(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明はLC共振回路から構成される位置方向の検出システムに関するものであり放射線治療用微小マーカ追尾システム、内視鏡先端部の位置検出、指先等の情報入力デバイス、マイクロマシンの位置検出システム等に用いられるマーカ内部に能動回路不要で、高密度な検出が可能な位置・方向計測方法および位置・方向計測方法システムを提供する。【解決手段】本発明では上記の問題点を解決するために2個の検出コイルを差動的に接続する構成により，マーカ以外の寄与電圧を低減する。これにより同等のSN比を保ちつつ，ダイナミックレンジを低減可能であり，高精度化，低コスト化，高速化において有効な位置・方向計測方法および位置・方向計測方法システムが獲られる。具体的には、本発明の一実施例である。差動コイルを用いた位置検出システムにおいて，70ｍｍのストロークで3ｍｍ程度の相対位置精度で計測が可能である効果を得た。【選択図】図１
2006177684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁コイルによる交流磁界を検知し誘導磁界を発生するＬＣ共振型磁気マーカと、該ＬＣ共振型磁気マーカにより発生された誘導磁界を検知する複数の検出コイルを備え、前記検出コイル出力を差動的に演算し、前記ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を計測することを特徴とする位置・方向計測方法。
【請求項２】
前記検出コイルの差動的演算は、前記複数の検出コイルの対において行う事を特徴とする請求項１記載の位置・方向計測方法。
【請求項３】
前記複数の検出コイルの位置配置を前記励磁コイルの形状に対して、対称の位置よりずらして配置することを特徴とする請求項１乃至２記載の位置・方向計測方法。
【請求項４】
請求項１記載の位置・方向計測方法においてＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向の最適化処理フローチャートを、（１）ＬＣ共振型磁気マーカ３を取り去った状態で，配置した励磁コイルと検出コイル間の電磁結合を測定し，バックグランド電圧とする第１工程と、前記第１工程に続く、（２）ＬＣ共振型磁気マーカ３を配置して各コイル間の電磁結合を測定する第２工程と、前記第２工程に続く、（３）ＬＣ共振型磁気マーカ３の有無による誘起電圧の差分を求めることで，ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分を測定する第３工程と、前記第３工程に続く、（４）ＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向はＬＣ共振型磁気マーカ３から発生する誘導磁界がダイポール磁界に近似できることを仮定して，最尤度法（さいゆうどほう）による位置および方向を最適化演算する処理を表す式、ＬＣ共振型磁気マーカから発生する磁界がダイポール磁界に適用できることを仮定した理論式を表す式、及びＬＣ共振型磁気マーカの位置（3成分）、方向（2成分）、等価的磁気モーメントをベクトル的に表した式により位置および方向をGauss-Newton法により最適化処理する第４工程と、より構成する事を特徴とする請求項１乃至３記載の位置・方向計測方法。
【請求項５】
前記最適化アルゴリズムを、最尤度法により測定した磁界強度とダイポール磁界を仮定した 磁界強度の誤差が最小になるように、繰り返し計算によりパラ メータ（位置（3成分）、方向（2成分）、マーカの等価的磁気
モーメント（1成分））を最適化演算し、誤差がある閾値以下 になれば、収束したと判定して、その解を収束解とする、と判定する事を特徴とする請求項１乃至４記載の位置・方向計測方法。
【請求項６】
前記ＬＣ共振型磁気マーカのコイル中心軸と、前記検出コイルの対を構成する検出コイルにおいて一方の検出コイルの中心軸とを、ほぼ一致し配置する事を特徴とする請求項１乃至５記載の位置・方向計測方法。
【請求項７】
前記検出コイル出力を差動的に演算する検出コイル対において、一方の検出コイルを前記LC共振型磁気マーカの検出範囲に配置し、他方の検出コイルを前記検出範囲外に配置した事を特徴とする請求項１乃至６記載の位置・方向計測方法。
【請求項８】
前記検出範囲が、前記LC共振型磁気マーカの動作域を前記検出コイル群の配置面に投影した範囲である事を特徴とする請求項１乃至７記載の位置・方向計測方法。
【請求項９】
