【手続補正書】
【提出日】平成16年10月26日(2004.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】座標系の関連づけをするための装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  空間（２）のなかで懸架されていて局所的な重力場（３）で方向づけされた本体（４）を有する、前記空間（２）のなかで座標系（１）の関連付けをするための装置において、
Ａ）前記本体（４）が最初に間隔Ａで配置されていて、電磁波または音波を発する少なくとも２つの手段（５）を含み；
Ｂ）コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に統合された装置であり、これが
Ｃ）少なくとも２つの二番目の、電磁的または音響的に有効な手段を有し、これが前記最初の手段（５）と相互作用を有し；および
Ｄ）前記最初の手段（５）の空間座標を探す評価ユニット（１６）を含む
ことを特徴とする、前記空間（２）のなかで座標系（１）の関連付けをするための装置。
【請求項２】  前記最初の手段（５）が電磁波または音波の送信機であり、前記二番目の手段が光学または音響センサ（１３）であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】  前記最初の手段（５）が音響の受信機であり、前記二番目の手段が音響の送信機であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】  前記本体（４）の懸架装置（６）が細い糸、ワイヤまたは鎖（１４）で具体化されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】  前記本体（４）の前記懸架装置（６）がカルダン式の懸架装置（１５）である、請求項１〜３のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】  前記本体（４）の前記懸架装置（６）が球継手で具体化されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】  前記本体（４）の前記懸架装置（６）が、前記空間のなかで前記本体（４）をエラストマーに挿入することで構成されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】  前記エラストマーがシリコンゴムである、請求項７記載の装置。
【請求項９】  前記本体（４）が発泡したシリコンゴムのなかに挿入されている、請求項８記載の装置。
【請求項１０】  前記重力場（３）での前記本体（４）の前記方向づけが減衰される、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】  前記重力場（３）での前記本体（４）の前記方向づけが、前記本体（４）を包囲する液体槽（７）によって減衰される、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】  前記重力場（３）での前記本体（４）の前記方向づけがばねによって減衰される、請求項１０記載の装置。
【請求項１３】  前記重力場（３）での前記本体（４）の前記方向づけが電磁的に減衰される、請求項１０記載の装置。
【請求項１４】  前記重力場（３）での前記本体（４）の前記方向づけが摩擦によって機械的に減衰される、請求項１０記載の装置。
【請求項１５】  前記重力場（３）での前記本体（４）の前記方向づけが空気圧緩衝装置またはガス圧緩衝装置によって減衰される、請求項１０記載の装置。
【請求項１６】  前記手段（５）が光学的な光源である、請求項２記載の装置。
【請求項１７】  前記手段（５）が発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項２記載の装置。
【請求項１８】  前記手段（５）が赤外線発光ダイオードである、請求項２記載の装置。
【請求項１９】  前記手段（５）が光学的なリフレクタである、請求項１記載の装置。
【請求項２０】  前記手段（５）が音響発信機である、請求項２記載の装置。
【請求項２１】  音波を検知する前記手段（５）がマイクロフォンである、請求項３記載の装置。
【請求項２２】  追加的に少なくとも２つの前記光学的なセンサ（１３）、および前記評価ユニット（１６）を装備しており、少なくとも前記２つの手段（５）が発する電磁波を前記光学的なセンサ（１３）で検知して、それにより干渉効果を評価することで前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項２記載の装置。
【請求項２３】  追加的に少なくとも２つの定置のカメラ（１０）、および前記評価ユニット（１６）を装備しており、少なくとも前記２つの手段（５）から放射された電磁的な波をこれらの前記カメラ（１０）で検知して、それによりビデオ画像測定法で前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項２記載の装置。
【請求項２４】  追加的に少なくとも２つのカメラ（１０）、および前記評価ユニット（１６）を装備しており、前記追加的なカメラ（１０）は、少なくとも前記２つの手段（５）から放射された電磁的な波を記録するために定置ではなく配置されており、定置の調整点フィールド（１１）を記録して評価することでカメラ（１０）の前記位置を求める、請求項２記載の装置。
【請求項２５】  追加的に少なくとも２つの定置のカメラ（１０）、および評価ユニット（１６）を装備しており、前記追加的なカメラ（１０）がデジタルカメラである、請求２記載の装置。
