removes, from the magnetic field, a component of the interference magnetic field generated by the coil arranged in the vicinity of the detection space being induced by the resonance magnetic field.
- a magnetic field other than the resonance magnetic field included in the magnetic field based on at least one of the position and orientation at the certain time predicted by the prediction unit. A component is removed from the magnetic field.
- Another position detection system according to the present invention described above is characterized in that the coil disposed in the vicinity of the detection space is a drive coil that generates the drive magnetic field.
- Another position detection system includes a plurality of the magnetic sensors, a selection unit that selects at least one magnetic sensor to be read out of the magnetic field among the plurality of magnetic sensors, and the prediction unit. And a selection control unit that controls the selection unit based on at least one of the predicted position and orientation at a certain time.
- the position detection method guides at least one of the position and orientation of the in-subject introduction device that is induced by the drive magnetic field of a specific frequency to generate the resonance magnetic field to at least one of the target position and orientation.
- a magnetic field detection step for detecting a magnetic field, and the in-subject introduction device based on the magnetic field detected in the magnetic field detection step.
- a position detecting step for deriving at least one of the position and orientation, at least one of the position and orientation derived in the position detecting step, and a position and orientation for which the guiding portion targets the in-subject introduction device as the target.
- a prediction step for predicting at least one of the position and orientation of the introduction apparatus in the subject at a certain time using the guidance information when guiding to at least one; and at the certain time predicted in the prediction step And a control step of controlling the drive magnetic field based on at least one of position and orientation.
- the drive magnetic field forming step generates the drive signal of the specific frequency that is input to the plurality of drive coils that generate the drive magnetic field, and the drive signal generation step.
- a drive coil selection step for selecting a drive coil to which the drive signal generated in (1) is input from any of the plurality of drive coils; and a drive signal input step for inputting the drive signal to the drive coil;
- the control step controls the drive coil selected in the drive coil selection step based on at least one of the position and orientation at the certain time predicted in the prediction step.
- Another position detection method is a position detection method in which at least one of the position and orientation of the intra-subject introduction apparatus that is induced by a drive magnetic field having a specific frequency and generates a resonant magnetic field is detected by the position detection system.
- the drive magnetic field forming step generates a drive signal of the specific frequency that is input to a plurality of drive coils that generate the drive magnetic field, and the drive signal
- a drive coil selection step for selecting a drive coil to which the drive signal generated in the generation step is input from any of the plurality of drive coils; and a drive signal input step for inputting the drive signal to the drive coil.
- the control step controls the drive coil selected in the drive coil selection step based on at least one of the position and orientation at the certain time predicted by the prediction step.
- the control unit can drive the drive magnetic field.
- the control unit can drive the drive magnetic field.
- the formation unit is controlled to generate a drive magnetic field that generates a resonance magnetic field in the in-subject introduction device.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a position detection magnetic guidance system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration example of the LC marker according to Embodiment 1 or 2 of the present invention.
- FIG. 3 is an external view showing a schematic configuration example of the LC marker according to Embodiment 1 or 2 of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram showing a relationship among the drive magnetic field, the composite magnetic field, and the induction magnetic field in the first or second embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a diagram for explaining a case where a drive magnetic field is formed in the detection space based on the position detection result derived immediately before.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a position detection magnetic guidance system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration example of the LC marker according to Embodiment 1 or 2 of the present invention.
- FIG. 6 is a diagram for explaining a case where a drive magnetic field is formed in the detection space based on the predicted position / orientation.
- FIG. 7 is a flowchart showing an outline of position detection processing according to the first or second embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the position detection system according to the second embodiment of the present invention.
- each drawing merely schematically shows the shape, size, and positional relationship to the extent that the contents of the present invention can be understood. Therefore, the present invention is illustrated in each drawing. It is not limited to only the shape, size, and positional relationship. Moreover, in each figure, a part of hatching in a cross section is abbreviate
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a position detection system 1 according to the present embodiment.
- the position detection system 1 includes a detection space K that houses a subject into which an LC marker 10 as an in-subject introduction device is introduced, and the position and orientation of the LC marker 10 in the detection space K ( And an external device 200 that detects a posture or direction).
- the LC marker 10 includes a resonance magnetic field generation unit 11 (see FIG. 1) that generates a resonance magnetic field for position detection.
- the resonant magnetic field generator 11 includes an LC resonant circuit including a capacitor (C) and an inductor (L) connected in parallel, and a magnetic field for position detection at a specific frequency, for example, position detection at a frequency substantially equal to the resonance frequency F0.
- a driving magnetic field By exciting the LC resonant circuit with a magnetic field (hereinafter referred to as a driving magnetic field), a resonant magnetic field having the same frequency as the driving magnetic field is generated.
- the resonance frequency F0 is the resonance frequency of the LC resonance circuit determined by the capacitor (C) and the inductor (L) connected in parallel.
- the LC marker 10 may have a function as, for example, a capsule medical device.
- the LC marker 10 includes, for example, an LC resonance circuit 111, an LC marker control unit 13 that controls each unit in the LC marker 10, and various programs executed by the LC marker control unit 13.
- the in-subject information acquisition unit 14 stores the in-subject information etc., the in-subject information acquisition unit 14 for acquiring various information in the subject, and the in-subject information acquisition unit 14 acquires The radio transmitter 15 and the transmission antenna 15a that transmit the in-subject information as a radio signal to the outside of the LC marker 10, and the radio receiver 16 and the receiver that receive various operation instructions transmitted as a radio signal from the external device 200 Antenna 16a, and an internal power supply 17 that supplies power to each part in the LC marker 10.
- FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of the LC marker 10 according to the present embodiment.
- the in-subject information acquisition unit 14 illuminates the inside of the subject when the inside of the subject is imaged by the imaging unit 142 that acquires, for example, an in-subject image as in-subject information.
- the illumination unit 141 includes a signal processing unit 143 that performs predetermined signal processing on the in-vivo image acquired by the imaging unit 142.
- FIG. 3 is an external view showing a schematic configuration example of the LC marker 10 according to the present embodiment.
- a CCD (Charge Coupled Device) camera, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) camera, or the like can be used as the image sensor 142a, for example.
- the imaging element driving circuit drives the imaging element 142a to acquire an in-subject image of an analog signal.
- the image sensor driving circuit outputs the in-subject image of the analog signal read from the image sensor 142 a to the signal processing unit 143.
- the illumination unit 141 includes a plurality of light sources 141A and a light source drive circuit (not shown) that drives each light source 141A.
- a light source drive circuit (not shown) that drives each light source 141A.
- each light source 141A for example, an LED (Light Emitting Diode) can be used.
- the light source driving circuit illuminates the inside of the subject by driving the light source 141A in accordance with the driving of the imaging unit 142 under the control of the LC marker control unit 13.
- the LC marker 10 includes a permanent magnet M.
- the permanent magnet M is fixed with respect to the casing 18 of the LC marker 10. Therefore, a magnetic field (hereinafter referred to as guidance magnetic field) formed in the detection space K for the purpose of guiding the position and orientation of the LC marker 10 itself according to the position and orientation of the moving target is a permanent magnet M of the LC marker 10.
- guidance magnetic field a magnetic field formed in the detection space K for the purpose of guiding the position and orientation of the LC marker 10 itself according to the position and orientation of the moving target.
- the above-described units (11, 12, 13, 14, 15, 15a, 16, 16a, 17 and M) are housed in, for example, a capsule-type casing 18.
- the housing 18 has a substantially cylindrical or semi-elliptical spherical container 18 a having a hemispherical dome shape at one end and an opening at the other end, and a hemispherical shape.
- a cap 18b for sealing the inside of the housing 18 by being fitted into the opening of the container 18a.
- the casing 18 is large enough to be swallowed by a subject, for example.
- at least the cap 18b is formed of a transparent material.
- the light source 141A described above is mounted on a circuit board 141B on which the above-described light source driving circuit (not shown) is mounted.
- the image sensor 142a and the objective lens 142c are mounted on a circuit board (not shown) on which an image sensor drive circuit (not shown) is mounted.
- the circuit board 141B on which the light source 141A is mounted and the circuit board on which the imaging element 142a is mounted are arranged on the transparent cap 18b side in the housing 18. At this time, the element mounting surface of each circuit board is directed to the cap 18b side. Therefore, the imaging / illumination directions of the imaging element 142a and the light source 141A are directed out of the LC marker 10 via the transparent cap 18b as shown in FIG.
- Detection space there are drive coils D_x, D_y and D_z (hereinafter, arbitrary drive coils are denoted by D) that form substantially uniform drive magnetic fields in different directions in the detection space K, and in the detection space K A plurality of guidance coils G_x, G_y and G_z (hereinafter referred to as “G” for arbitrary guidance coils) and a resonance magnetic field generated by the LC resonance circuit 111 of the LC marker 10 are formed.
- Sense coils S_1, S_2,... (Hereinafter, an arbitrary sense coil is denoted by S).
- Each drive coil D_x, D_y, and D_z is paired with a drive coil (not shown) facing each other across the detection space K, and forms a substantially uniform drive magnetic field in the detection space K, respectively.
- the drive coil D_x and the drive coil that is paired with the drive coil D_x form a substantially uniform magnetic field drive magnetic field in the x-axis direction in the detection space K.
- the drive coil D_y and the drive coil paired therewith form a substantially uniform magnetic field drive field in the y-axis direction in the detection space K, and the drive coil D_z and the drive coil paired therewith are detected.
- a driving magnetic field having substantially uniform magnetic field lines in the z-axis direction is formed.
- the present invention is not limited to this, and a drive coil that forms a drive magnetic field of magnetic field lines that is not parallel to the x-axis, y-axis, and z-axis may be provided.
- a drive coil that forms a drive magnetic field of magnetic field lines that is not parallel to the x-axis, y-axis, and z-axis may be provided.
- attention is paid to the illustrated drive coil D for the sake of simplicity.
- the drive coil D that forms the optimum drive magnetic field according to the position and orientation of the LC marker 10 is selected and driven. Is possible. As a result, it becomes possible to cause the LC resonant circuit 111 to generate a resonant magnetic field having a stable intensity no matter what direction the LC resonant circuit 111 (particularly the inductor (L)) of the LC marker 10 is oriented in the detection space K. Thereby, the position detection accuracy of the LC marker 10 can be improved.
- Each guidance coil G_x, G_y, and G_z is paired with a guidance coil (not shown) that is opposed to each other with the detection space K interposed therebetween, and each LC marker 10 (especially the permanent magnet M) depends on the position and orientation of the LC marker 10.
- a guidance magnetic field for guiding 10 to a target position and orientation is formed in the detection space K.
- Each sense coil S is a magnetic sensor made of a coil capable of detecting the intensity and direction of a magnetic field in the y-axis direction, for example.
- each sense coil S may be configured using, for example, a magnetic sensor including a magnetoresistive element, a magnetic impedance element (MI element), or the like.
- each sense coil S can be configured by a 2-axis / 3-axis magnetic sensor that detects magnetic field strength in at least two axes among the x-axis, y-axis, and z-axis.
- the sense coil S is mounted on a circuit board (not shown) disposed in or near the detection space K, for example.
- This circuit board is disposed at a position that is not easily affected by the magnetic field generated by at least one of the drive coil D and the guidance coil G and that can easily input the resonant magnetic field generated by the LC resonance circuit 111.
- the circuit board is fixed to the lower side of the mounting table (not shown) on which the subject into which the LC marker 10 is introduced (see FIG. 1) or the ceiling above the detection space K.
- the external device 200 includes a drive coil driving unit 220 that outputs a signal used for driving the drive coil D (hereinafter referred to as a drive signal) and a signal used for driving the guidance coil G (hereinafter referred to as a guidance signal). And a position for deriving position and orientation information (hereinafter simply referred to as position / orientation) of the LC marker 10 from a voltage change (hereinafter referred to as a detection signal) read from the sense coil S.
- a drive coil driving unit 220 that outputs a signal used for driving the drive coil D (hereinafter referred to as a drive signal) and a signal used for driving the guidance coil G (hereinafter referred to as a guidance signal).
- the detection unit 210 the control unit 201 that controls each unit in the external device 200, the memory unit 202 that stores various programs and parameters executed when the control unit 201 controls each unit, and the LC marker 10
- An operation input unit 203 for inputting various operation instructions to the LC marker 10 and a target position and orientation of the LC marker 10;
- the position and orientation of the LC marker 10 derived by the output unit 210 and the in-subject information acquired from the LC marker 10 are displayed as images (including video) and sound, and transmitted from the LC marker 10 as a radio signal.
- a wireless reception unit 205 that receives the in-subject information and the like, and a wireless transmission unit 206 that transmits various operation instructions such as an imaging instruction to the LC marker 10 as wireless signals.
- the external device 200 detects the position / orientation of the LC marker 10 derived by the position detection unit 210, and guidance information for the guidance coil driving unit 230 to guide the LC marker 10 using the guidance coil G (guidance information described later). And a position / direction predicting unit 215 as a predicting unit that predicts the position and orientation of the LC marker 10 at a certain time (also referred to as timing).
- the control unit 201 is composed of, for example, a CPU or MPU, and controls each unit in the external device 200 according to a program and parameters read from the memory unit 202.
- the memory unit 202 includes, for example, a RAM and a ROM, and holds programs and parameters that are executed when the control unit 201 controls each unit.
- the memory unit 202 appropriately stores in-subject information received from the LC marker 10 and information such as the position and orientation of the LC marker 10 derived by the position detection unit 210.
- the memory unit 202 appropriately stores drive information, correction amount, calibration information, and guidance information, which will be described later.
- the drive information is managed in the memory unit 202 in association with the position / orientation, for example.
- the correction amount is managed in the memory unit 202 in association with the position / orientation, for example.
- the calibration information is managed in the memory unit 202 in association with, for example, drive information.
- the guidance information is managed in the memory unit 202 in association with the position / orientation, for example.
- the position and orientation of the LC marker 10 may be managed in association with information on a resonance magnetic field described later.
- the position / orientation of the LC marker 10 can be derived easily and quickly from the information of the resonance magnetic field extracted by the calibration process described later.
- the present invention is not limited to this, and the position / orientation of the LC marker 10 may be sequentially derived from the extracted information of the resonance magnetic field.
- the operation input unit 203 includes, for example, a keyboard, a mouse, a numeric keypad, and a joystick.
- the operation input unit 203 includes various operation instructions for the LC marker 10 such as an imaging instruction (including other in-subject information acquisition instructions), and a guidance target for the LC marker 10.
- an imaging instruction including other in-subject information acquisition instructions
- This is a configuration for an operator to input the position and orientation to be used, a screen switching instruction for switching the screen displayed on the display unit 204, and the like.
- the switching function of the screen displayed on the display unit 204 is effective when the LC marker 10 includes a plurality of imaging units 142.
- the display unit 204 is configured by a display device such as a liquid crystal display, a plasma display, or an LED array, for example, information such as the position and orientation of the LC marker 10 and in-subject information such as an in-subject image transmitted from the LC marker 10. Is displayed. Further, the display unit 204 may be equipped with a sound reproduction function using a speaker or the like. The display unit 204 informs the operator of information (including warnings) on various operation guidance and the remaining battery level of the LC marker 10 by using this sound reproduction function.
- the radio receiving unit 205 is connected to a receiving antenna (not shown) made up of a dipole antenna or the like disposed in the vicinity of the detection space K. This receiving antenna is disposed in the vicinity of the detection space K, for example.