各々の前記検出コイル対において、前記検出範囲内に配置された検出コイルと前記検出範囲外に配置された検出コイルとの距離をほぼ等しく設定した事を特徴とする請求項１乃至８記載の位置・方向計測方法。
【請求項１０】
各々の前記検出コイル対において、前記検出範囲内に配置された検出コイルと前記検出範囲外に配置された検出コイルとを、前記検出範囲中心よりほぼ放射状に配置した事を特徴
とする請求項１乃至９記載の位置・方向計測方法。
【請求項１１】
励磁コイルと、該励磁コイルの交流磁界により誘導磁界を発生する位置に配されたＬＣ共振型磁気マーカと該ＬＣ共振型磁気マーカの誘導磁界を検知し誘導電圧を発生する位置に配された検出コイル群と、該検知コイル群の出力を計測するロックインアンプ群と、該ロックインアンプ群の出力を演算処理する最適化処理プログラム駆動装置と、前記ロックインアンプ群の出力を前記励磁コイルに伝えるプリアンプとを備え、請求項１乃至１０記載の位置・方向計測を行う事を特徴とする位置・方向計測システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の検知コイル群とロックインアンプ群の間に、第１のデバイダと高周波スイッチを順次配置し、前記検知コイル群の検知コイルと前記ロックインアンプ群のロックインアンプとを選択的に接続する事を特徴とする請求項１１記載の位置・方向計測システム。
【請求項１３】
請求項１１記載のロックインアンプ群とプリンアンプとの間に、第２のデバイダを配置し請求項１２記載の選択と連動してロックインアンプを選択的に接続する事を特徴とする請求項１２記載の位置・方向計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は既存の位置検出システムでは困難な身体内部や身体表面へマーカを添付して位置・方向を高感度に計測位置・方向計測方法および位置・方向計測方法システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内部や生体表面の部位の位置を磁気的な方法で精密に計測する場合には，計測部位に貼付するマーカは電気的引き出し線やバッテリをもたないことが望ましい。光学的に遮蔽された空間の位置検出に適した方法として，古くから永久磁石や着磁された磁性体等のワイヤレス磁気マーカを用いた位置検出方法が開発されてきた。しかしこれらは直流磁界を計測対象としているため，地磁気や低周波雑音の影響を受けやすい欠点がある。
【０００３】
一方LC共振回路によるマーカの位置検出システムとしてはマサチューセッツ工科大学から報告がされている（J.A. Paradiso, K. Hsiao, J.
Stricken, J. Lifton, A. Adler, IBM Systems Journal, vol. 39, No.3&4, pp.
892-914 (2000).）。
【０００４】
しかしこれは１個のコイルを用いて磁気マーカの位置を大まかに計測するものであり,位置精度は議論できておらず，mmオーダの精密な位置検出システムではない。またマーカの位置および方向の5自由度を計測することは困難である。
【０００５】
またバッテリを内蔵したアクティブICタグによる位置検出方法も提案されている（S. Watanabe, S. Nishiyama, N. Koshizuka,
and K. Sakamura, MWE2003 Microwave Workshop, pp.245-250 (2003).）が，バッテリを内蔵することによる寸法や動作時間の制約や計測の時間的安定性等の問題がある。
【０００６】
発明者らはこれまで磁気マーカへの電気的引き出し線が不要であることと外来ノイズに影響を受けにくいことを両立することを目指して，LC共振回路によるマーカを用いた位置検出システムを提案し，2mm程度の位置精度でマーカの位置検出が可能であることを示した。
【０００７】
提案する位置検出システムに適用するマーカは内部にインダクタンス素子とコンデンサのみから構成され，内部に電池や変調回路等を搭載せず，LC共振型マーカとしては最も簡易な構成である。このため，外部からマーカを励磁する磁界とマーカから発生する誘導磁界の周波数は同一であり，マーカの寄与分である誘導電圧を取り出す際に大きなダイナミックレンジを必要とする。これが本システムにおいてマーカの微細化，位置精度の高精度化，高速化，低コスト化において課題であった。
【非特許文献１】J.A. Paradiso, K. Hsiao, J. Stricken, J. Lifton, A. Adler, IBM Systems Journal,vol. 39, No.3&4, pp. 892-914 (2000).