【請求項２６】  追加的に少なくとも２つの音響センサ、および前記評価ユニット（１６）を装備しており、少なくとも前記２つの手段（５）から放射された音波をこれらの前記音響センサで検知して、それにより干渉効果を評価することで前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項２記載の装置。
【請求項２７】  前記コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属している前記光学的なセンサ（１３）が追加的に少なくとも２つ装備されており、前記センサ（１３）と、前記コンピュータ支援手術システムに属する前記評価ユニット（１６）とを用いて前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を、少なくとも前記２つの手段（５）が発する電磁的な波を記録することによって求める、請求項２記載の装置。
【請求項２８】  少なくとも２つのカメラ（１０）と、少なくとも１つの電磁波を発する発信機と、前記評価ユニット（１６）とを追加的に装備しており、少なくとも前記２つの手段（５）で反射された電磁波を前記カメラ（１０）によって検知し、それによって前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項１９記載の装置。
【請求項２９】  音波を発する少なくとも２つの発信機、および前記評価ユニット（１６）を追加的に装備しており、少なくとも前記２つの発信機が発した音波を本発明の装置に取り付けた前記マイクロフォンで検知し、それにより干渉効果を評価することで前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項３記載の装置。
【請求項３０】  前記コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属している音響的な発信機が追加的に少なくとも２つ装備されており、前記本体（４）に取り付けられたマイクロフォンと、前記コンピュータ支援手術システムに属する前記評価ユニット（１６）とを用いて前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を、少なくとも前記２つの発信機から放射される音波を前記マイクロフォンで記録することによって求める、請求項３記載の装置。
【請求項３１】  磁場を検知する前記手段（５）がコイルである、請求項１記載の装置。
【請求項３２】  前記磁場を検知する前記手段（５）がホール検出器である、請求項１記載の装置。
【請求項３３】  磁場を生成する少なくとも１つのコイル、および前記評価ユニット（１６）を追加的に装備しており、生成された前記磁場を、本発明の装置に取り付けられたコイルで検知し、それにより磁気誘導を評価することで前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項３１記載の装置。
【請求項３４】  磁場を生成する少なくとも１つのコイル、および前記評価ユニット（１６）を追加的に装備しており、生成された前記磁場を、本発明の装置に取り付けたホール検出器で検知し、それにより前記ホール効果を評価することで前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を求めることができる、請求項３２記載の装置。
【請求項３５】  前記コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属していて磁場を生成する少なくとも１つのコイルを追加的に装備しており、本発明の装置に取り付けたコイルと、前記コンピュータ支援手術システムに属する前記評価ユニット（１６）とを用いて前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を、少なくとも前記２つのコイルで前記磁場を記録することによって求める、請求項３１記載の装置。
【請求項３６】  前記コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属していて磁場を生成する少なくとも１つのコイルを追加的に装備しており、本発明の装置に取り付けた前記ホール検出器と、前記コンピュータ支援手術システムに属する前記評価ユニット（１６）とを用いて前記座標系（１）の前記空間座標の前記位置を、少なくとも前記２つのホール検出器で前記磁場を記録することによって求める、請求項３２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、請求項１の上位概念に基づく、座標系を関連付けるための装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
位置関係に関わる測定装置や、画像を生成する装置が使用される機会は多いが、こうした装置の位置は測定に応じて変える必要がある。こういった装置には、地球の重力場に対する整列、方向づけ(Ausrichtung)に応じて、つまり材料変形に基づいて自らの挙動を変化させるものがある。これは測定誤差ないしエラーを含んだ画像につながる可能性がある。こうしたエラーを修正または補整するには、測定装置の方向づけに関して、地球の重力場の方向を厳密に測定することが必要である。
重力のベクトルを確認する装置は、FR2 608 271 THOMEに明らかにされている。この周知の装置は水平に自由に動く鉛の糸を含み、これは糸を重力の場で整列させる。糸は中心に印をつけた距離を置いた球に配置されており、したがって球の中心の配列は、重力のベクトルを決めることができる。この周知の装置はしかし単に三次元座標系の確認ができるのみであり、重力のベクトルを通った垂直軸を定義する。