- the wireless reception unit 205 receives an in-vivo image or the like transmitted as a wireless signal from the LC marker 10 via the reception antenna, and performs various processes such as filtering, down-conversion, demodulation, and decoding on the received signal. After execution, this is output to the control unit 201.
- the wireless transmission unit 206 is connected to a transmission antenna (not shown) composed of a dipole antenna or the like disposed in the vicinity of the detection space K. This transmitting antenna is disposed in the vicinity of the detection space K, for example.
- the wireless transmission unit 206 performs various processing such as superimposition on the reference frequency signal for transmission, modulation, and up-conversion on a signal such as various operation instructions for the LC marker 10 input from the control unit 201, and then performs this processing. Is transmitted as a radio signal from the transmitting antenna to the LC marker 10.
- the drive coil drive unit 220 and the drive coil D in FIG. 1 function as a drive magnetic field forming unit that forms a drive magnetic field for position detection in the detection space K.
- the drive coil drive unit 220 is, for example, a drive signal generation unit 221 that generates a drive signal, and a drive coil switching unit 222 as a switching unit that switches the drive signal input destination drive coil D to any one of the drive coils D. And including.
- the drive signal generation unit 221 calculates a signal waveform having a frequency substantially equal to the resonance frequency F0 of the LC resonance circuit 111 in the LC marker 10 in accordance with the control signal input from the control unit 201, and resonates using this signal waveform. A drive signal having a frequency substantially equal to the frequency F0 is generated. In addition, the drive signal generation unit 221 performs current amplification on the generated drive signal, and then outputs the amplified drive signal to the drive coil switching unit 222.
- the drive coil switching unit 222 switches the input destination of the drive signal from the plurality of drive coils D to the pair of drive coils D under the control of the control unit 201.
- the drive signal output from the drive signal generator 221 is input to the drive coil D thus selected, an optimal drive magnetic field that excites the LC resonance circuit 111 in the detection space K is formed.
- the control unit 201 drives and controls the drive coil switching unit 222 based on the position and orientation of the LC marker 10 predicted by a position / direction prediction unit 215 to be described later (hereinafter referred to as a predicted position / orientation).
- the control unit 201 switches information for driving control of the drive coil switching unit 222 (corresponding to drive information described later) based on the predicted position / orientation, and drives the drive coil drive unit 220 according to the drive information. Control.
- a drive coil D that can form a drive magnetic field that is optimal when the LC marker 10 is in the predicted position / orientation is selected, and a drive signal is input thereto.
- An optimum drive magnetic field can be formed.
- the drive information is information such as the identification information of the drive coil D that is driven when the drive magnetic field is generated and the amplitude value and phase of the drive signal input to the drive coil D.
- the sense coil S and the position detection unit 210 in FIG. 1 use a resonance magnetic field generated by the LC marker 10 according to the drive magnetic field formed by the drive magnetic field forming unit composed of the drive coil D and the drive coil drive unit 220.
- the position and orientation of the LC marker 10 are derived.
- the position detection unit 210 includes, for example, a signal detection unit 211, a sense coil selection unit 212 as a selection unit that selects a magnetic sensor used for reading a magnetic field, an interference correction unit 213, and a position information calculation unit 214. , including.
- the sense coil selection unit 212 selects, for example, the sense coil S from which the signal detection unit 211 reads the detection signal from the plurality of sense coils S under the control of the control unit 201.
- the control unit 201 also has a function as a selection control unit that controls the sense coil selection unit 212.
- the control unit 201 controls the sense coil selection unit 212 so that the detection signal is read from one or more sense coils S to be read out of the plurality of sense coils S that are two-dimensionally arranged.
- the signal detection unit 211 reads a voltage change generated in the sense coil S periodically or irregularly as a detection signal, and appropriately performs amplification, band limitation, A / D conversion, and fast Fourier transform on the read detection signal ( By executing processing such as FFT, data indicating the information of the magnetic field input to the selected sense coil S (hereinafter referred to as FFT data or detection value) is generated.
- the detection signal read from each sense coil S is a signal that represents magnetic field information such as the intensity and phase of the magnetic field at the position where each sense coil S is arranged as a change in voltage.
- the FFT data is data obtained by converting magnetic field information included in the detection signal read from the sense coil S into information composed of components of intensity and phase.
- the FFT data generated in this way is input to the interference correction unit 213 via the sense coil selection unit 212, for example.
- the interference correction unit 213 removes magnetic field components other than the resonant magnetic field included in the FFT data input via the sense coil selection unit 212, that is, unnecessary magnetic field components (also referred to as information) such as an interference magnetic field.
- an unnecessary magnetic field included in the FFT data is generated when a coil (a driving coil D, a guidance coil G, or the like) disposed in the vicinity of the detection space K is interfered by a resonance magnetic field from the LC resonance circuit 111.
- a magnetic field (interference magnetic field) having a phase difference of about 180 ° with respect to the resonant magnetic field is included. Therefore, in the present embodiment, unnecessary magnetic field components are removed from the FFT data using the correction amount corresponding to the predicted position / orientation input from the position information calculation unit 214 to the control unit 201 immediately before. Hereinafter, this is referred to as correction processing.
- the amount of correction as described above is generated, for example, by each of the drive coils D and the guidance coils G from the current value detected by providing a current detection unit that detects currents flowing through the drive coils D and the guidance coils G, respectively.
- the interference magnetic field information (which is also FFT data) can be obtained by simulating or obtaining in advance by actual measurement.
- the acquired correction amount is registered in an LUT (Look Up Table) or the like in association with the position or orientation, and stored in the memory unit 202, for example.
- the control unit 201 refers to the LUT in the memory unit 202 using the position / orientation (that is, the previous position / orientation) input from the position information calculation unit 214 immediately before.
- the correction amount associated with the position / orientation input from the position information calculation unit 214 last time is acquired and input to the interference correction unit 213.
- the interference correction unit 213 removes the component of the interference magnetic field from the FFT data by executing a correction process using the FFT data input via the sense coil selection unit 212 and the correction amount input from the control unit 201. To do.
- correction parameters corresponding to the position and orientation are registered in advance in the LUT, and the correction parameters acquired by referring to the LUT using the predicted position and orientation as appropriate.
- the position / orientation may be derived from the FFT data.
- the FFT data corrected as described above is input to the position information calculation unit 214.
- the position information calculation unit 214 derives the position / orientation of the LC marker 10 from the corrected FFT data by executing predetermined calculation processing on the input corrected FFT data.
- this process is referred to as a position derivation process.
- the corrected FFT data includes a driving magnetic field in addition to the resonant magnetic field generated by the LC resonant circuit 111.
- the resonance magnetic field generated by the LC marker 10 (hereinafter, the vector of the resonance magnetic field developed in the plane space indicating the intensity and the phase is referred to as F_reso) is the drive magnetic field (hereinafter, the intensity and the phase are indicated).
- the drive magnetic field vector developed in the plane space has a phase difference of 90 ° with respect to F_driv).
- the drive magnetic field F_driv is removed from the magnetic field included in the corrected FFT data (hereinafter referred to as the combined magnetic field, and the combined magnetic field vector developed in the plane space indicating the intensity and phase is referred to as F_dtct), and the resonant magnetic field F_reso is determined.
- the combined magnetic field included in the corrected FFT data
- F_dtct the combined magnetic field vector developed in the plane space indicating the intensity and phase
- F_resonant magnetic field F_reso is determined.
- FIG. 4 is a diagram showing the relationship among the drive magnetic field, the composite magnetic field, and the induced magnetic field in the present embodiment.
- the drive coil D is driven in a state where the LC marker 10 (that is, the LC resonance circuit 111) is not introduced in the detection space K, and a drive magnetic field is formed in the detection space K.
- a phase component (hereinafter referred to as calibration information) of a driving magnetic field F_drive detected by a magnetic sensor (not shown) actually arranged in the sense coil S or the detection space K is derived in advance. Further, the derived calibration information is stored in an LUT (Look Up Table) or the like in association with the drive information, for example.
- drive information when the control unit 201 drives the drive coil drive unit 220 is input to the position information calculation unit 214, and the position information calculation unit 214 controls the control unit.
- the phase of the drive magnetic field F_driv to be removed from the combined magnetic field F_dtct is acquired by referring to the LUT using the drive information input from 201, and the resonance magnetic field F_reso is extracted from the corrected FFT data based on this phase.
- the process of removing the drive magnetic field F_driv from the corrected FFT data that is, the combined magnetic field F_dtct is referred to as a calibration process.
- the control unit 201 derives the position of the LC marker 10 from the extracted resonance magnetic field F_reso by driving the position information calculation unit 214 to execute position derivation processing.
- the position / orientation derived through the correction process, the calibration process, and the position deriving process as described above is input to a guidance coil driving unit 230, a position / direction predicting unit 215, and a control unit 201, which will be described later.
- the guidance coil driving unit 230 and the guidance coil G in FIG. 1 generate a guidance magnetic field in the detection space K for guiding the LC marker 10 to a target position and orientation (hereinafter simply referred to as a target position / orientation). It forms and functions as a guide part for guiding the LC marker 10 to a target position and orientation.
- the guidance coil driving unit 230 moves the LC marker 10 to the target position / orientation based on the position / orientation of the LC marker 10 derived by the position information calculation unit 214 and the target position / orientation input from the control unit 201.
- Information (hereinafter referred to as guidance information) is acquired, one or more signal waveforms having a frequency different from the resonance frequency F0 are generated based on the guidance information, and one or more are generated using the signal waveform.
- a guidance signal input to the guidance coil G is appropriately generated.
- the guidance coil driving unit 230 appropriately amplifies the generated guidance signal, and then outputs the amplified guidance signal to the corresponding guidance coil G. Thereby, a guidance magnetic field for guiding the LC marker 10 to the target position / orientation is formed in the detection space K. Further, the guidance coil driving unit 230 inputs the acquired guidance information to the position / direction prediction unit 215.
- the position / orientation of the target LC marker 10 is input to the external device 200 by the operator using the operation input unit 203, for example.
- the operator can input an in-vivo information acquisition instruction or the like to the LC marker 10 using the operation input unit 203.
- the guidance information includes a target position and orientation (target position / orientation), a target LC marker 10 speed and angular velocity (target speed / angular velocity), and a target LC marker 10 acceleration and angular acceleration.
- Various information such as (target acceleration / angular acceleration) can be used. Below, an example is given about three cases, the case where the target position / orientation is used, the case where the target velocity / angular velocity is used, and the case where the target acceleration / angular acceleration is used.
- the guidance information is registered in advance in an LUT or the like in association with the input position / orientation and target position / orientation of the LC marker 10, for example.
- the present invention is not limited to this.
- the amount of movement required for the LC marker 10 and the amount of change in posture, which are obtained from the input position / orientation and target position / orientation of the LC marker 10 are represented by a vector.
- the information may be associated and registered in advance in the LUT or the like.
- the position / direction prediction unit 215 uses the position / orientation of the LC marker 10 input from the position information calculation unit 214 and the guidance information input from the guidance coil driving unit 230 to perform one or more timings on the time axis.
- the position / orientation of the LC marker 10 is predicted.
- this processing is referred to as position / direction prediction processing.
- the one or more timings on the time axis are past, present or future times with respect to the present. That is, the position / direction prediction unit 215 can predict the position / direction of the LC marker 10 at an arbitrary timing using the input position / direction of the LC marker 10 and the guidance information.
- the period in which the position / direction prediction unit 215 predicts the position / orientation of the LC marker 10 is a period in which the LC marker 10 is guided by guidance information, for example, but the present invention is not limited to this.
- the position / orientation of the LC marker 10 at an arbitrary timing can be predicted by calculation, simulation, or empirical calculation from the past position / orientation and guidance information.
- the position / orientation predicting unit 215 receives the latest position detection result (latest position / orientation (X 0 , Y 0 , Z 0) derived by the position information calculating unit 214. , ⁇ 0 , ⁇ 0 )) are input together with the position detection time (this is referred to as position detection time T 0 ). Further, the target position / orientation (which is set as the target position / orientation (X, Y, Z, ⁇ , ⁇ )) input by the operator is also input to the position / direction predicting unit 215 via the control unit 201. Is done.
- the position / direction prediction unit 215 includes the latest position / direction (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ), the position detection time T 0, and the target position / direction (X, Y, Z, ⁇ , ⁇ ). ) From which the LC marker 10 reaches the target position / orientation (X, Y, Z, ⁇ , ⁇ ) (this is the arrival time T).
- This arrival time T is the distance and angle from the latest position / orientation (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) to the target position / orientation (X, Y, Z, ⁇ , ⁇ ), From the position detection time T 0 at which the latest position / orientation (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) has been derived, it is possible to derive by empirical or simulation.
- the position / direction prediction unit 215 also includes the latest position / direction (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ), the position detection time T 0, and the target position / direction (X, Y, Z, ⁇ ). , ⁇ ) and the arrival time T, the position and orientation of the LC marker 10 at a certain time from the position detection time T 0 to the arrival time T (hereinafter referred to as the predicted time T 1 )
- the predicted position / direction (X 1 , Y 1 , Z 1 , ⁇ 1 , ⁇ 1 ) is derived.
- the predicted position / direction (X 1 , Y 1 , Z 1 , ⁇ 1 , ⁇ 1 ) of the LC marker 10 at the predicted time T 1 can be derived using the following formulas 1 to 5. it can.
- the prediction time T 1 shall correspond to the elapsed time when the position detection time T 0 and a timer start time.
- the position / direction prediction unit 215 has the latest position / direction (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) and the position detection time T 0.
- the speed and angular speed (target speed / angular speed (VX, VY, VZ, ⁇ , ⁇ )) of the target LC marker 10 derived based on this are input.
- the position / direction prediction unit 215 predicts the predicted time based on the latest position / direction (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) and the target speed / angular velocity (VX, VY, VZ, ⁇ , ⁇ ).
- the predicted position and orientation (X 1 , Y 1 , Z 1 , ⁇ 1 , ⁇ 1 ) of the LC marker 10 at T 1 are derived.
- the predicted position and orientation (X 1 , Y 1 , Z 1 , ⁇ 1 , ⁇ 1 ) of the LC marker 10 at the predicted time T 1 can be derived using the following formulas 6 to 10. it can.
- the target speed / angular speed (VX, VY, VZ, ⁇ , ⁇ ) may be directly input from the operation input unit 203 by the operator.
- the position / direction prediction unit 215 has the latest position / direction (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) and position detection time T.
- the latest position / orientation (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) and the target position / orientation (X, Y, Z, ⁇ , ⁇ ) are input.
- the position / direction predicting unit 215 predicts from the latest position / orientation (X 0 , Y 0 , Z 0 , ⁇ 0 , ⁇ 0 ) and target acceleration / angular acceleration (AX, AY, AZ, A ⁇ , A ⁇ ).
- the predicted position and orientation (X 1 , Y 1 , Z 1 , ⁇ 1 , ⁇ 1 ) of the LC marker 10 at time T 1 are derived.
- the predicted position and orientation (X 1 , Y 1 , Z 1 , ⁇ 1 , ⁇ 1 ) of the LC marker 10 at the predicted time T 1 can be derived using the following formulas 11 to 15. it can.
- the target acceleration / angular acceleration (AX, AY, AZ, A ⁇ , A ⁇ ) may be directly input from the operation input unit 203 by the operator.
- the predicted position / orientation derived as described above is input to the control unit 201.