【非特許文献２】S. Watanabe, S. Nishiyama, N. Koshizuka,and K. Sakamura, MWE 2003 MicrowaveWorkshop,pp.245-250 (2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように従来の技術では、マーカに電気的な引き出し線、バッテリ、制御回路等が
必要であり、マーカの寸法、動作時間の観点で問題があった。また、従来技術では測定装置に5桁〜6桁程度のダイナミックレンジを要求するものであり、高精度の電圧検出器等をもってしても、使用可能なマーカを大きくする必要があり、またその測定位置精度に限界があった。
【０００９】
本発明では、マーカに電気的な引き出し線やバッテリ、制御回路が不要で、従来より2桁小さな信号まで計測可能となる。これにより2桁程度信号の小さな微細あるいは微小なマーカの位置および方向の検出が可能になる。位置・方向計測方法および位置・方向計測システムを提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、励磁コイルによる交流磁界を検知し誘導磁界を発生するＬＣ共振型磁気マーカと該ＬＣ共振型磁気マーカにより発生された誘導磁界を検知する複数の検出コイルを備え、該検出コイル出力を差動的に演算し、前記ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を計測することを特徴とする位置・方向計測方法が得られる。
【００１１】
また本発明によれば、前記検出コイルの差動的演算は、前記複数の検出コイルの対において行う事を特徴とした、あるいは、前記複数の検出コイルの位置配置を前記励磁コイルの形状に対して、対称の位置よりずらして配置することを特徴とした位置・方向計測方法が得られる。
また本発明によればＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向の最適化処理フローチャートを、
（１）ＬＣ共振型磁気マーカ３を取り去った状態で，配置した励磁コイルと検出コイル間の電磁結合を測定し，バックグランド電圧とする第１工程と、前記第１工程に続く、（２）ＬＣ共振型磁気マーカ３を配置して各コイル間の電磁結合を測定する第２工程と、前記第２工程に続く、
（３）ＬＣ共振型磁気マーカ３の有無による誘起電圧の差分を求めることで，ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分を測定する第３工程と、前記第３工程に続く、
（４）ＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向はＬＣ共振型磁気マーカ３から発生する誘導磁界がダイポール磁界に近似できることを仮定して，(1)〜(3)式により位置および方向をGauss-Newton法により最適化処理する第４工程と、より構成する事を特徴とする位置・方向計測方法が得られる。  
【００１２】
更に本発明によれば前記最適化アルゴリズムを図７（ｂ）に示すフローチャートとした事を特徴とする位置方向計測方法が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば前記ＬＣ共振型磁気マーカのコイル中心軸と、前記検出コイルの対を構成する検出コイルにおいて一方の検出コイルの中心軸とを、ほぼ一致し配置する事を特徴とする、あるいは、前記検出コイル出力を差動的に演算する検出コイル対において、一方の検出コイルを前記LC共振型磁気マーカの検出範囲に配置し、他方の検出コイルを前記検出範囲外に配置した事を特徴とする、あるいは、前記検出範囲と、前記検出コイル群の配置面内とし、前記LC共振型磁気マーカの動作域を前記検出コイル群の配置面に投影した範囲とする事を特徴とする、あるいは、各々の前記検出コイル対において、前記検出範囲内に配置された検出コイルと前記検出範囲外に配置された検出コイルとの距離をほぼ等に設定した事を特徴とする、あるいは、各々の前記検出コイル対において、前記検出範囲内に配置された検出コイルと前記検出範囲外に配置された検出コイルとを、前記検出範囲中心よりほぼ放射状に配置した事を特徴とする位置・方向計測方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば励磁コイルと、該励磁コイルの交流磁界により誘導磁界を発生する位置に配されたＬＣ共振型磁気マーカと該ＬＣ共振型磁気マーカの誘導磁界を検知し誘