空間に固定した三次元座標系確認の装置は、US 5,197,476 NOWACKIに開示されている。この周知の装置は、三次元フレームへ供給する赤外線ＬＥＤ（発光ダイオード）備えた２つの赤外線カメラとコンピュータを含む。赤外線カメラの手段は、フレーム中での赤外線ＬＥＤの位置を検知できるようになり、コンピュータに保存する。フレームの除去後手動でこの位置は自由に動かせるようになり、同様に赤外線ＬＥＤにより、赤外線ＬＥＤで測定した、保存された位置に関するフレームの容積を限定することにより超音波ゾンデ内で管理する。この周知の装置は、したがって、空間固定の三次元座標系を確認するのみであり、これはどんな種類の重力ベクトルの入手も示さない。
【０００３】
（発明の開示）
本発明はこの点の除去対策を提供しようとするものである。本発明の課題は、局所的な重力場で方向づけされたベクトルを検出することである。このベクトルは、空間で定置の座標系に対して方向づけられている対象物を備えた空間の内部、たとえば手術室の内部に存在するものである。ＣＡＳシステム（コンピュータ支援手術システム）における本発明に従った統合により、したがって、医学ロボット技術またはコンピュータ援助外科のナビゲーションでの、物体の測定軸に平行な重力による参照座標系を提供させる。
【０００４】
本発明の装置を使用することで、空間にある本体の重力に依存した変形を検出することが可能となる。このことは、局所的な重力場で方向づけられているベクトルに対する位置に依存して本体の変形をあらかじめ測定することで行われる。
【０００５】
本発明は前述の課題を、空間に懸架されていて局所的な重力場で方向づけられている本体であって、請求項１の構成要件を備えているもので解決する。
【０００６】
本発明の装置は、自由に揺動できるとともにその質量配分に基づいて重力場で方向づけができるようにフレームに取り付けられている。
【０００７】
重力場に対して方向づけられたベクトルの位置は、本装置に取り付けられている発光ダイオードと、手術室にあるセンサユニットおよび評価ユニットによって求められる。発光ダイオードの代わりに、電磁波ないし音波を発する他の発信機やリフレクタを使用することもできる。空間座標の位置を求めることは、光学的なセンサまたは音響センサ（マイクロフォン）であって本体に取り付けた両方の発信機が発したもしくは反射した電磁波または音波を受信するものと、電子的な評価装置とによって行うことができる。音波を使用する場合には、空間のどこかに発信機を取り付けて受信機を本発明の装置に取り付けることもできる。本装置に取り付けたコイルと、同じく手術室に設置されたコイルとを用いて誘導測定を行い、これを評価ユニットで評価することによって、重力場に対して方向づけられた座標軸の位置を求めることも同様に可能である。
【０００８】
それによって室内で、たとえば手術室内で、一方の軸が局所的な重力場の方向と一致する座標系を求めることができるという利点を得ることができる。この座標系は医療用ロボット技術において、およびコンピュータ支援された手術やナビゲーション（ＣＡＳ）において、ならびに画像でガイドされる手術(Image guided surgery)やナビゲーションにおいて、対象物の運動を位置検出して把握するための参照系の役目を果たす。
【０００９】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明による装置の有利な発展形の要諦は、空間に懸架されていて局所的な重力場で方向づけられている本体の揺動性が減衰されることにある。減衰装置としては機械的な装置、たとえばばねや水槽、あるいは電磁的な減衰部材を用いることができる。このことには振動が本体の方向づけに対して何ら影響を及ぼさないとともに、本体が揺動しはじめることがなく、もしくは迅速な振動終了が保証されるという利点がある。
【００１０】
本発明による装置の別の有利な実施態様の要諦は、本体がフレームにカルダン式に懸架されていて、それによって局地的な重力場で方向づけできることである。フレームはたとえば手術台、器械保管場所、あるいは手術室にあるその他の対象物であってよい。カルダン式の懸架は、少なくとも２つの自由度で空間で方向づけすることを本体に可能にするので、フレームの位置が変わっても本体は常に重力場にしたがって方向づけできることになる。
【００１１】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、少なくとも２つの定置のカメラ、および評価ユニットが装備されており、それによって座標系の空間座標の位置をビデオ画像測定法で、本体に取り付けられた両方の発信機またはリフレクタから放射される電磁波を記録することによって求めることができる。
【００１２】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも２つのカメラ、および評価ユニットが装備されており、両方の発信機またはリフレクタから放射される電磁波を記録する追加的なカメラが定置でなく配置されていて、空間にある別の固定本体に関して重力ベクトルが算出されることにある。
【００１３】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも２つの定置のカメラ、および評価ユニットが装備されており、追加的なカメラがデジタルカメラである。
【００１４】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも２つの光学的なセンサが装備されており、両方の発信機またはリフレクタから放射される電磁波をこの光学的なセンサで検知することである。
【００１５】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属している光学的なセンサが追加的に少なくとも２つ装備されており、これらのセンサと、コンピュータ支援手術システムに属する評価ユニットとを用いて座標系の空間座標の位置を、両方の発信機またはリフレクタが発する電磁波をコンピュータ支援手術システムに属する光学的なセンサで記録することによって求めることである。