- the control unit 201 drives and controls the drive coil drive unit 220 based on the input predicted position / orientation, thereby forming an optimum driving magnetic field in the detection space K with respect to the predicted position / orientation of the LC marker 10.
- the detection space K is formed in the detection space K based on the predicted position / orientation and the position detection result derived immediately before (that is, the position / orientation at the previous timing).
- the detection space K The case where a drive magnetic field is formed inside will be described in detail with reference to FIGS. FIG.
- FIG. 5 is a diagram for explaining a case where a drive magnetic field is formed in the detection space K based on the position detection result derived immediately before (that is, the position / orientation at the previous timing).
- FIG. 6 is a diagram for explaining a case where a drive magnetic field is formed in the detection space K based on the predicted position / orientation.
- the position obtained by the previous position detection process at timing t100 is P0
- the actual position / orientation of the LC marker 10 is RP1
- the optimum driving magnetic field selected based on the latest position / orientation P0 is the drive coil D1.
- the optimum driving coil D and the actually selected driving coil D for the actual position / orientation RP1 of the LC marker 10 are the same. Therefore, the position / orientation P100 derived by the position detection process at the timing t100 is substantially the same position / orientation as the actual LC marker 10 position / orientation RP1 (P100 ⁇ RP1).
- timing t200 if there is no significant change in the movement direction and posture change of the LC marker 10 from timing t100 to timing t200, basically the same as timing t100.
- the optimal driving coil D selected based on the latest position / orientation P100 and the optimal driving coil D to be selected based on the actual position / orientation RP2 of the LC marker 10 are both the driving coil D1 and Become.
- the optimum driving coil D and the actually selected driving coil D with respect to the actual position / orientation RP2 of the LC marker 10 are the same, and as a result, the derived position / orientation P200 is the actual LC marker 10
- the position / orientation RP2 is substantially the same position / orientation (P200 ⁇ RP2).
- the drive magnetic field is formed in the detection space K based on the predicted position / orientation as in the present embodiment, as shown in FIG.
- the latest position / orientation obtained is P0
- the predicted position / orientation of the LC marker 10 predicted from the latest position / orientation P0 is PP0
- the actual position / orientation of the LC marker 10 is RP1.
- the drive coil D that generates the optimum drive magnetic field selected based on the predicted position / orientation PP0 predicted according to the guidance information from the latest position / orientation P0, and the actual position / orientation RP1 of the LC marker 10 It is assumed that the drive coil D that generates the optimum drive magnetic field to be selected based on the above is the drive coil D1.
- the optimum driving coil D and the actually selected driving coil D for the actual position / orientation RP1 of the LC marker 10 are the same. Therefore, the position / orientation P1 derived by the position detection process at the timing t1 is substantially the same position / orientation as the actual LC marker 10 position / orientation RP1 (P1 ⁇ RP1).
- timing t2 if there is no significant change in the movement direction and posture change of the LC marker 10 from timing t1 to timing t2, basically the same as timing t1.
- the optimal drive coil D selected based on the predicted position / orientation PP1 of the LC marker 10 predicted from the latest position / orientation P1 according to the guidance information, and the selection based on the actual position / orientation RP2 of the LC marker 10
- the optimum drive coil D to be performed is the drive coil D1.
- the optimum driving coil D and the actually selected driving coil D for the actual position / orientation RP2 of the LC marker 10 are the same, and as a result, the derived position / orientation P2 is the actual LC marker 10
- the position / orientation RP2 is substantially the same position / orientation (P2 ⁇ RP2).
- the position / direction prediction unit 215 is used. Since the position / orientation of the LC marker 10 at the timing t3 is predicted, the optimum drive coil selected based on the predicted position / orientation PP2 of the LC marker 10 predicted according to the guidance information from the latest position / orientation P2. Both D and the optimum drive coil D to be selected based on the actual position / orientation RP3 of the LC marker 10 can be used as the drive coil D2.
- the optimum driving coil D and the actually selected driving coil D with respect to the actual position / orientation RP3 of the LC marker 10 become the same, and as a result, the derived position / orientation P3 becomes the actual LC marker 10
- the position / orientation RP3 is approximately the same position / orientation (P3 ⁇ RP3).
- the LC marker 10 at one or more timings is traced using the position / direction predicting unit 215 so as to trace the movement and posture change of the LC marker 10 by the guidance using the guidance magnetic field.
- the control unit 201 selects and drives the drive coil D that forms the optimum drive magnetic field in the detection space K based on the predicted position and orientation, so that the LC marker 10 is good. It is possible to generate a stable resonant magnetic field stably. As a result, the position detection accuracy of the position detection system 1 can be improved.
- FIG. 7 is a flowchart showing an outline of position detection processing according to the present embodiment.
- the operation of the control unit 201 that drives and controls each unit in the external device 200 will be described.
- Step S101 Drive magnetic field generation step.
- a drive signal generation step for generating a drive signal of a specific frequency to be input to the drive coil D by the drive signal generation unit 221 and a drive to which the drive signal generated in the drive signal generation step is to be input
- a drive coil selection step for selecting the coil D from any of the plurality of drive coils D by the drive coil switching unit 222 and a drive signal input step for inputting a drive signal to the drive coil D are performed in this order.
- a resonance magnetic field is generated from the LC marker 10 (resonance magnetic field generation step).
- the control unit 201 drives the sense coil selection unit 212 to select the sense coils S_1, S_2,..., Thereby causing the signal detection 211 to read the detection signal of the selected sense coil S (magnetic field detection step). ), FFT data generated by the signal detection unit 211 from the detection signal read from each sense coil S is input to the interference correction unit 213 (step S102).
- the signal detection unit 211 periodically reads out the detection signal from each sense coil S, and performs predetermined signal processing on the detection signal to generate FFT data.
- the sense coils S that the control unit 201 causes the sense coil selection unit 212 to select in step S102 need not be all the sense coils S, and may be only a part of the sense coils S.
- control unit 201 corrects the FFT data output from the signal detection unit 211 by driving the interference correction unit 213 (step S103: correction processing). Specifically, the control unit 201 refers to the memory unit 202 using the position / orientation (that is, the previous position / orientation) input from the position information calculation unit 214 immediately before, so that the control unit 201 responds to the position / orientation. A correction amount is acquired and used to correct the FFT data. As a result, the interference magnetic field included in the FFT data is removed. The corrected FFT data is input to the position information calculation unit 214.
- control unit 201 drives the position information calculation unit 214 to derive the position / orientation of the LC marker 10 from the corrected FFT data (step S104 (position detection step): calibration process and position derivation process) ).
- step S104 position detection step: calibration process and position derivation process
- the component of the magnetic field included in the FFT data is removed by the calibration process described above to extract the component of the resonant magnetic field, and the LC marker 10 is subsequently extracted using the component of the resonant magnetic field extracted by the position derivation process.
- the position / orientation is derived.
- the derived position / orientation is input to the guidance coil driving unit 230 and the position / direction prediction unit 215.
- the guidance coil driving unit 230 provides guidance in the detection space K based on the latest position / orientation input from the position information calculation unit 214 and the target position / orientation input from the control unit 201. By forming a magnetic field, the LC marker 10 is guided to the target position / orientation.
- the control unit 201 drives the position / direction prediction unit 215 to predict the position / orientation of the LC marker 10 at the next timing of executing step S102 (step S105 (prediction step): position). -Direction prediction processing).
- the position / direction predicting unit 215 receives guidance information from the guidance coil driving unit 230 as appropriate or periodically. Therefore, the position / direction predicting unit 215 is based on the latest position / orientation input from the position information calculating unit 214 and the guidance information input from the guidance coil driving unit 230 as appropriate or periodically as a result of step S104. Thus, the position / orientation of the LC marker 10 at the timing of executing step S102 is predicted.
- the predicted position / orientation is input to the control unit 201.
- control unit 201 detects the optimum driving magnetic field when the LC marker 10 is in the predicted position / orientation by driving the drive coil driving unit 220 based on the predicted position / orientation input in step S105.
- the space K is formed (step S106: control step). Specifically, the control unit 201 acquires drive information associated with the predicted position / orientation by referring to the memory unit 202 using the input predicted position / orientation. Subsequently, by driving the drive coil switching unit 222 according to the acquired drive information, a drive coil D that can generate an optimal drive magnetic field for the LC marker 10 in the predicted position / orientation is selected, The drive signal output from the drive signal generator 221 is input to the drive coil D. As a result, a driving magnetic field that is optimal when the LC marker 10 is in the predicted position / orientation is formed in the detection space K.
- control unit 201 determines whether or not an end instruction is input from the operator via, for example, the operation input unit 203 (step S107). If not input (No in step S107), the control unit 201 returns to step S102. Thereafter, the same operation as described above is executed. On the other hand, if an end instruction has been input (Yes in step S107), the control unit 201 ends the process.
- the present embodiment it is possible to stably generate a strong magnetic resonance field in the LC marker 10 in the actual position and direction. As a result, the accuracy of the position detection result can be improved.
- the spatial distribution of the direction and intensity of the drive magnetic field formed in the detection space K changes depending on the drive coil D to be used. Therefore, in the present embodiment, the driving coil D is selected so that a strong magnetic field in a predicted position / direction and a driving magnetic field in a suitable direction are formed, so that the actual position / direction is close to the predicted position / direction. It is possible to input a strong magnetic field and a driving magnetic field in an appropriate direction to the LC marker 10, and as a result, it is possible to detect a position with high accuracy by generating a strong magnetic field.
- the drive coil D to be used is not necessarily used for the LC marker 10 when the next position is detected. In some cases, the drive coil D is not suitable.
- the appropriate drive coil D is always selected. As a result, highly accurate position detection can be stably performed.
- the drive signal input to the drive coil D can be configured to be changed according to the predicted position / orientation.
- this case will be described as a first modification.
- both the drive coil switching unit 222 and the drive signal generation unit 221 are drive-controlled based on the predicted position / direction derived by the position / direction prediction unit 215.
- the control unit 201 switches information (corresponding to drive information described later) for drive control of the drive coil switching unit 222 and the drive signal generation unit 221 based on the predicted position / orientation, and drives according to this drive information.
- the coil switching unit 222 and the drive signal generation unit 221 are driven and controlled.
- step S105 illustrated in FIG. 7 the control unit 201 refers to the memory unit 202 using the input predicted position / orientation, thereby acquiring drive information associated with the predicted position / orientation. To do. Subsequently, by driving the drive coil switching unit 222 according to the acquired drive information, the drive coil D capable of generating an optimum drive magnetic field for the LC marker 10 in the predicted position / orientation is selected. Similarly, by driving the drive signal generation unit 221 in accordance with the acquired drive information, a drive signal for generating an optimal drive magnetic field is generated, and this drive signal is selected using the drive coil switching unit 222. To enter. As a result, a driving magnetic field that is optimal when the LC marker 10 is in the predicted position / orientation is formed in the detection space K.
- the drive coil D that can form the drive magnetic field that is optimal when the LC marker 10 is in the predicted position / orientation is also optimally used. Since a drive signal for generating a drive magnetic field is input, it is possible to perform more accurate position detection more stably. That is, a strong magnetic field and a driving magnetic field in a suitable direction can be accurately formed according to the predicted position / orientation, so that it is stronger than the LC marker 10 in the actual position / orientation close to the predicted position / orientation. It is possible to input a driving magnetic field having a strength and a suitable direction, and as a result, it is possible to generate a resonance magnetic field having a stronger strength and perform position detection with higher accuracy.
- the sense coils S selected by the sense coil selection unit 212 do not have to be all the sense coils S, and may be a part of the sense coils S.
- an example of this case will be described as a second modification.
- the distribution of the resonant magnetic field detected by the sense coil S varies depending on the position and orientation of the LC marker 10 that is the source of the resonant magnetic field. For this reason, the sense coil S effective for accurate position detection changes depending on the position and orientation of the LC marker 10. That is, the sense coil S to which a strong resonance magnetic field is input and the sense coil S that can detect the resonance magnetic field without saturation (saturation) vary depending on the position and orientation of the LC marker 10.
- the control unit 201 selects one or more sense coils S to be read according to the predicted position / orientation input from the position / direction prediction unit 215, and selects the sense coil based on the selected sense coil S.
- the unit 212 is driven. Thereby, it is possible to set only the FFT data generated from the detection signal read from one or more sense coils S effective for accurate position detection to be processed by the interference correction unit 213 and the subsequent units. Therefore, accurate position detection can be performed efficiently.
- the information on the correspondence between the position / orientation and the sense coil S to be read can be acquired in advance by simulation or actual measurement, for example.
- the acquired association information is managed in the memory unit 202, for example.
- the control unit 201 acquires the identification information of the sense coil S to be read from the memory unit 202 using the predicted position / orientation, and selects the sense coil according to this.
- the unit 212 By driving the unit 212, only the FFT data generated from the detection signals read from one or more sense coils S effective for accurate position detection is input to the interference correction unit 213.
- the position information calculation unit 214 uses the magnetic field distribution of the resonant magnetic field included in the detection signal read from the sense coil (that is, the magnetic field distribution of the resonant magnetic field indicated by the FFT data after the calibration process). ) Is a true value, and it is assumed that the LC marker 10 (or an equivalent magnetic moment) exists in the predicted position / orientation predicted by the position / direction predicting unit 215. The magnetic field distribution of the resonant magnetic field formed by the magnetic moment) is the initial value of the estimated value.
- the processing time can be shortened and the processing amount can be reduced.
- the magnetic field distribution of the resonant magnetic field that can be calculated back from the predicted position / direction close to the actual position / direction of the LC marker 10 is used as the initial value of the estimated value.
- the estimated value (magnetic field distribution calculated backward from the predicted position / orientation) and the true value (magnetic field distribution of the resonant magnetic field indicated by the FFT data after calibration processing) can be made close to each other.
- the ten positions / orientations can be derived quickly and more accurately.
- the interference correction unit 213 may be configured to correct the FFT data using the correction amount corresponding to the predicted position / orientation derived by the position / direction prediction unit 215. .
- this case will be described as a fourth modification.
- the control unit 201 uses the predicted position / orientation derived by the position / direction prediction unit 215 to calculate the LUT in the memory unit 202. By referencing, the correction amount associated with the predicted position / orientation is acquired and input to the interference correction unit 213.
- the interference correction unit 213 performs correction processing using the FFT data input via the sense coil selection unit 212 and the correction amount input from the control unit 201, so that the FFT data according to the predicted position / orientation.
- the interference magnetic field component is removed from.
- the FFT data is corrected using the correction amount for the predicted position / orientation that is close to the actual position / orientation of the LC marker 10, so that the position detection process is performed.
- the accuracy of the position detection result can be improved.
- the corrected FFT data to be a true value becomes a more accurate value, and therefore the difference between the true value and the estimated value is further increased. It can be reduced. As a result, it is possible to reduce the number of iterations until convergence, so that a more accurate position / orientation can be derived more quickly.
- the position / direction prediction unit 215 can predict the position / direction of the LC marker 10 at one or more timings on the time axis. Therefore, in the fifth modification, the position / direction predicting unit 215 predicts the position / orientation at a plurality of future timings, and whether or not frequent switching of the drive coil D occurs from the predicted plurality of positions / orientations.
- the control unit 201 determines whether or not. This determination is executed, for example, during step S107 in FIG. Further, this determination can be made based on, for example, whether or not the drive coil D determined to be optimal at each timing is switched alternately in time series.