導電圧を発生する位置に配された検知コイル群と、該検知コイル群の出力を計測するロックインアンプ群と該ロックインアンプ群の出力を演算処理する最適化処理プログラム駆動装置と、前記ロックインアンプ群の出力を前記励磁コイルに伝えるプリアンプを備えの位置・方向計測を行う事を特徴とする位置・方向計測システムが得られる。
【００１５】
更に、本発明によれば、検知コイル群とロックインアンプ群の間に、第１のデバイダと高周波スイッチを順次配置し、前記検知コイル群の検知コイルと前記ロックインアンプ群のロックインアンプとを選択的に接続する事を特徴とする、あるいは、ロックインアンプ群とプリンアンプの間に、第２のデバイダを配置し前記の選択と連動してロックインアンプを選択的に接続する事を特徴とする位置・方向計測システムが得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では上記の問題点を解決するために2個の検出コイルを差動的に接続する構成により，マーカ以外の寄与電圧を低減する。これにより同等のSN比を保ちつつ，ダイナミックレンジを低減可能であり，高精度化，低コスト化，高速化において有効な位置・方向計測方法および位置・方向計測方法システムが獲られる。具体的には、本発明の一実施例である差動コイルを用いた位置検出システムにおいて，70ｍｍのストロークで3ｍｍ程度の相対位置精度で計測が可能である効果を得た。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
＜差動検出コイルによる位置・方向の検出方法＞
図1は提案する位置検出方法におけるコイルおよびマーカ（Marker）の配置を概念的に示したものである。図１(a)は従来の通常の検出コイルを(Pickup
coil)用いる方法であり，図１(b)は本発明の2個のコイル（Differentialpickup coil）を差動的に接続する差動検出コイルを用いる方法である。ＬＣ共振型磁気マーカの位置検出システムはLC直列共振回路から構成されるマーカ，励磁コイル(Driving
coil)および検出コイルから構成される。本システムでは励磁コイルによりマーカの共振周波数における磁界を与えて，マーカからの誘導磁界を計測する。実際の位置検出には複数の検出コイルが用いられるが，ここでは検出コイルを1個のみ表記している。図(a)において斜線の矢印は励磁コイルから検出コイルへ直接鎖交する磁束であり，黒抜き矢印はマーカの寄与分を表している。検出コイルの誘起電圧のうちマーカの寄与分である誘導電圧（黒抜き矢印）の占める比率はおおむね１％未満であり，計測器のダイナミックレンジを非効率的に使用している。これはマーカ内部に変調回路等を搭載せずに，励磁磁界とマーカからの誘導磁界が同一周波数であることに起因する課題である。Ｂは磁東密度、本発明ではこの課題を検出コイルを差動的に構成して解決を図っている。図1(b)は差動検出コイルを用いた位置検出システムを模式的に示したものである。マーカがない状態では励磁コイルからの発生磁束は1対の検出コイルのループで差動的に抑制される。一方、マーカがある場合には，その誘導磁界が主として計測される。
【００１９】
表1 は差動検出コイルを位置検出システムへ適用する場合の得失を整理したものである。差動検出コイルを用いることによりダイナミックレンジを節約可能と考えられ，これは計測システムの低コスト化，高速化が可能になることを意味する。また同一のダイナミックレンジを有する計測器を使用する場合，より低レベルの信号を計測可能となり，位置精度が向上すると考えられる。
【００２０】
【表１】
2006177684.tif 000003
【００２１】
一方差動検出コイルを適用することにより，マーカの位置および方向を最適化処理する場合には局所解（ローカルミニマム）の問題や検出範囲が限定されることが考えられる。図2はこの問題を極端な形で示した模式図である。一対の検出コイルを励磁コイルの形状に対して対称な位置に配置すると，マーカから検出コイルの対称軸に対して対称な位置に等価な解があり，これらを区別することは不可能である。また対称軸付近では解が定まらない特異点が存在する。これらの最適化処理における収束性や局所最適解の問題を軽減するために，検出コイル対は適度に対称性を崩しつつ距離をなるべく離した構造にすることが必要である。