【００１６】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも２つの定置の音響的なセンサが包含されていて、両方の発信機が発する音波をこれらの音響的なセンサで検知することである。
【００１７】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも２つの定置の音響的なセンサが包含されていて、両方の発信機が発する音波を、本発明の装置に取り付けた受信機で検知することである。
【００１８】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、局所的な重力場で方向づけられた本体に、間隔Ａで配置されていて音響的な波を検知する少なくとも２つの手段が取り付けられており、これらの手段がマイクロフォンであってよいことである。
【００１９】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも２つの音波を放射する発信機、および評価ユニットが装備されており、少なくとも２つの発信機が発した音波が本発明の装置にあるマイクロフォンで検知されて、それにより干渉効果を評価することで座標系の空間座標の位置を求めることができることである。
【００２０】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属する音響的な発信機が追加的に少なくとも２つ装備されており、マイクロフォンと、コンピュータ支援手術システムに属する評価ユニットとを用いて座標系の空間座標の位置を、少なくとも２つの発信機から放射される音波をマイクロフォンで記録することによって求めることである。
【００２１】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、局所的な重力場で方向づけされた本体に、間隔Ａで配置されていて磁場を検知する少なくとも２つの手段が取り付けられており、この手段がコイルであってよいことである。
【００２２】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、追加的に少なくとも１つの磁場を生成するコイル、および評価ユニットが装備されており、生成された磁場が本発明の装置のコイルによって検知され、それによって磁気誘導を評価することで座標系の空間座標の位置を求めることができることである。
【００２３】
本発明の装置のさらに別の実施形態の要諦は、コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳ）に属していて磁場を生成するコイルが追加的に少なくとも１つ装備されており、本発明の装置のこのコイルと、コンピュータ支援手術システムに属している評価ユニットとを用いて座標系の空間座標の位置が、生成された磁場を本発明の装置のコイルで記録することによって求められることである。
【００２４】
本発明による装置の利点は、最小限の機械的コストを伴う比較的簡単な拡張によって、既存のＣＡＳシステムに一定の参照座標系を装備することができるという点である。
【００２５】
次に、複数の実施例を描いた部分的な模式図を参照しながら、本発明および本発明の発展形についてさらに詳しく説明する。
【００２６】
図１には、本発明の装置に属する、重力場３で方向づけられた本体４の施工形態が、フレーム８や、光波を放射する２つの発信機５とともに描かれている。本体４の懸架装置６はこの実施形態ではフレーム８に取り付けられたワイヤ１４で具体化されている。このフレームは手術台９、または手術室にあるその他の対象物と連結されている。両方の発信機５から放射された光波は、ＣＡＳシステム１６と接続されている２つの光学的なセンサ１３によって検知される。光学的なセンサ１３で受信された信号は、干渉計法またはビデオ画像測定法を用いてコンピュータシステム１６で処理されて、重力に対して平行な軸をもつ空間２の座標系１として表すことができる。この座標系は、医療用ロボット技術や、コンピュータ支援による手術およびナビゲーションにおいて測定のための参照系の役目を果たすものであり、必ずしも手術台に関して方向づけられた座標系１２と平行な軸を備えていなくてもよい。
【００２７】
図２は本発明による本体４の一実施態様を、間隔Ａで取り付けられている光源５とともに示している。本体４はワイヤ１４でフレーム８に懸架されて、局所的な重力場３で方向づけることができるようになっている。両方の発信機５から放射される光波は、ＣＡＳシステム１６と接続されている２つのカメラ１０で検知される。カメラ１０で受信された信号は、ビデオ画像測定法を用いてコンピュータシステム１６で処理されて、重力に対して平行な軸をもつ空間２の座標系１として表すことができる。この座標系１は医療用ロボット技術や、コンピュータ支援による手術およびナビゲーションにおいて、測定のための参照系の役目を果たす。
【００２８】
図３に示す本発明の装置の実施形態が、図１および図２に示す実施形態と異なっているのは、本体４がカルダン式の懸架装置１５によって自由に揺動可能にフレーム８に懸架されており、それによって局所的な重力場３の方向で方向づけできるように懸架装置６が構成されているという点だけである。
【００２９】
図４に示す実施形態が図１および図２に示す本発明の装置の実施形態と異なっているのは、本体４が部分的に液体槽７に浸けられていることで揺動を減衰することができるという点である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の装置の配置をフレーム、テーブル、および座標系とともに示す斜視図である。
【図２】  本発明による装置の一実施態様を示す斜視図である。
【図３】  本発明による装置の別の実施態様を示す斜視図である。
【図４】  本発明による装置のさらに別の実施態様を示す斜視図である。