- switching alternately in time series means, for example, switching such as driving coil D1 ⁇ driving coil D2 ⁇ driving coil D1 or switching such as driving coil D1 ⁇ driving coil D2 ⁇ driving coil D3. It occurs along the timing of arrangement on the axis.
- the control unit 201 specifies, for example, the drive coil D predicted to be used most frequently in the predicted range, and this drive When it is determined that the drive coil D different from the coil D is optimal, the drive coil D determined to be optimal in the position / orientation at the next timing is selected.
- the driving coil D1 ⁇ Switching is performed as drive coil D1 ⁇ drive coil D1, or switching is performed as drive coil D1 ⁇ drive coil D3 ⁇ drive coil D3.
- FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the position detection system 2 according to the present embodiment.
- the position detection system 2 has the same configuration as that of the position detection system 1 according to the first embodiment, and the position / direction prediction unit 215 is replaced with the position / direction prediction unit 215A.
- the guidance driving unit 230 and the guidance coil G that is, the configuration for guiding the LC marker 10 (guidance unit) is omitted, but the present invention is not limited to this.
- the position / orientation derived by the position information calculation unit 214 is input to the position / direction prediction unit 215A and input to the memory unit 202 and held therein. Further, the position / direction prediction unit 215A can refer to the memory unit 202 as appropriate.
- the position / orientation prediction unit 215A refers to the memory unit 202 and acquires the previous position / orientation. Further, the position / direction prediction unit 215A calculates the velocity and angular velocity of the LC marker 10 based on, for example, the following equations 16 to 20, from the latest acquired position / orientation and the previous position / orientation. It should be noted that in the following equation 16 to equation 20, the latest position and orientation as the "position and orientation at the time T 11", the position and orientation of the last minute as the "position and orientation at the time T 10", the time T 11 the speed and angular velocity of the LC marker 10 at the time referred to as "speed and angular velocity at the time T 11".
- the position-direction prediction unit 215A when determining the speed and angular velocity of the LC marker 10 at time T 11, as described above, then the position-direction prediction unit 215A, when the guidance information in the first embodiment is the speed and the angular velocity (Equation 6 ⁇ Similar to Expression 10, the following expression 21 to expression 25 are used to derive the position / orientation of the LC marker 10 at an arbitrary timing (time T 12 ). In the following formulas 21 to Formula 25, the position and orientation of the LC marker 10 at any desired time T 12 to "predicted position and orientation at time T 12".
- the present embodiment it is possible to predict the position / orientation of the LC marker 10 at an arbitrary timing without using the guidance information. As a result, in the present embodiment, similarly to the first embodiment, it is possible to stably generate a strong magnetic resonance field in the LC marker 10 in the actual position and direction. As a result, the accuracy of the position detection result can be improved. Further, in the present embodiment, as in the first embodiment, in order to predict the future movement and posture change of the LC marker 10 and to select the drive coil D to be used according to the predicted position and orientation, An appropriate drive coil D can always be selected, and as a result, highly accurate position detection can be stably performed.
- the present invention is not limited to this, and the LC marker 10 is targeted for only one of the position and the direction. You may induce.
- the above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to these, and various modifications according to specifications and the like are within the scope of the present invention. It is obvious from the above description that various other embodiments are possible within the scope of the present invention.
- the position detection method according to the above embodiment is characterized in that the coil arranged in the vicinity of the detection space is a drive coil that generates a drive magnetic field.
- the position detection system includes a guide unit that guides at least one of the position and orientation of the in-subject introduction apparatus to a target position and orientation
- the in-subject introduction device includes a magnet fixed to the casing of the in-subject introduction device
- the guide portion includes a guidance coil that generates a guidance magnetic field that acts on the magnet, and is disposed in the vicinity of the detection space.
- the formed coil is the guidance coil.
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Abstract
被検体に導入された被検体内導入装置の位置を検出する位置検出システムを構成するにあたり、駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に駆動磁界を形成する駆動磁界形成部と、検出空間内に形成された磁界を検出する磁気センサと、磁気センサから検出された磁界に基づいて被検体内導入装置の位置・向きを検出する位置検出部と、被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する誘導部と、位置検出部で検出された位置・向きを用いて被検体内導入装置のある時刻での位置・向きを予測する予測部と、予測部で予測されたある時刻での位置・向きに基づいて駆動磁界形成部と位置検出部とを制御する制御部とを設けることで、被検体内導入装置の位置や向きなどに変更が生じている場合でも正確な位置検出を可能にする。
Description
本発明は、位置検出システムおよび位置検出方法に関し、特に被検体内に導入されたカプセル型の被検体内導入装置の位置を、磁界を用いて検出する位置検出システムおよび位置検出方法に関する。
近年、人や動物などの被検体内に導入されて、被検体内の画像等の各種情報を取得したり被検体内に何らかの処置を施したりするカプセル内視鏡などの被検体内導入装置が開発されている(例えば以下に示す特許文献1~4参照)。例えば撮像素子を備えた被検体内導入装置は、経口により被検体内に導入されて被検体内を撮像し、得られた画像(以下、被検体内画像という)を被検体外に配置された外部装置へ無線により送信する。操作者は、外部装置で受信した被検体内画像を目視により確認することで、被検体の症状等を診断することができる。
上記のような被検体内導入装置を用いたシステムでは、被検体内における撮像または処置箇所の特定や被検体内導入装置の位置誘導などを目的として、被検体内導入装置の位置や向きなどを正確に知ることが望まれている。そこで特許文献1では、コイル(L)とコンデンサ(C)とよりなる共振回路(以下、これをLC共振回路という)を被検体内導入装置内に設け、このLC共振回路が外部から与えられた交番磁界(以下、これを駆動磁界という)によって発生する共振磁界を外部装置に設けられたセンスコイルで検出することで、被検体内導入装置の位置や向きを検出する位置検出システムが開示されている。
ここで、通常、駆動磁界は、被検体内導入装置を導入した被検体が収容される検出空間を異なる方向から挟むように配置された複数対の駆動コイルの何れかの対を用いて形成される。また、被検体内導入装置内のLC共振回路が発生する共振磁界の強度は、このLC共振回路に入力される駆動磁界の向きに依存する。このため、安定して正確な位置検出を行うためには、被検体内導入装置(特にLC共振回路)の向きに応じて、適切な向きの駆動磁界を発生する駆動コイルを選択して駆動する必要がある。
従来技術において、駆動コイルの選択は、直前に検出された被検体内導入装置の位置や向きに応じて選択される。しかしながら、被検体内導入装置が移動したり姿勢変更したりしている場合、直前に検出された被検体内導入装置の位置や向きに応じて選択された駆動コイルが、次の検出のタイミングまでに移動した被検体内導入装置に対して適切な駆動磁界を発生するとは限らない。このため従来の位置検出システムでは、必ずしも適切な駆動コイルを使用して正確な位置検出を行っているとは限らないという問題が存在した。
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、被検体内導入装置の位置や向きなどに変更が生じている場合でも正確な位置検出が可能な位置検出システムおよび位置検出方法を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明による位置検出システムは、特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置と、前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成部と、前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサから検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出部と、前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する誘導部と、前記位置検出部で検出された前記位置および向きの少なくとも一方と、前記誘導部が前記被検体内導入装置を前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する際の誘導情報とを用いて、前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測部と、前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界形成部と前記位置検出部とを制御する制御部と、を備えたことを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記誘導情報が、前記目標とする位置および向きの少なくとも一方の情報、前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ前記被検体内導入装置を誘導するために該被検体内導入装置に生じさせる速度または角速度の情報、あるいは、前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ前記被検体内導入装置を誘導するために該被検体内導入装置に生じさせる加速度または角加速度の情報であることを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記駆動磁界形成部が、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルと、前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、該駆動信号生成部で生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替える切替部と、を含み、前記制御部が、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記切替部を制御することで前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替えることを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記駆動磁界形成部が、前記駆動磁界を発生する駆動コイルと、前記駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を含み、前記制御部が、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動信号生成部が生成する前記駆動信号を制御することを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記位置検出部が、前記磁界に含まれる前記共振磁界の磁界分布を真値とし、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に前記被検体内導入装置が在ると仮定した場合に該被検体内導入装置が形成する共振磁界の磁界分布を推定値の初期値とする最小二乗法を用いた収束計算によって前記位置および向きの少なくとも一方を検出することを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記位置検出部が、前記検出空間近傍に配置されたコイルが前記共振磁界によって誘導されることで生じた干渉磁界の成分を前記磁界から除去することで前記磁界を補正する干渉補正部を含み、前記干渉補正部が、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記磁界に含まれる前記共振磁界以外の磁界成分を前記磁界から除去することを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記検出空間近傍に配置されたコイルが、前記駆動磁界を発生する駆動コイルであることを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、前記被検体内導入装置が、該被検体内導入装置の筐体に固定された磁石を含み、前記誘導部が、前記磁石に作用するガイダンス磁界を発生するガイダンスコイルを含み、前記検出空間近傍に配置されたコイルが、前記ガイダンスコイルであることを特徴としている。
上記した本発明による位置検出システムは、複数の前記磁気センサと、前記複数の磁気センサのうち前記磁界の読出対象とする磁気センサを少なくとも1つ選択する選択部と、前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記選択部を制御する選択制御部と、を備えたことを特徴としている。