【００２２】
＜位置検出システム＞
図3は本発明の一実施例として試作した位置検出システムの構成を示したものである。計測システムは励磁コイル１，検出コイル２差動検出コイルは複数であるが，ここでは便宜上１ケ所に番号を付してある。LC共振型磁気マーカ３，ロックインアンプ４，第３のロックインアンプ５，高周波スイッチ６，プリアンプ７，第１のデバイダ８アジレントテ代２のデバイダ９から構成される。システム全体は、システム制御装置（非開示）により制御され、出力データは、最適化処理プログラム（非開示）により処理される。
【００２３】
次に動作について説明する。
励磁コイル1より発せられた磁界は、ＬＣ共振型磁気マーカ３に誘導磁界を発生させる。この誘導磁界が検出コイル２に鎖交し、誘起電圧を生ずる。差動コイル２出力（複数ある）は第１のデバイダ８により選択され、高周波スイッチ６を経て例えば第１のロックインアンプ４に入力される。ロックインアンプは複数配置されており例えばｎ個配置している場合第１のロックインアンプ４から第ｎのロックアンプ５まであるが、第１のデバイダ８および高周波スイッチ６により選択され、所望の検出コイル２の誘起電圧を計測する。第１のロックインアンプ４、第nのロックインアンプ５の出力は、第２のデバイダ９を通して混合され、プリアンプ７に加えられる。プリアンプの出力は励磁コイル１に接続され、本計測システム全体の計測を制御する。
【００２４】
次に実際の実験システムを説明する。
励磁コイル１への電圧は2台のロックインアンプ４、５の内部発振源を第２のデバイダ９に接続して混合させ，励磁コイルへ１接続した。LC共振型磁気マーカ３は励磁コイル１と検出コイル２から構成されるユニット内部に挿入した。ＬＣ共振型磁気マーカを入れた状態と除いた状態で検出コイル２における電圧を計測し，それらを第１のデバイダ８を介して2台のロックインアンプへ４，５与えた。2台のロックインアンプ４，５では図3右下に示したように共振周波数付近における2点の電圧を計測して，最大値と最小値の差分を誘
導電圧として求めた。ロックインアンプを用いる利点は，複数の異なる周波数の信号を混入した信号でも同時に計測可能であり，多点の磁気マーカの位置を計測する場合でも計測時間がほぼ同一である。
【００２５】
図5は励磁コイル１，コイル２，ＬＣ共振型磁気マーカの写真を示したものである。励磁コイル１および検出コイル２はアクリルで作成した一辺180mmの立方体に配置し，励磁コイル１と検出コイル２の面は200mmの距離で対向させた。励磁コイル１は一辺150mmの正方形であり，直径1.0mmの銅線を10ターン施した。図5(b)は検出コイル２の写真および検出コイル２の番号を示したものである。検出コイル２は1個あたり直径23mm，125ターンのコイルを差動的に接続して同一平面状に14個配置した。記載した番号は検出コイル２の番号であり，同一の番号が対応する一対のコイルを表している。1対の検出コイル間はより線により接続した。この検出コイルの配置は対をなすコイルを励磁コイル２の対称性から適度に崩しつつ，一対の差動検出コイルの間隔を離し，局所解を極力減らすようにあらかじめシミュレーションを行って決めたものである。ただしこの実施例の配置は最適化されたものではない。
【００２６】
図6は試作したLC共振型磁気マーカ３の写真を示したものである。ＬＣ共振型磁気マーカ３はインダクタ，コンデンサを直列接続した。インダクタは直径5mm，長さ20mmのMnZnフェライト（TDK株式会社製EEシリーズ）の周囲に直径0.1mmの銅線を500ターン巻いて外形寸法が長さ20mm，直径約6mmとした。インダクタンスは70kHzで約5.6mHであった。コンデンサは1nFのチップコンデンサ（ROHM社製MCHシリーズ）を使用した。共振周波数は約70kHzとした。70kHzにおける性能指数は約60であった。ＬＣ共振型磁気マーカは非導体による3軸スキャナにより移動させた。
【００２７】
図7はＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求めるフローチャートを示したものである。図(a)は全体のフローチャートであり，図7(b)はＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向の最適化処理のフローチャートである。