本発明による他の位置検出システムは、特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置と、前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成部と、前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサから検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出部と、前記位置検出部で検出された異なる時刻での前記位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測部と、前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界形成部と前記位置検出部とを制御する制御部と、を備えたことを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出システムは、前記駆動磁界形成部が、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルと、前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、該駆動信号生成部で生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替える切替部と、を含み、前記制御部が、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記切替部を制御することで前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替えることを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出システムは、前記駆動磁界形成部が、前記駆動磁界を発生する駆動コイルと、前記駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を含み、前記制御部が、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動信号生成部が生成する前記駆動信号を制御することを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出システムは、前記位置検出部が、前記磁界に含まれる前記共振磁界の磁界分布を真値とし、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に前記被検体内導入装置が在ると仮定した場合に該被検体内導入装置が形成する共振磁界の磁界分布を推定値の初期値とする最小二乗法を用いた収束計算によって前記位置および向きの少なくとも一方を検出することを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出システムは、前記位置検出部が、前記検出空間近傍に配置されたコイルが前記共振磁界によって誘導されることで生じた干渉磁界の成分を前記磁界から除去することで前記磁界を補正する干渉補正部を含み、前記干渉補正部が、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記磁界に含まれる前記共振磁界以外の磁界成分を前記磁界から除去することを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出システムは、前記検出空間近傍に配置されたコイルが、前記駆動磁界を発生する駆動コイルであることを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出システムは、複数の前記磁気センサと、前記複数の磁気センサのうち前記磁界の読出対象とする磁気センサを少なくとも1つを選択する選択部と、前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記選択部を制御する選択制御部と、を備えたことを特徴としている。
また、本発明による位置検出方法は、特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する誘導部を備えた位置検出システムによって、前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出方法であって、前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成ステップと、前記特定周波数の駆動磁界によって前記被検体内導入装置から前記共振磁界を発生させる共振磁界発生ステップと、前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁界検出ステップと、前記磁界検出ステップで検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を導出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップで導出された前記位置および向きの少なくとも一方と、前記誘導部が前記被検体内導入装置を前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する際の誘導情報とを用いて、前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測ステップと、前記予測ステップで予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界を制御する制御ステップと、を含むことを特徴としている。
上記した本発明による位置検出方法は、前記駆動磁界形成ステップが、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、該駆動信号生成ステップで生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかから選択する駆動コイル選択ステップと、前記駆動信号を前記駆動コイルに入力する駆動信号入力ステップと、を含み、前記制御ステップが、前記予測ステップによって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動コイル選択ステップで選択する駆動コイルを制御することを特徴としている。
また、本発明による他の位置検出方法は、特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を位置検出システムによって検出する位置検出方法であって、前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成ステップと、前記特定周波数の駆動磁界によって前記被検体内導入装置から前記共振磁界を発生させる共振磁界発生ステップと、前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁界検出ステップと、前記磁界検出ステップで検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップで検出された異なる時刻での前記位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測ステップと、前記予測ステップで予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界を制御する制御ステップと、を含むことを特徴としている。
上記した本発明による他の位置検出方法は、前記駆動磁界形成ステップが、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、該駆動信号生成ステップで生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかから選択する駆動コイル選択ステップと、前記駆動信号を前記駆動コイルに入力する駆動信号入力ステップと、を含み、前記制御ステップが、前記予測ステップによって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動コイル選択ステップで選択する駆動コイルを制御することを特徴としている。
本発明によれば、位置検出部で検出された位置および向きの少なくとも一方を用いて予測されたある時刻での被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方に基づいて、制御部が駆動磁界形成部を制御して、被検体内導入装置に共振磁界を発生させる駆動磁界を発生させるため、被検体内導入装置の位置や向きなどに変更が生じている場合でも予測した位置に基づいて適切な駆動磁界を発生させることが可能となり、この結果、正確な位置検出が可能な位置検出システムおよび位置検出方法を実現することが可能となる。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図は本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、したがって、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。また、各図では、構成の明瞭化のため、断面におけるハッチングの一部が省略されている。さらに、後述において例示する数値は、本発明の好適な例に過ぎず、したがって、本発明は例示された数値に限定されるものではない。
<実施の形態1>
以下、本発明の実施の形態1による位置検出磁気誘導システム1の構成および動作を、図面を用いて詳細に説明する。
以下、本発明の実施の形態1による位置検出磁気誘導システム1の構成および動作を、図面を用いて詳細に説明する。
(位置検出構成)
図1は、本実施の形態による位置検出システム1の概略構成を示す模式図である。図1に示すように、位置検出システム1は、被検体内導入装置としてのLCマーカ10が導入された被検体を収容する検出空間Kと、検出空間K内のLCマーカ10の位置および向き(姿勢または方向ともいう)を検出する外部装置200と、を備える。
図1は、本実施の形態による位置検出システム1の概略構成を示す模式図である。図1に示すように、位置検出システム1は、被検体内導入装置としてのLCマーカ10が導入された被検体を収容する検出空間Kと、検出空間K内のLCマーカ10の位置および向き(姿勢または方向ともいう)を検出する外部装置200と、を備える。
・LCマーカ
LCマーカ10は、図1に示すように、位置検出用の共振磁界を発生する共振磁界発生部11(図1参照)を有する。共振磁界発生部11は、並列接続されたキャパシタ(C)とインダクタ(L)とよりなるLC共振回路を含み、特定周波数の位置検出用の磁界、例えば共振周波数F0と略等しい周波数の位置検出用の磁界(以下、駆動磁界という)によってLC共振回路を励起することで、駆動磁界と等しい周波数の共振磁界を発生する。なお、共振周波数F0は、並列接続されたキャパシタ(C)とインダクタ(L)とによって決定されるLC共振回路の共振周波数である。
LCマーカ10は、図1に示すように、位置検出用の共振磁界を発生する共振磁界発生部11(図1参照)を有する。共振磁界発生部11は、並列接続されたキャパシタ(C)とインダクタ(L)とよりなるLC共振回路を含み、特定周波数の位置検出用の磁界、例えば共振周波数F0と略等しい周波数の位置検出用の磁界(以下、駆動磁界という)によってLC共振回路を励起することで、駆動磁界と等しい周波数の共振磁界を発生する。なお、共振周波数F0は、並列接続されたキャパシタ(C)とインダクタ(L)とによって決定されるLC共振回路の共振周波数である。
また、LCマーカ10は、例えばカプセル型医療装置としての機能を有していてもよい。この場合、LCマーカ10は、図2に示すように、例えば、LC共振回路111と、LCマーカ10内の各部を制御するLCマーカ制御部13と、LCマーカ制御部13が実行する各種プログラムや被検体内情報取得部14が取得した被検体内情報等を記憶するメモリ部12と、被検体内における各種情報を取得する被検体内情報取得部14と、被検体内情報取得部14が取得した被検体内情報を無線信号としてLCマーカ10外部へ送信する無線送信部15および送信用アンテナ15aと、外部装置200から無線信号として送信された各種操作指示等を受信する無線受信部16および受信用アンテナ16aと、LCマーカ10内の各部に電力を供給する内部電源17と、を含む。なお、図2は、本実施の形態によるLCマーカ10の概略構成例を示すブロック図である。
上記構成において、被検体内情報取得部14は、例えば被検体内情報としての被検体内画像を取得する撮像部142と、撮像部142で被検体内を撮像する際に被検体内を照明する照明部141と、撮像部142で取得された被検体内画像に所定の信号処理を実行する信号処理部143と、を有する。
撮像部142は、例えば図3に示すように、入射した光を電気信号に変換して像を形成する撮像素子142aと、撮像素子142aの受光面側に配設された対物レンズ142cと、撮像素子142aを駆動する不図示の撮像素子駆動回路と、を有する。なお、図3は、本実施の形態によるLCマーカ10の概略構成例を示す外観図である。
図3に示すように、撮像素子142aには、例えばCCD(Charge Coupled Device)カメラやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)カメラなどを用いることができる。撮像素子駆動回路は、LCマーカ制御部13からの制御のもと、撮像素子142aを駆動してアナログ信号の被検体内画像を取得する。また、撮像素子駆動回路は、撮像素子142aから読み出したアナログ信号の被検体内画像を信号処理部143へ出力する。
また、図3に示すように、照明部141は、複数の光源141Aと、各光源141Aを駆動する不図示の光源駆動回路と、を有する。各光源141Aには、例えばLED(Light Emitting Diode)などを用いることができる。光源駆動回路は、LCマーカ制御部13からの制御のもと、撮像部142の駆動に合わせて光源141Aを駆動することで、被検体内を照明する。
LCマーカ10は、永久磁石Mを備える。永久磁石Mは、LCマーカ10の筐体18に対して固定されている。したがって、移動目標の位置や向きに応じてLCマーカ10自体の位置や向きを誘導することを目的として検出空間K内に形成された磁界(以下、ガイダンス磁界という)がLCマーカ10の永久磁石Mに作用することで、LCマーカ10の位置や向きを外部から制御することが可能となる。
なお、上記した各部(11、12、13、14、15、15a、16、16a、17およびM)は、例えばカプセル型の筐体18内に収納される。例えば図3に示すように、筐体18は、一方の端が半球状のドーム形状をしており他方の端が開口された略円筒形状または半楕円球状の形状の容器18aと、半球形状を有し、容器18aの開口に嵌められることで筐体18内を封止するキャップ18bと、よりなる。この筐体18は、例えば被検体が飲み込める程度の大きさである。また、本実施の形態では、少なくともキャップ18bが透明な材料で形成される。上述した光源141Aは、上述の光源駆動回路(不図示)を搭載する回路基板141B上に実装される。同様に、撮像素子142aおよび対物レンズ142cは、撮像素子駆動回路(不図示)を搭載する回路基板(不図示)上に実装される。光源141Aを実装する回路基板141Bおよび撮像素子142aを実装する回路基板は、筐体18内における透明なキャップ18b側に配置される。この際、各回路基板における素子搭載面は、キャップ18b側に向けられる。したがって、撮像素子142aおよび光源141Aの撮像/照明方向は、図3に示すように、透明なキャップ18bを介してLCマーカ10外へ向けられる。
・検出空間
図1に戻り説明する。検出空間Kには、検出空間K内にそれぞれ異なる方向の略均一な駆動磁界を形成する駆動コイルD_x、D_yおよびD_z(以下、任意の駆動コイルの符号をDとする)と、検出空間K内にそれぞれ異なる方向のガイダンス磁気を形成するガイダンスコイルG_x、G_yおよびG_z(以下、任意のガイダンスコイルの符号をGとする)と、LCマーカ10のLC共振回路111が発生した共振磁界を検出する複数のセンスコイルS_1、S_2、…(以下、任意のセンスコイルの符号をSとする)と、が配設される。
図1に戻り説明する。検出空間Kには、検出空間K内にそれぞれ異なる方向の略均一な駆動磁界を形成する駆動コイルD_x、D_yおよびD_z(以下、任意の駆動コイルの符号をDとする)と、検出空間K内にそれぞれ異なる方向のガイダンス磁気を形成するガイダンスコイルG_x、G_yおよびG_z(以下、任意のガイダンスコイルの符号をGとする)と、LCマーカ10のLC共振回路111が発生した共振磁界を検出する複数のセンスコイルS_1、S_2、…(以下、任意のセンスコイルの符号をSとする)と、が配設される。
各駆動コイルD_x、D_yおよびD_zは、それぞれ検出空間Kを挟んで対向する不図示の駆動コイルと対をなし、それぞれ検出空間K内に略均一な駆動磁界を形成する。例えば、駆動コイルD_xおよびこれと対をなす駆動コイルは、検出空間K内にx軸方向の略均一な磁力線の駆動磁界を形成する。同様に、駆動コイルD_yおよびこれと対をなす駆動コイルは、検出空間K内にy軸方向の略均一な磁力線の駆動磁界を形成し、駆動コイルD_zおよびこれと対をなす駆動コイルは、検出空間K内にz軸方向の略均一な磁力線の駆動磁界を形成する。ただし、これに限定されず、x軸、y軸およびz軸と平行でない磁力線の駆動磁界を形成する駆動コイルを設けてもよい。また、以下では、説明の簡略化のため、図示されている方の駆動コイルDに着目する。
以上のように、異なる方向の駆動磁界を形成できる複数の駆動コイルDを設けることで、LCマーカ10の位置や向きに応じて最適な駆動磁界を形成する駆動コイルDを選択して駆動することが可能となる。この結果、LCマーカ10のLC共振回路111(特にインダクタ(L))が検出空間K内において如何なる方向を向いたとしても安定した強度の共振磁界をLC共振回路111に発生させることが可能となり、これにより、LCマーカ10の位置検出精度を改善することが可能となる。
また、各ガイダンスコイルG_x、G_yおよびG_zは、それぞれ検出空間Kを挟んで対向する不図示のガイダンスコイルと対をなし、それぞれLCマーカ10(特に永久磁石M)の位置や向きに応じてLCマーカ10を目標とする位置や向きへ誘導するためのガイダンス磁界を検出空間K内に形成する。なお、以下では、説明の簡略化のため、図示されている方のガイダンスコイルGに着目する。
また、各センスコイルSは、例えばy軸方向の磁界の強度および方向を検出可能なコイルよりなる磁気センサである。ただし、これに限定されず、例えば磁気抵抗素子や磁気インピーダンス素子(MI素子)などよりなる磁気センサを用いて各センスコイルSを構成してもよい。また、各センスコイルSを、x軸、y軸およびz軸のうち少なくとも2軸方向の磁界強度を検出する2軸/3軸磁気センサなどで構成することも可能である。
なお、センスコイルSは、例えば検出空間K内またはその近傍に配設された不図示の回路基板に実装される。この回路基板は、駆動コイルDおよびガイダンスコイルGの少なくとも一方が発生した磁界の影響を受け難く且つLC共振回路111が発生した共振磁界を入力し易い位置に配置される。これにより、不要な磁界の影響が低減されるため、LCマーカ10の精確な位置および向きを導出することが可能となる。例えば、回路基板は、LCマーカ10が導入される被検体が載置される載置台(不図示)の下側や(図1参照)、検出空間K上方の天井に固定される。
・外部装置
また、外部装置200は、駆動コイルDの駆動に用いる信号(以下、駆動信号という)を出力する駆動コイル駆動部220と、ガイダンスコイルGの駆動に用いる信号(以下、ガイダンス信号という)を出力するガイダンスコイル駆動部230と、センスコイルSより読み出した電圧変化(以下、これを検出信号という)からLCマーカ10の位置および向きの情報(以下、単に位置・向きという)を導出する位置検出部210と、外部装置200内の各部を制御する制御部201と、制御部201が各部を制御する際に実行する各種プログラムおよびパラメータ等を記憶するメモリ部202と、操作者がLCマーカ10に対する各種操作指示やLCマーカ10の誘導目標とする位置や向きを入力する操作入力部203と、位置検出部210で導出されたLCマーカ10の位置や向きおよびLCマーカ10から取得した被検体内情報を画像(映像を含む)や音声で表示する表示部204と、LCマーカ10から無線信号として送信された被検体内情報等を受信する無線受信部205と、LCマーカ10へ撮像指示などの各種操作指示を無線信号として送信する無線送信部206と、を備える。
また、外部装置200は、駆動コイルDの駆動に用いる信号(以下、駆動信号という)を出力する駆動コイル駆動部220と、ガイダンスコイルGの駆動に用いる信号(以下、ガイダンス信号という)を出力するガイダンスコイル駆動部230と、センスコイルSより読み出した電圧変化(以下、これを検出信号という)からLCマーカ10の位置および向きの情報(以下、単に位置・向きという)を導出する位置検出部210と、外部装置200内の各部を制御する制御部201と、制御部201が各部を制御する際に実行する各種プログラムおよびパラメータ等を記憶するメモリ部202と、操作者がLCマーカ10に対する各種操作指示やLCマーカ10の誘導目標とする位置や向きを入力する操作入力部203と、位置検出部210で導出されたLCマーカ10の位置や向きおよびLCマーカ10から取得した被検体内情報を画像(映像を含む)や音声で表示する表示部204と、LCマーカ10から無線信号として送信された被検体内情報等を受信する無線受信部205と、LCマーカ10へ撮像指示などの各種操作指示を無線信号として送信する無線送信部206と、を備える。