まず（１）ＬＣ共振型磁気マーカ３を取り去った状態で，配置した励磁コイルと検出コイル間の電磁結合を測定し，バックグランド電圧とする。
次に（２）ＬＣ共振型磁気マーカ３を配置して各コイル間の電磁結合を測定する。  
（３）ＬＣ共振型磁気マーカ３の有無による誘起電圧の差分を求めることで，ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分が測定される。
【００２８】
つぎに（４）ＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向はＬＣ共振型磁気マーカ３から発生する誘導磁界がダイポール磁界に近似できることを仮定して、
図４の（１）、（２）、（３）に示す式により位置および方向をGauss-Newton法により最適化処理する。
（１）は最尤度法（さいゆうどほう）による位置および方向を最適化演算する処理を表す式、（２）はＬＣ共振型磁気マーカから発生する磁界がダイポール磁界に適用できることを仮定した理論式を表す式、（３）はＬＣ共振型磁気マーカの位置（3成分）、方向（2成分）、等価的磁気モーメントをベクトル的に表した式である。
【００２９】
ただしベクトルS(p)は評価関数、ｎは検出コイルの要素数、iは検出コイルの番号（１〜ｎ）、Ｂ（i）mは検出コイルiにおける磁束密度、ベクトルＢ(i)cは双極子磁界を考慮した検出コイルiにおける磁束密度の理論値、ベクトルｒjはマーカから検出コイルｊへの位置ベクトル、ベクトルＭはマーカの磁気モーメント、（ｘ、ｙ、ｚ）はマーカｊの座標、θはxy平面へ射影したモーメントの方向ベクトルとｘ軸とのなす角、φはモーメントの方向ベクトルとｚ軸とのなす角、ベクトルｐはマーカのパラメータにより構成されるベクトル、αは縮小因子である。
【００３０】
＜差動検出コイルの基本特性＞
図8(a)は差動型検出と従来の１ケ型検出を，励磁コイルから同一の距離（200mm）に配置した場合の誘起電圧を周波数に対して示したものである。ＬＣ共振型磁気マーカ３は挿入していない。1個のコイルは直径23mmのボビンに直径0.2mmの銅線を125ターン施したものであり，差動型検出は上記コイル2個をより線により差動的に接続したものである。差動型検出の誘起電圧は1個のコイルの誘起電圧に比較して，70kHzで約1/80に低減した。一方図8(b)は上述のＬＣ共振型磁気マーカ３を検出コイル２の中心から約30mmの位置に配置して，ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分である誘導電圧を共振周波数付近で求めたものである。矢印の大きさがＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与電圧である。この際ＬＣ共振型磁気マーカ３の中心軸が検出コイル２の中心軸とほぼ一致するように配置した。差動型検出コイルの場合にはＬＣ共振型磁気マーカ３の中心軸は片方の検出コイル２の中心軸に一致させた。
【００３１】
図8(b)によればＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分の誘導電圧は一個型の検出および差動型検出においてほぼ一致した。これらの結果から差動型検出を用いることによりダイナミックレンジを約2桁近く低減させても，ほぼ同一のSN比でＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与電圧が計測可能であることを示した。またもしも同一のダイナミックレンジを有する検出器を使用すれば2桁近く小さな信号レベルまで計測可能であり，より高精度な位置検出が可能になると考えられる。
【００３２】
＜位置および方向の計測結果＞
図９は位置および方向の計測結果である。移動方向はＸ，Ｙ，Ｚの３軸である。ＬＣ共振型磁気マーカ３はアクリルに固定した3軸スキャナによりｘ軸方向へ約70mm移動させた。ＬＣ共振型磁気マーカ３の法線方向はほぼY軸と平行にした。図９(a)はxy平面の軌跡を示し，図９(b)はxz平面を示し，図１０はＬＣ共振型磁気マーカ３の姿勢角をx座標の関数として表した。●はシステムにより得られた位置であり，実線はマイクロメータによる軌跡を表している。システムにより得られた位置および方向は概ねスキャナによる軌跡と対応し，ほぼ正確にＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向が計測可能であることが示された。約70mmの移動において相対位置精度は3mm以内であり，角度精度は7度程度であった。試作したシステムによりＬＣ共振型磁気マーカ３の表示も含めて全体の計測周期は約0.9Hzであり，ほぼリアルタイムで計測できた。