さらに、外部装置200は、位置検出部210で導出されたLCマーカ10の位置・向きと、ガイダンスコイル駆動部230がガイダンスコイルGを用いてLCマーカ10を誘導する誘導情報(後述するガイダンス情報に相当)と、からLCマーカ10のある時刻(タイミングともいう)での位置および向きを予測する予測部としての位置・方向予測部215を備える。
制御部201は、例えばCPUやMPUなどで構成され、メモリ部202から読み出したプログラムおよびパラメータに従って、外部装置200内の各部を制御する。また、メモリ部202は、例えばRAMやROMなどで構成され、制御部201が各部を制御する際に実行するプログラムおよびパラメータを保持する。このメモリ部202には、LCマーカ10から受信した被検体内情報や位置検出部210が導出したLCマーカ10の位置や向き等の情報が適宜格納される。
また、メモリ部202には、後述する駆動情報と補正量とキャリブレーション情報とガイダンス情報とが適宜格納されている。駆動情報は、例えば位置・向きに対応づけてメモリ部202において管理される。補正量は、例えば位置・向きに対応づけてメモリ部202において管理される。キャリブレーション情報は、例えば駆動情報と対応づけてメモリ部202において管理される。ガイダンス情報は、例えば位置・向きに対応づけてメモリ部202において管理される。
さらに、メモリ部202には、LCマーカ10の位置・向きが後述する共振磁界の情報に対応づけて管理されていてもよい。これにより、後述するキャリブレーション処理によって抽出した共振磁界の情報から容易かつ迅速にLCマーカ10の位置・向きを導出することが可能となる。ただし、本発明はこれに限定されず、抽出した共振磁界の情報から逐次LCマーカ10の位置・向きを導出するように構成してもよい。
操作入力部203は、例えばキーボードやマウスやテンキーやジョイスティックなどで構成され、撮像指示(その他の被検体内情報取得指示を含む)などのLCマーカ10に対する各種操作指示や、LCマーカ10の誘導目標とする位置や向きや、表示部204に表示する画面を切り替える画面切替指示などを、操作者が入力するための構成である。なお、表示部204に表示する画面の切替機能は、LCマーカ10が複数の撮像部142を備えている場合に有効である。
表示部204は、例えば液晶ディスプレイやプラズマディスプレイやLEDアレイなどの表示装置で構成され、LCマーカ10の位置や向き等の情報やLCマーカ10から送信された被検体内画像等の被検体内情報を表示する。また、表示部204には、スピーカなどを用いた音声再生機能を搭載していてもよい。表示部204は、この音声再生機能を用いて各種操作ガイダンスやLCマーカ10のバッテリ残量などについての情報(警告等を含む)を操作者に音で報知する。
無線受信部205は、検出空間Kに近接して配置されたダイポールアンテナなどよりなる不図示の受信用アンテナに接続されている。この受信用アンテナは、例えば検出空間K近傍に配置される。無線受信部205は、受信用アンテナを介してLCマーカ10から無線信号として送信された被検体内画像等を受信し、受信した信号にフィルタリング、ダウンコンバート、復調および復号化などの種々の処理を実行した後、これを制御部201へ出力する。
無線送信部206は、検出空間Kに近接して配置されたダイポールアンテナなどよりなる不図示の送信用アンテナに接続されている。この送信用アンテナは、例えば検出空間K近傍に配置される。無線送信部206は、制御部201から入力されたLCマーカ10に対する各種操作指示などの信号に、送信用の基準周波数信号への重畳や変調やアップコンバートなどの種々の処理を実行した後、これを電波信号として送信用アンテナからLCマーカ10へ送信する。
また、図1における駆動コイル駆動部220と駆動コイルDとは、検出空間K内に位置検出用の駆動磁界を形成する駆動磁界形成部として機能する。このうち、駆動コイル駆動部220は、例えば、駆動信号を生成する駆動信号生成部221と、駆動信号の入力先駆動コイルDを何れかの駆動コイルDに切り替える切換部としての駆動コイル切替部222と、を含む。
駆動信号生成部221は、例えば、制御部201から入力された制御信号に従って、LCマーカ10におけるLC共振回路111の共振周波数F0と略等しい周波数の信号波形を算出し、この信号波形を用いて共振周波数F0に略等しい周波数の駆動信号を生成する。また、駆動信号生成部221は、生成した駆動信号を電流増幅した後、増幅後の駆動信号を駆動コイル切替部222へ出力する。
駆動コイル切替部222は、制御部201からの制御の下、駆動信号の入力先を複数の駆動コイルDの中から何れかの対をなす駆動コイルDに切り替える。このように選択された駆動コイルDに駆動信号生成部221から出力された駆動信号が入力されることで、検出空間K内にLC共振回路111を励起させる最適な駆動磁界が形成される。
なお、制御部201は、後述する位置・方向予測部215によって予測されたLCマーカ10の位置および向き(以下、予測位置・向きという)に基づいて、駆動コイル切替部222を駆動制御する。言い換えれば、制御部201は、予測位置・向きに基づいて、駆動コイル切替部222を駆動制御するための情報(後述する駆動情報に相当)を切り替え、この駆動情報に従って駆動コイル駆動部220を駆動制御する。これにより、LCマーカ10が予測位置・向きにある場合に最適となる駆動磁界を形成することが可能な駆動コイルDが選択されて、これに駆動信号が入力されるため、検出空間K内に最適な駆動磁界を形成することが可能となる。なお、駆動情報とは、駆動磁界を発生させる際に駆動する駆動コイルDの識別情報やこの駆動コイルDに入力する駆動信号の振幅値および位相などの情報である。
また、図1におけるセンスコイルSおよび位置検出部210は、駆動コイルDと駆動コイル駆動部220とからなる駆動磁界形成部が形成した駆動磁界に応じてLCマーカ10が発生した共振磁界を用いてLCマーカ10の位置や向きを導出する。このうち、位置検出部210は、例えば、信号検出部211と、磁界の読み出しに用いる磁気センサを選択する選択部としてのセンスコイル選択部212と、干渉補正部213と、位置情報演算部214と、を含む。
センスコイル選択部212は、例えば、制御部201からの制御の下、信号検出部211が検出信号の読み出し対象とするセンスコイルSを複数のセンスコイルSの中から選択する。制御部201は、センスコイル選択部212を制御する選択制御部としての機能も有する。なお、制御部201は、例えば2次元配列された複数のセンスコイルSのうち読出対象とする1つ以上のセンスコイルSから検出信号が読み出されるようにセンスコイル選択部212を制御する。
信号検出部211は、定期的または不定期に、センスコイルSに生じた電圧変化を検出信号として読み出し、読み出した検出信号に適宜、増幅、帯域制限、A/D変換、および、高速フーリエ変換(FFT)などの処理を実行することで、選択中のセンスコイルSに入力された磁界の情報を示すデータ(以下、これをFFTデータまたは検出値という)を生成する。なお、各センスコイルSから読み出した検出信号は、各センスコイルSが配置された位置における磁界の強度や位相などの磁界情報を電圧の変化で表した信号である。また、FFTデータは、センスコイルSから読み出した検出信号に含まれる磁界情報を強度と位相との成分よりなる情報に変換したデータである。このように生成されたFFTデータは、例えばセンスコイル選択部212を介して干渉補正部213に入力される。
干渉補正部213は、センスコイル選択部212を介して入力されたFFTデータからこれに含まれる共振磁界以外の磁界成分、すなわち干渉磁界などの不要な磁界の成分(情報ともいう)を除去する。
ここで、FFTデータに含まれる不要な磁界には、検出空間Kの近傍に配置されたコイル(駆動コイルDやガイダンスコイルGなど)がLC共振回路111からの共振磁界によって干渉されることで発生した、共振磁界に対して略180°の位相差を持つ磁界(干渉磁界)が含まれる。そこで本実施の形態では、直前に位置情報演算部214から制御部201に入力された予測位置・向きに応じた補正量を用いてFFTデータから不要な磁界の成分を除去する。以下、これを補正処理という。
上記のような補正量は、例えば、駆動コイルDおよびガイダンスコイルGそれぞれに流れる電流を検出する電流検出部を設け、これによって検出された電流値から各駆動コイルDおよびガイダンスコイルGそれぞれが発生した干渉磁界の情報(これもFFTデータである)をシミュレーションすることや実測によって予め求めておくことで取得することができる。また、取得しておいた補正量は、位置や向きに対応づけてLUT(ルックアップテーブル)などに登録され、例えばメモリ部202に格納される。
また、位置検出時の補正処理では、制御部201が、直前に位置情報演算部214から入力された位置・向き(すなわち、前回の位置・向き)を用いてメモリ部202内のLUTを参照することで、前回、位置情報演算部214から入力された位置・向きに対応づけられた補正量を取得し、これを干渉補正部213に入力する。干渉補正部213は、センスコイル選択部212を介して入力されたFFTデータと制御部201から入力された補正量とを用いて補正処理を実行することで、FFTデータから干渉磁界の成分を除去する。
ただし、これに限定されず、位置や向きに応じた補正用のパラメータを予めLUTに登録しておき、適宜、予測位置・向きを用いてLUTを参照することで取得された補正用のパラメータを用いてFFTデータから位置・向きを導出するように構成してもよい。
以上のように補正されたFFTデータは、位置情報演算部214に入力される。位置情報演算部214は、入力された補正後のFFTデータに対して所定の演算処理を実行することで、補正後のFFTデータからLCマーカ10の位置・向きを導出する。以下、この処理を、位置導出処理という。
ただし、補正後のFFTデータには、LC共振回路111が発生した共振磁界の他に、駆動磁界も含まれる。ここで図4に示すように、LCマーカ10が発生する共振磁界(以下、強度および位相を示す平面空間に展開した共振磁界のベクトルをF_resoという)は、駆動磁界(以下、強度および位相を示す平面空間に展開した駆動磁界のベクトルをF_drivという)に対して90°の位相差を有する。したがって、補正後のFFTデータに含まれる磁界(以下、これを合成磁界とし、強度および位相を示す平面空間に展開した合成磁界のベクトルをF_dtctという)から駆動磁界F_drivを除去して共振磁界F_resoを取り出すためには、合成磁界F_dtctから駆動磁界F_drivに対して90°の位相差を有するベクトル成分を抽出する必要がある。なお、図4は、本実施の形態における駆動磁界と合成磁界と誘導磁界との関係を示す図である。
そこで本実施の形態では、検出空間K内にLCマーカ10(すなわちLC共振回路111)が導入されていない状態で駆動コイルDを駆動して検出空間K内に駆動磁界を形成し、この状態で実際にセンスコイルSや検出空間K内に配置された不図示の磁界センサで検出された駆動磁界F_drivの位相成分(以下、これをキャリブレーション情報という)を予め導出しておく。また、導出したキャリブレーション情報を、例えば駆動情報に対応づけてLUT(ルックアップテーブル)などに保持しておく。位置検出時の処理(後述する位置検出処理に相当)では、制御部201が駆動コイル駆動部220を駆動した際の駆動情報を位置情報演算部214に入力し、位置情報演算部214が制御部201から入力された駆動情報を用いてLUTを参照して合成磁界F_dtctから除去すべき駆動磁界F_drivの位相を取得し、この位相に基づいて補正後のFFTデータから共振磁界F_resoを抽出する。以下、補正後のFFTデータ、すなわち合成磁界F_dtctから駆動磁界F_drivを除去する処理をキャリブレーション処理という。その後、制御部201は、位置情報演算部214を駆動して位置導出処理を実行することで、抽出した共振磁界F_resoからLCマーカ10の位置を導出する。
以上のような補正処理、キャリブレーション処理および位置導出処理を経て導出された位置・向きは、後述するガイダンスコイル駆動部230と位置・方向予測部215と制御部201とにそれぞれ入力される。
また、図1におけるガイダンスコイル駆動部230とガイダンスコイルGとは、目標とする位置および向き(以下、単に目標位置・向きという)へLCマーカ10を誘導するためのガイダンス磁界を検出空間K内に形成して、LCマーカ10を目的とする位置および向きへ誘導する誘導部として機能する。
ガイダンスコイル駆動部230は、例えば、位置情報演算部214において導出されたLCマーカ10の位置・向きと制御部201から入力された目標位置・向きとに基づいて、LCマーカ10を目標位置・向きへ誘導するための情報(以下、これをガイダンス情報という)を取得し、このガイダンス情報に基づいて共振周波数F0と異なる周波数の信号波形を1つ以上生成し、この信号波形を用いて1つ以上のガイダンスコイルGに入力するガイダンス信号を適宜生成する。また、ガイダンスコイル駆動部230は、生成したガイダンス信号を適宜電流増幅した後、増幅後のガイダンス信号を該当するガイダンスコイルGへ出力する。これにより、LCマーカ10を目標位置・向きへ誘導するためのガイダンス磁界が検出空間K内に形成される。さらに、ガイダンスコイル駆動部230は、取得したガイダンス情報を位置・方向予測部215に入力する。
なお、目標とするLCマーカ10の位置・向きは、例えば、操作者が操作入力部203を用いて外部装置200に入力する。また、操作者は、操作入力部203を用いてLCマーカ10に被検体内情報の取得指示などを入力することも可能である。
また、ガイダンス情報には、目標とする位置および向き(目標位置・向き)や、目標とするLCマーカ10の速度および角速度(目標速度・角速度)や、目標とするLCマーカ10の加速度および角加速度(目標加速度・角加速度)など、種々の情報を用いることができる。以下では、目標位置・向きを用いた場合と、目標速度・角速度を用いた場合と、目標加速度・角加速度を用いた場合との3つのケースについて例を挙げる。
さらに、ガイダンス情報は、例えば、入力されたLCマーカ10の位置・向きおよび目標位置・向きに対応づけてLUTなどに予め登録される。ただし、これに限定されず、例えば入力されたLCマーカ10の位置・向きと目標位置・向きとから求まる、LCマーカ10へ要求する移動量および姿勢の変化量をベクトルで表したものに、ガイダンス情報を対応づけて、予めLUT等に登録しておいてもよい。
位置・方向予測部215は、位置情報演算部214から入力されたLCマーカ10の位置・向きとガイダンスコイル駆動部230から入力されたガイダンス情報とを用いて、時間軸上における1つ以上のタイミングでのLCマーカ10の位置・向きを予測する。以下、この処理を位置・方向予測処理という。ここで、時間軸上における1つ以上のタイミングとは、現在に対する、過去、現在または未来の時刻である。すなわち、位置・方向予測部215は、入力されたLCマーカ10の位置・向きとガイダンス情報とを用いて任意のタイミングでのLCマーカ10の位置・向きを予測することができる。なお、本実施の形態において、位置・方向予測部215がLCマーカ10の位置・向きを予測する期間は、例えばガイダンス情報によってLCマーカ10を誘導する期間であるが、本発明はこれに限定されず、例えば過去の位置・向きならびにガイダンス情報から計算、シミュレーションまたは経験的に、任意のタイミングのLCマーカ10の位置・向きを予測するように構成することもできる。
例えばガイダンス情報として目標位置・向きを用いる場合、位置・方向予測部215には、位置情報演算部214で導出された最新の位置検出結果(最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0))が、位置検出を行った時刻(これを位置検出時刻T0とする)と共に入力される。また、位置・方向予測部215には、操作者から入力された目標位置・向き(これを目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)とする)も制御部201を介して入力される。位置・方向予測部215は、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)ならびに位置検出時刻T0と目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)とから、LCマーカ10が目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)に達する時刻(これを到達時刻Tとする)を導出する。この到達時刻Tは、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)から目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)までの距離や角度と、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)の導出を行った位置検出時刻T0とから、経験的またはシミュレーション等によって導出することが可能である。
また、位置・方向予測部215は、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)ならびに位置検出時刻T0と目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)ならびに到達時刻Tとを用いて、位置検出時刻T0から到達時刻Tまでのある時刻(以下、これを予測時刻T1とする)におけるLCマーカ10の位置・向き(以下、これを予測位置・向き(X1,Y1,Z1,θ1,φ1)とする)を導出する。具体的には、以下の式1~式5を用いて、予測時刻T1におけるLCマーカ10の予測位置・向き(X1,Y1,Z1,θ1,φ1)を導出することができる。なお、予測時刻T1は、位置検出時刻T0を計時開始時刻としたときの経過時間に相当するものとする。
また、例えばガイダンス情報として目標速度・角速度を用いる場合、位置・方向予測部215には、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)と位置検出時刻T0との他に、ガイダンスコイル駆動部230において最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)と目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)とに基づいて導出された目標とするLCマーカ10の速度および角速度(目標速度・角速度(VX,VY,VZ,ωθ,ωφ))が入力される。位置・方向予測部215は、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)ならびに目標速度・角速度(VX,VY,VZ,ωθ,ωφ)とから、予測時刻T1におけるLCマーカ10の予測位置・向き(X1,Y1,Z1,θ1,φ1)を導出する。具体的には、以下の式6~式10を用いて、予測時刻T1におけるLCマーカ10の予測位置・向き(X1,Y1,Z1,θ1,φ1)を導出することができる。なお、目標速度・角速度(VX,VY,VZ,ωθ,ωφ)は、操作入力部203から操作者により直接入力されてもよい。
また、例えばガイダンス情報として目標加速度・角加速度を用いる場合、位置・方向予測部215には、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)と位置検出時刻T0との他に、ガイダンスコイル駆動部230において最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)と目標位置・向き(X,Y,Z,θ,φ)とに基づいて導出された目標とするLCマーカ10の加速度および角加速度(目標加速度・角加速度(AX,AY,AZ,Aθ,Aφ))が入力される。位置・方向予測部215は、最新の位置・向き(X0,Y0,Z0,θ0,φ0)ならびに目標加速度・角加速度(AX,AY,AZ,Aθ,Aφ)とから、予測時刻T1におけるLCマーカ10の予測位置・向き(X1,Y1,Z1,θ1,φ1)を導出する。具体的には、以下の式11~式15を用いて、予測時刻T1におけるLCマーカ10の予測位置・向き(X1,Y1,Z1,θ1,φ1)を導出することができる。なお、目標加速度・角加速度(AX,AY,AZ,Aθ,Aφ)は、操作入力部203から操作者により直接入力されてもよい。
以上のようにして導出された予測位置・向きは、制御部201に入力される。制御部201は、入力された予測位置・向きに基づいて駆動コイル駆動部220を駆動制御することで、LCマーカ10の予測位置・向きに対して最適な駆動磁界を検出空間K内に形成する。ここで、予測位置・向きに基づいて検出空間K内に駆動磁界を形成する場合と、直前に導出された位置検出結果(すなわち、1つ前のタイミングにおける位置・向き)に基づいて検出空間K内に駆動磁界を形成する場合とについて、図5および図6を用いて詳細に説明する。なお、図5は、直前に導出された位置検出結果(すなわち、1つ前のタイミングにおける位置・向き)に基づいて検出空間K内に駆動磁界を形成する場合を説明するための図である。また、図6は、予測位置・向きに基づいて検出空間K内に駆動磁界を形成する場合を説明するための図である。
直前に導出された位置検出結果に基づいて検出空間K内に駆動磁界を形成する場合では、まず、図5(a)に示すように、タイミングt100において、直前の位置検出処理によって得られた位置・向き(すなわち、最新の位置・向き)がP0であり、LCマーカ10の実際の位置・向きがRP1であり、この際に、最新の位置・向きP0に基づいて選択される最適な駆動磁界を発生する駆動コイルDと、LCマーカ10の実際の位置・向きRP1に基づいて選択されるべき最適な駆動磁界を発生する駆動コイルDとが、共に駆動コイルD1であるとする。この場合、LCマーカ10の実際の位置・向きRP1に対して最適な駆動コイルDと現実に選択される駆動コイルDとが同じである。このため、このタイミングt100での位置検出処理によって導出される位置・向きP100は、実際のLCマーカ10の位置・向きRP1と略同じ位置・向きとなる(P100≒RP1)。
また、図5(b)に示すように、次のタイミングt200では、タイミングt100からタイミングt200にかけてのLCマーカ10の移動方向および姿勢変更に大きな変化がなければ、基本的にはタイミングt100と同様に、最新の位置・向きP100に基づいて選択される最適な駆動コイルDと、LCマーカ10の実際の位置・向きRP2に基づいて選択されるべき最適な駆動コイルDとが、共に駆動コイルD1となる。このため、LCマーカ10の実際の位置・向きRP2に対して最適な駆動コイルDと現実に選択される駆動コイルDとが同じとなり、結果、導出される位置・向きP200が実際のLCマーカ10の位置・向きRP2と略同じ位置・向きとなる(P200≒RP2)。
しかしながら、図5(c)に示すように、次のタイミングt300では、タイミングt200からタイミングt300にかけてのLCマーカ10の移動方向および姿勢変更に大きな変化があるため、最新の位置・向きP200に基づいて選択される最適な駆動コイル(駆動コイルD1)と、LCマーカ10の実際の位置・向きRP3に基づいて選択されるべき最適な駆動コイル(駆動コイルD2)とが異なってしまう。このため、タイミングt300での位置検出処理によって導出される位置・向きP300が、実際のLCマーカ10の位置・向きRP3と大きく異なる場合(P300≠RP3)が存在する。
一方、本実施の形態のように、予測位置・向きに基づいて検出空間K内に駆動磁界を形成する場合では、図6(a)に示すように、タイミングt1において、直前の位置検出処理によって得られた最新の位置・向きがP0であり、最新の位置・向きP0から予測されるLCマーカ10の予測位置・向きがPP0であり、LCマーカ10の実際の位置・向きがRP1であり、この際に、最新の位置・向きP0からガイダンス情報に従って予測された予測位置・向きPP0に基づいて選択される最適な駆動磁界を発生する駆動コイルDと、LCマーカ10の実際の位置・向きRP1に基づいて選択されるべき最適な駆動磁界を発生する駆動コイルDとが、共に駆動コイルD1であるとする。この場合、LCマーカ10の実際の位置・向きRP1に対して最適な駆動コイルDと現実に選択される駆動コイルDとが同じである。このため、このタイミングt1での位置検出処理によって導出される位置・向きP1は、実際のLCマーカ10の位置・向きRP1と略同じ位置・向きとなる(P1≒RP1)。
また、図6(b)に示すように、次のタイミングt2では、タイミングt1からタイミングt2にかけてのLCマーカ10の移動方向および姿勢変更に大きな変化がなければ、基本的にはタイミングt1と同様に、最新の位置・向きP1からガイダンス情報に従って予測されたLCマーカ10の予測位置・向きPP1に基づいて選択される最適な駆動コイルDと、LCマーカ10の実際の位置・向きRP2に基づいて選択されるべき最適な駆動コイルDとが、共に駆動コイルD1となる。このため、LCマーカ10の実際の位置・向きRP2に対して最適な駆動コイルDと現実に選択される駆動コイルDとが同じとなり、結果、導出される位置・向きP2が実際のLCマーカ10の位置・向きRP2と略同じ位置・向きとなる(P2≒RP2)。
さらに、図6(c)に示すように、次のタイミングt3では、タイミングt2からタイミングt3にかけてのLCマーカ10の移動方向および姿勢変更に大きな変化があるが、位置・方向予測部215を用いてタイミングt3でのLCマーカ10の位置・向きを予測しているため、最新の位置・向きP2からガイダンス情報に従って予測されたLCマーカ10の予測位置・向きPP2に基づいて選択される最適な駆動コイルDと、LCマーカ10の実際の位置・向きRP3に基づいて選択されるべき最適な駆動コイルDとを、共に駆動コイルD2とすることができる。これにより、LCマーカ10の実際の位置・向きRP3に対して最適な駆動コイルDと現実に選択される駆動コイルDとが同じとなり、結果、導出される位置・向きP3が実際のLCマーカ10の位置・向きRP3と略同じ位置・向きとなる(P3≒RP3)。
このように、本実施の形態では、位置・方向予測部215を用いて、ガイダンス磁界を用いた誘導によるLCマーカ10の移動および姿勢変更をトレースするように1つ以上のタイミングでのLCマーカ10の位置・向きを予測し、この予測した位置および向きに基づいて検出空間K内に最適な駆動磁界を形成する駆動コイルDを制御部201が選択して駆動することで、LCマーカ10に良好な共振磁界を安定して発生させることが可能となる。この結果、位置検出システム1の位置検出精度を向上することが可能となる。
(動作)
次に、本実施の形態による位置検出システム1が実行する位置検出処理について、図面を用いて詳細に説明する。図7は、本実施の形態による位置検出処理の概略を示すフローチャートである。なお、以下では、外部装置200内の各部を駆動制御する制御部201の動作に着目して説明する。
次に、本実施の形態による位置検出システム1が実行する位置検出処理について、図面を用いて詳細に説明する。図7は、本実施の形態による位置検出処理の概略を示すフローチャートである。なお、以下では、外部装置200内の各部を駆動制御する制御部201の動作に着目して説明する。
図7に示すように、本実施の形態による位置検出処理では、制御部201は、まず、駆動コイル駆動部220を初期設定に基づいて駆動することで、検出空間K内に駆動磁界を形成する(ステップS101:駆動磁界発生ステップ)。駆動磁界を形成するにあたっては、駆動コイルDに入力すべき特定周波数の駆動信号を駆動信号生成部221によって生成する駆動信号生成ステップと、駆動信号生成ステップで生成された駆動信号を入力すべき駆動コイルDを、駆動コイル切替部222によって複数の駆動コイルDの何れかから選択する駆動コイル選択ステップと、駆動信号を駆動コイルDに入力する駆動信号入力ステップとがこの順番で行われる。駆動磁界の形成に伴って、LCマーカ10から共振磁界が発生する(共振磁界発生ステップ)。
続いて、制御部201は、センスコイル選択部212を駆動してセンスコイルS_1、S_2、…を選択することで、選択したセンスコイルSの検出信号を信号検出211に読み出させ(磁界検出ステップ)、各センスコイルSより読み出した検出信号から信号検出部211が生成したFFTデータを干渉補正部213へ入力する(ステップS102)。ここで、信号検出部211は、例えば定期的に各センスコイルSから検出信号を読み出し、この検出信号に所定の信号処理を実行することでFFTデータを生成している。また、ステップS102において制御部201がセンスコイル選択部212に選択させるセンスコイルSは、すべてのセンスコイルSである必要はなく、一部のセンスコイルSのみであってもよい。
次に制御部201は、干渉補正部213を駆動することで、信号検出部211から出力されたFFTデータを補正する(ステップS103:補正処理)。具体的には、制御部201は、直前に位置情報演算部214から入力された位置・向き(すなわち前回の位置・向き)を用いてメモリ部202を参照することで、位置・向きに応じた補正量を取得し、これを用いてFFTデータを補正する。これにより、FFTデータに含まれる干渉磁界が除去される。なお、補正後のFFTデータは、位置情報演算部214に入力される。
次に制御部201は、位置情報演算部214を駆動することで、補正後のFFTデータからLCマーカ10の位置・向きを導出する(ステップS104(位置検出ステップ):キャリブレーション処理および位置導出処理)。具体的には、上述したキャリブレーション処理によりFFTデータに含まれる駆動磁界の成分を除去して共振磁界の成分を抽出し、続いて位置導出処理により抽出した共振磁界の成分を用いてLCマーカ10の位置・向きを導出する。なお、導出された位置・向きは、ガイダンスコイル駆動部230と位置・方向予測部215とに入力される。本実施の形態によるガイダンスコイル駆動部230は、位置情報演算部214から入力された最新の位置・向きと、制御部201から入力された目標位置・向きとに基づいて、検出空間K内にガイダンス磁界を形成することで、LCマーカ10を目標位置・向きへ誘導する。
また、次に制御部201は、位置・方向予測部215を駆動することで、例えば次にステップS102を実行するタイミングにおけるLCマーカ10の位置・向きを予測する(ステップS105(予測ステップ):位置・方向予測処理)。なお、位置・方向予測部215には、ガイダンスコイル駆動部230から、適宜または定期的に、ガイダンス情報が入力される。したがって、位置・方向予測部215は、ステップS104の結果、位置情報演算部214から入力される最新の位置・向きと、適宜または定期的にガイダンスコイル駆動部230から入力されるガイダンス情報とに基づいて、次にステップS102を実行するタイミングにおけるLCマーカ10の位置・向きを予測する。また、予測位置・向きは、制御部201に入力される。
次に制御部201は、ステップS105において入力された予測位置・向きに基づいて駆動コイル駆動部220を駆動することで、LCマーカ10が予測位置・向きにある場合に最適となる駆動磁界を検出空間K内に形成する(ステップS106:制御ステップ)。具体的には、制御部201は、入力された予測位置・向きを用いてメモリ部202を参照することで、予測位置・向きに対応づけられた駆動情報を取得する。続いて、取得した駆動情報に従って駆動コイル切替部222を駆動することで、予測位置・向きに在るLCマーカ10に対して最適な駆動磁界を発生することが可能な駆動コイルDを選択し、この駆動コイルDに駆動信号生成部221から出力された駆動信号を入力する。これにより、LCマーカ10が予測位置・向きにある場合に最適となる駆動磁界が検出空間K内に形成される。
その後、制御部201は、例えば操作入力部203を介して操作者から終了指示が入力されたか否かを判定し(ステップS107)、入力されていない場合(ステップS107のNo)、ステップS102へ帰還して、以降、上述と同様の動作を実行する。一方、終了指示が入力されていた場合(ステップS107のYes)、制御部201は、処理を終了する。
以上のように構成および動作することで、本実施の形態では、実際の位置・方向にあるLCマーカ10に安定して強い強度の共振磁界を発生させることが可能となる。この結果、位置検出結果の精度を向上することが可能となる。例えば、検出空間K内に形成する駆動磁界の方向および強度の空間分布は、使用する駆動コイルDに依存して変化する。そこで本実施の形態では、予測位置・向きに強い強度および適した方向の駆動磁界が形成されるように駆動コイルDを選択することで、予測位置・向きに近い実際の位置・向きに在るLCマーカ10に対して強い強度および適した方向の駆動磁界を入力することが可能となり、結果、強い強度の共振磁界を発生させて精度よく位置検出を行うことが可能となる。
また、直前に導出された位置・方向に在るLCマーカ10に対して適切な駆動コイルDを使用する方法では、使用する駆動コイルDが次の位置検出のときのLCマーカ10に対して必ずしも適切な駆動コイルDとならない場合がある。これ対し、本実施の形態では、将来のLCマーカ10の移動および姿勢変化を予測し、予測された位置および向きに応じて使用する駆動コイルDを選択するため、常に適切な駆動コイルDを選択することが可能となり、結果、精度の高い位置検出を安定して実行することが可能となる。
(変形例1)
また、本実施の形態では、使用する駆動コイルDの他に、この駆動コイルDに入力する駆動信号も予測位置・向きに応じて変更するように構成することが可能である。以下、この場合を変形例1として説明する。
また、本実施の形態では、使用する駆動コイルDの他に、この駆動コイルDに入力する駆動信号も予測位置・向きに応じて変更するように構成することが可能である。以下、この場合を変形例1として説明する。
本変形例1では、位置・方向予測部215が導出した予測位置・向きに基づいて、駆動コイル切替部222および駆動信号生成部221の両方を駆動制御する。言い換えれば、制御部201は、予測位置・向きに基づいて、駆動コイル切替部222および駆動信号生成部221を駆動制御するための情報(後述する駆動情報に相当)を切り替え、この駆動情報に従って駆動コイル切替部222および駆動信号生成部221を駆動制御する。
具体的には、図7に示すステップS105において、制御部201は、入力された予測位置・向きを用いてメモリ部202を参照することで、予測位置・向きに対応づけられた駆動情報を取得する。続いて、取得した駆動情報に従って駆動コイル切替部222を駆動することで、予測位置・向きに在るLCマーカ10に対して最適な駆動磁界を発生することが可能な駆動コイルDを選択すると共に、同じく取得した駆動情報に従って駆動信号生成部221を駆動することで、最適な駆動磁界を発生させる駆動信号を生成し、この駆動信号を、駆動コイル切替部222を用いて、選択した駆動コイルDに入力する。これにより、LCマーカ10が予測位置・向きにある場合に最適となる駆動磁界が検出空間K内に形成される。
以上のような構成および動作とすることで、本変形例1では、LCマーカ10が予測位置・向きにある場合に最適となる駆動磁界を形成することが可能な駆動コイルDに、同じく最適な駆動磁界を発生させる駆動信号が入力されるため、より精度の高い位置検出をより安定して実行することが可能となる。すなわち、強い強度および適した方向の駆動磁界を予測位置・向きにより的確に形成することが可能となるため、予測位置・向きに近い実際の位置・向きに在るLCマーカ10に対してより強い強度および適した方向の駆動磁界を入力することが可能となり、結果、より強い強度の共振磁界を発生させてより精度よく位置検出を行うことが可能となる。
(変形例2)
また、本実施の形態では、上述したように、センスコイル選択部212によって選択されるセンスコイルSがすべてのセンスコイルSである必要はなく、一部のセンスコイルSであってもよい。以下、この場合の一例を変形例2として説明する。
また、本実施の形態では、上述したように、センスコイル選択部212によって選択されるセンスコイルSがすべてのセンスコイルSである必要はなく、一部のセンスコイルSであってもよい。以下、この場合の一例を変形例2として説明する。
ここで、センスコイルSによって検出される共振磁界の分布は、共振磁界の発生源であるLCマーカ10の位置および向きによって変化する。そのため、精度の良い位置検出に有効なセンスコイルSは、LCマーカ10の位置・向きに依存して変化する。すなわち、強い強度の共振磁界が入力されるセンスコイルSや、飽和(サチレーション)せずに共振磁界を検出できるセンスコイルSは、LCマーカ10の位置・向きに依存して変化する。
そこで本変形例2では、制御部201が、位置・方向予測部215から入力された予測位置・向きに応じて読出対象とするセンスコイルSを1つ以上選択し、これに基づいてセンスコイル選択部212を駆動する。これにより、精度の良い位置検出に有効な1つ以上のセンスコイルSから読み出された検出信号より生成されたFFTデータのみを干渉補正部213およびそれ以降の各部の処理対象とすることが可能となるため、正確な位置検出を効率よく実行することが可能となる。
なお、位置・向きと読出対象とするセンスコイルSとの対応づけの情報は、例えば予めシミュレーションまたは実測によって取得しておくことが可能である。また、取得された対応づけの情報は、例えばメモリ部202において管理される。読出時の動作(例えば図7のステップS102参照)では、制御部201は、予測位置・向きを用いてメモリ部202から読出対象とするセンスコイルSの識別情報を取得し、これに従ってセンスコイル選択部212を駆動することで、精度の良い位置検出に有効な1つ以上のセンスコイルSから読み出された検出信号より生成されたFFTデータのみを干渉補正部213に入力する。
(変形例3)
また、補正処理、キャリブレーション処理および位置導出処理を用いた位置・向きの導出には、例えば、最小二乗法を用いた収束計算を適用することが可能である。以下、この場合を変形例3として説明する。
また、補正処理、キャリブレーション処理および位置導出処理を用いた位置・向きの導出には、例えば、最小二乗法を用いた収束計算を適用することが可能である。以下、この場合を変形例3として説明する。
本変形例3による収束計算では、位置情報演算部214は、センスコイルから読み出された検出信号に含まれる共振磁界の磁界分布(すなわち、キャリブレーション処理後のFFTデータが示す共振磁界の磁界分布)を真値とし、位置・方向予測部215によって予測された予測位置・向きにLCマーカ10(またはこれと等価的な磁気モーメント)が在ると仮定した場合にLCマーカ10(またはこれと等価的な磁気モーメント)が形成する共振磁界の磁界分布を推定値の初期値とする。
ここで、上記のような最小二乗法による収束計算では、推定値の初期値が真値に近いほど、より少ない反復で値を収束させることが可能である。この結果、処理時間を短縮したり処理量を低減したりすることが可能となる。
そこで本変形例3では、推定値の初期値に、LCマーカ10の実際の位置・向きに近い予測位置・向きから逆算できる共振磁界の磁界分布を用いる。これにより、推定値(予測位置・向きから逆算した磁界分布)と真値(キャリブレーション処理後のFFTデータが示す共振磁界の磁界分布)とを近い値とすることが可能となるため、LCマーカ10の位置・向きを迅速且つより正確に導出することが可能となる。
(変形例4)
また、本実施の形態では、干渉補正部213が、位置・方向予測部215により導出された予測位置・向きに対応する補正量を用いてFFTデータを補正するように構成することも可能である。以下、この場合を変形例4として説明する。
また、本実施の形態では、干渉補正部213が、位置・方向予測部215により導出された予測位置・向きに対応する補正量を用いてFFTデータを補正するように構成することも可能である。以下、この場合を変形例4として説明する。
本変形例4による位置検出時の補正処理(図7のステップS103参照)では、制御部201は、位置・方向予測部215によって導出された予測位置・向きを用いてメモリ部202内のLUTを参照することで、予測位置・向きに対応づけられた補正量を取得し、これを干渉補正部213に入力する。干渉補正部213は、センスコイル選択部212を介して入力されたFFTデータと制御部201から入力された補正量とを用いて補正処理を実行することで、予測位置・向きに応じてFFTデータから干渉磁界の成分を除去する。
以上のように構成および動作することで、本変形例4では、LCマーカ10の実際の位置・向きに近い予測位置・向きに対する補正量を用いてFFTデータが補正されるため、位置検出処理による位置検出結果の精度を向上させることが可能となる。
また、上述した変形例3のように、収束計算を用いて位置検出を行う場合、真値とする補正後のFFTデータがより正確な値となるため、真値と推定値との差をより少なくすることが可能となる。これにより、収束するまでの反復回数を低減することが可能となるため、より正確な位置・向きをより迅速に導出することが可能となる。
(変形例5)
また、LCマーカ10の移動経路によっては、駆動コイル切替部222による駆動コイルDの切替えが頻繁に発生する場合が存在する。そこで、駆動コイルDの切替えの頻繁な発生を抑制することが可能な形態を、以下に変形例5として説明する。
また、LCマーカ10の移動経路によっては、駆動コイル切替部222による駆動コイルDの切替えが頻繁に発生する場合が存在する。そこで、駆動コイルDの切替えの頻繁な発生を抑制することが可能な形態を、以下に変形例5として説明する。
本実施の形態では、上述したように、位置・方向予測部215が時間軸上における1つ以上のタイミングでのLCマーカ10の位置・向きを予測することが可能である。そこで本変形例5では、位置・方向予測部215において将来の複数タイミングでの位置・向きを予測し、これら予測された複数の位置・向きから、駆動コイルDの頻繁な切替えが発生するか否かを制御部201が判断する。この判断は、例えば図7のステップS107中に実行される。また、この判断は、例えば、各タイミングで最適と判断された駆動コイルDが時系列上で交互に切替わるか否かに基づいて行うことができる。なお、時系列上で交互に切替わるとは、例えば、駆動コイルD1→駆動コイルD2→駆動コイルD1のような切替えや、駆動コイルD1→駆動コイルD2→駆動コイルD3のような切替えが、時間軸上に配列するタイミングに沿って発生することを指す。
ここで、上記の判断の結果、駆動コイルDの頻繁な切替えが発生すると判断した場合、制御部201は、例えば、予測した範囲で最も多く使用が予測された駆動コイルDを特定し、この駆動コイルDと異なる駆動コイルDが最適であると判断される場合には、1つ先のタイミングの位置・向きにおいて最適と判断された駆動コイルDを選択する。例えば、上述の例のような、駆動コイルD1→駆動コイルD2→駆動コイルD1のような切替えや、駆動コイルD1→駆動コイルD2→駆動コイルD3のような切替えが発生する場合、駆動コイルD1→駆動コイルD1→駆動コイルD1のように切り替えたり、駆動コイルD1→駆動コイルD3→駆動コイルD3のように切り替えたりする。
以上のように動作することで、本変形例5では、頻繁な駆動コイルDの切替えを抑制することが可能となり、結果、スムーズ且つ正確に位置検出および磁気誘導を実行することが可能となる。
<実施の形態2>
次に、本発明の実施の形態2による位置検出システム2の構成および動作を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において、上記実施の形態1と同様の構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の実施の形態2による位置検出システム2の構成および動作を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において、上記実施の形態1と同様の構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図8は、本実施の形態による位置検出システム2の概略構成を示す模式図である。図8と図1とを比較すると明らかなように、位置検出システム2は、上記実施の形態1による位置検出システム1と同様の構成において、位置・方向予測部215が位置・方向予測部215Aに置き換えられている。なお、図8においてはガイダンス駆動部230およびガイダンスコイルG、すなわちLCマーカ10を誘導する構成(誘導部)が省略されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
本実施の形態では、位置情報演算部214において導出された位置・向きが、位置・方向予測部215Aに入力されると共に、メモリ部202に入力されて保持される。また、位置・方向予測部215Aは、適宜、メモリ部202を参照することができる。
位置・方向予測部215Aは、位置情報演算部214から最新の位置・向きが入力されると、メモリ部202を参照して前回分の位置・向きを取得する。また、位置・方向予測部215Aは、取得した最新の位置・向きと前回分の位置・向きとから、例えば以下の式16~式20に基づいて、LCマーカ10の速度および角速度を算出する。なお、以下の式16~式20では、最新の位置・向きを『時刻T11における位置・向き』とし、前回分の位置・向きを『時刻T10における位置・向き』とし、時刻T11の時点でのLCマーカ10の速度および角速度を『時刻T11における速度・角速度』とする。
また、以上のように時刻T11におけるLCマーカ10の速度および角速度を求めると、次に位置・方向予測部215Aは、上記実施の形態1においてガイダンス情報が速度および角速度である場合(式6~式10参照)と同様に、以下の式21~式25を用いて任意のタイミング(時刻T12)におけるLCマーカ10の位置・向きを導出する。なお、以下の式21~式25では、任意の時刻T12におけるLCマーカ10の位置・向きを『時刻T12における予測位置・向き』とする。
このように本実施の形態では、ガイダンス情報を用いずとも、LCマーカ10の任意のタイミングにおける位置・向きを予測することが可能である。この結果、本実施の形態では、上記実施の形態1と同様に、実際の位置・方向にあるLCマーカ10に安定して強い強度の共振磁界を発生させることが可能となる。この結果、位置検出結果の精度を向上することが可能となる。また、本実施の形態では、上記実施の形態1と同様に、将来のLCマーカ10の移動および姿勢変化を予測し、予測された位置および向きに応じて使用する駆動コイルDを選択するため、常に適切な駆動コイルDを選択することが可能となり、結果、精度の高い位置検出を安定して実行することが可能となる。
その他の構成および動作は、上記実施の形態1またはその変形例と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
なお、上述した実施の形態1,2では、位置および向きの両方についてLCマーカ10を誘導する場合を例示したが、これに限らず、位置および向きのいずれか一方のみを対象としてLCマーカ10を誘導してもよい。また、上記実施の形態は本発明を実施するための例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。
なお、上記実施の形態による位置検出方法は、前記検出空間近傍に配置されたコイルが、駆動磁界を発生する駆動コイルであることを特徴としている。
また、上記実施の形態による位置検出方法は、前記位置検出システムが、前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する誘導部を備え、前記被検体内導入装置が、該被検体内導入装置の筐体に固定された磁石を含み、前記誘導部が、前記磁石に作用するガイダンス磁界を発生するガイダンスコイルを含み、前記検出空間近傍に配置されたコイルが、前記ガイダンスコイルであることを特徴としている。
1、2 位置検出システム
10 LCマーカ
11 共振磁界発生部
200 外部装置
201 制御部
202 メモリ部
203 操作入力部
204 表示部
205 無線受信部
206 無線送信部
210 位置検出部
211 信号検出部
212 センスコイル選択部
213 干渉補正部
214 位置情報演算部
215、215A 位置・方向予測部
220 駆動コイル駆動部
221 駆動信号生成部
222 駆動コイル切替部
230 ガイダンスコイル駆動部
M 永久磁石
K 検出空間
D_x、D_y、D_z 駆動コイル
G_x、G_y、D_z ガイダンスコイル
S_1、S_2、… センスコイル
10 LCマーカ
11 共振磁界発生部
200 外部装置
201 制御部
202 メモリ部
203 操作入力部
204 表示部
205 無線受信部
206 無線送信部
210 位置検出部
211 信号検出部
212 センスコイル選択部
213 干渉補正部
214 位置情報演算部
215、215A 位置・方向予測部
220 駆動コイル駆動部
221 駆動信号生成部
222 駆動コイル切替部
230 ガイダンスコイル駆動部
M 永久磁石
K 検出空間
D_x、D_y、D_z 駆動コイル
G_x、G_y、D_z ガイダンスコイル
S_1、S_2、… センスコイル
Claims (20)
- 特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置と、
前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成部と、
前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁気センサと、
前記磁気センサから検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出部と、
前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する誘導部と、
前記位置検出部で検出された前記位置および向きの少なくとも一方と、前記誘導部が前記被検体内導入装置を前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する際の誘導情報とを用いて、前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測部と、
前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界形成部と前記位置検出部とを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする位置検出システム。 - 前記誘導情報は、前記目標とする位置および向きの少なくとも一方の情報、前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ前記被検体内導入装置を誘導するために該被検体内導入装置に生じさせる速度または角速度の情報、あるいは、前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ前記被検体内導入装置を誘導するために該被検体内導入装置に生じさせる加速度または角加速度の情報であることを特徴とする請求項1記載の位置検出システム。
- 前記駆動磁界形成部は、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルと、前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、該駆動信号生成部で生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替える切替部と、を含み、
前記制御部は、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記切替部を制御することで前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替えることを特徴とする請求項1記載の位置検出システム。 - 前記駆動磁界形成部は、前記駆動磁界を発生する駆動コイルと、前記駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を含み、
前記制御部は、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動信号生成部が生成する前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項1記載の位置検出システム。 - 前記位置検出部は、前記磁界に含まれる前記共振磁界の磁界分布を真値とし、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に前記被検体内導入装置が在ると仮定した場合に該被検体内導入装置が形成する共振磁界の磁界分布を推定値の初期値とする最小二乗法を用いた収束計算によって前記位置および向きの少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項1記載の位置検出システム。
- 前記位置検出部は、前記検出空間近傍に配置されたコイルが前記共振磁界によって誘導されることで生じた干渉磁界の成分を前記磁界から除去することで前記磁界を補正する干渉補正部を含み、
前記干渉補正部は、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記磁界に含まれる前記共振磁界以外の磁界成分を前記磁界から除去することを特徴とする請求項1記載の位置検出システム。 - 前記検出空間近傍に配置されたコイルは、前記駆動磁界を発生する駆動コイルであることを特徴とする請求項6記載の位置検出システム。
- 前記被検体内導入装置は、該被検体内導入装置の筐体に固定された磁石を含み、
前記誘導部は、前記磁石に作用するガイダンス磁界を発生するガイダンスコイルを含み、
前記検出空間近傍に配置されたコイルは、前記ガイダンスコイルであることを特徴とする請求項6記載の位置検出システム。 - 複数の前記磁気センサと、
前記複数の磁気センサのうち前記磁界の読出対象とする磁気センサを少なくとも1つ選択する選択部と、
前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記選択部を制御する選択制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1記載の位置検出システム。 - 特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置と、
前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成部と、
前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁気センサと、
前記磁気センサから検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出部と、
前記位置検出部で検出された異なる時刻での前記位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測部と、
前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界形成部と前記位置検出部とを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする位置検出システム。 - 前記駆動磁界形成部は、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルと、前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、該駆動信号生成部で生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替える切替部と、を含み、
前記制御部は、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記切替部を制御することで前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかに切り替えることを特徴とする請求項10記載の位置検出システム。 - 前記駆動磁界形成部は、前記駆動磁界を発生する駆動コイルと、前記駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を含み、
前記制御部は、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動信号生成部が生成する前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項10記載の位置検出システム。 - 前記位置検出部は、前記磁界に含まれる前記共振磁界の磁界分布を真値とし、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に前記被検体内導入装置が在ると仮定した場合に該被検体内導入装置が形成する共振磁界の磁界分布を推定値の初期値とする最小二乗法を用いた収束計算によって前記位置および向きの少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項10記載の位置検出システム。
- 前記位置検出部は、前記検出空間近傍に配置されたコイルが前記共振磁界によって誘導されることで生じた干渉磁界の成分を前記磁界から除去することで前記磁界を補正する干渉補正部を含み、
前記干渉補正部は、前記予測部によって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記磁界に含まれる前記共振磁界以外の磁界成分を前記磁界から除去することを特徴とする請求項10記載の位置検出システム。 - 前記検出空間近傍に配置されたコイルは、前記駆動磁界を発生する駆動コイルであることを特徴とする請求項14記載の位置検出システム。
- 複数の前記磁気センサと、
前記複数の磁気センサのうち前記磁界の読出対象とする磁気センサを少なくとも1つを選択する選択部と、
前記予測部で予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記選択部を制御する選択制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項10記載の位置検出システム。 - 特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する誘導部を備えた位置検出システムによって、前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出方法であって、
前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成ステップと、
前記特定周波数の駆動磁界によって前記被検体内導入装置から前記共振磁界を発生させる共振磁界発生ステップと、
前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁界検出ステップと、
前記磁界検出ステップで検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を導出する位置検出ステップと、
前記位置検出ステップで導出された前記位置および向きの少なくとも一方と、前記誘導部が前記被検体内導入装置を前記目標とする位置および向きの少なくとも一方へ誘導する際の誘導情報とを用いて、前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測ステップと、
前記予測ステップで予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする位置検出方法。 - 前記駆動磁界形成ステップは、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、該駆動信号生成ステップで生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかから選択する駆動コイル選択ステップと、前記駆動信号を前記駆動コイルに入力する駆動信号入力ステップと、を含み、
前記制御ステップは、前記予測ステップによって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動コイル選択ステップで選択する駆動コイルを制御することを特徴とする請求項17記載の位置検出方法。 - 特定周波数の駆動磁界によって誘導されて共振磁界を発生する被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を位置検出システムによって検出する位置検出方法であって、
前記被検体内導入装置が導入された被検体を収容する検出空間内に前記特定周波数の駆動磁界を形成する駆動磁界形成ステップと、
前記特定周波数の駆動磁界によって前記被検体内導入装置から前記共振磁界を発生させる共振磁界発生ステップと、
前記検出空間内に形成された磁界を検出する磁界検出ステップと、
前記磁界検出ステップで検出された磁界に基づいて前記被検体内導入装置の位置および向きの少なくとも一方を検出する位置検出ステップと、
前記位置検出ステップで検出された異なる時刻での前記位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記被検体内導入装置のある時刻での位置および向きの少なくとも一方を予測する予測ステップと、
前記予測ステップで予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて前記駆動磁界を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする位置検出方法。 - 前記駆動磁界形成ステップは、前記駆動磁界を発生する複数の駆動コイルに入力する前記特定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、該駆動信号生成ステップで生成された前記駆動信号が入力される駆動コイルを前記複数の駆動コイルの何れかから選択する駆動コイル選択ステップと、前記駆動信号を前記駆動コイルに入力する駆動信号入力ステップと、を含み、
前記制御ステップは、前記予測ステップによって予測された前記ある時刻での位置および向きの少なくとも一方に基づいて、前記駆動コイル選択ステップで選択する駆動コイルを制御することを特徴とする請求項19記載の位置検出方法。
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