【００３３】
＜検出コイルアレイの配置について＞
図１１は差動検出コイルの望ましい配置の一例を示したものである。図１１には差動検出コイルアレイ、マーカ、励磁コイルおよびマーカの検出範囲を示している。マーカコイルにおける等価的磁気ダイポール着磁方向を矢印で表している。マーカの検出領域においてマーカのコイルと各検出コイルアレイとの磁気的な結合（相互インダクタンス）はなるべく均一であることが望ましい。これにより各検出コイルで計測した際のマーカの共振周波数が均一になり得ることにより、マーカの共振周波数付近のプロファイルを各検出コイルで計測する際に共振周波数付近の最大値と最小値を与える周波数が均一になりうる。
また差動検出コイルアレイにおけるコイル対はマーカの検出範囲に接近する領域とその周辺部とにそれぞれ配置するようにする。これにより図１２のようなマーカの共振周波数付近におけるプロファイルが逆転する現象を回避することができる。
【００３４】
図１２(a)は2対の差動検出コイルアレイの配置を模式的に表したものである。差動コイル1では励磁コイルから一対の検出コイルへ鎖交するバックグラウンドの磁束とマーカからの鎖交磁束の大小関係が一致する。（図中ではVm1＞Vm2、かつVd1＞Vd2である。V
m1＜V m2かつVd1＜Vd2でも可，V m1、V
m2 はマーカからの鎖交磁束による誘起電圧、Vd1およびVd2は励磁コイルから直接鎖交する磁束による誘起電圧を表す）
一方反転する場合は図１２(b)に表したように、励磁コイルから鎖交する磁束とマーカか
ら鎖交する磁束の大小関係が逆である。（図中ではV m1＞V m2かつV d1＜V
d2、またはVm1＜Vm2かつVd1＞Vd2でも可）
このように共振周波数付近のプロファイルが反転すると共振周波数付近の最大値と最小値の周波数がずれやすく、マーカ寄与分の誘起電圧の計測誤差が大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明により身体内部や表面に貼付されたマーカを信号レベルが2桁程度小さなものまで高感度に計測可能と考えられる。産業上の用途は、放射線治療用微小マーカ追尾システム、内視鏡先端部の位置検出、指先等の情報入力デバイス、マイクロマシンの位置検出システム等として広く用いられることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の位置・方向計測方法および位置・方向計測方法システムにおけるコイルおよびマーカの配置を概念的に示したもの。図１（a）は、従来の通常の検出コイルを用いる方法の概念用。図１（b）は、本発明の２個のコイルを差動的に接続する。差動検出コイルを用いる方法の概念図。
【図２】最適化処理を行う場合の模式図。
【図３】本発明による位置・方向計測システムの一実施例のブロック図。
【図４】図４は本発明におけるＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向を求める時の計算式を示したもの。（１）は最尤度法（さいゆうどほう）による位置および方向を最適化演算する処理を表す式、（２）はＬＣ共振型磁気マーカから発生する磁界がダイポール磁界に適用できることを仮定した理論式を表す式、（３）はＬＣ共振型磁気マーカの位置（3成分）、方向（2成分）、等価的磁気モーメントをベクトル的に表した式である。
【図５】本発明を実証するための実験システムの写真。図５（a）は正面部の写真で励磁コイル１およびＬＣ共振型磁気マーカ３が示される。図５（ｂ）は、背面部の写真で、検出コイル２の配置の具合が示される。
【図６】本発明の実証実験のために試作したＬＣ共振型磁気マーカ３の写真。
【図７】ＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向を求めるフローチャートを示したもの。図７（a）は全体のフローチャートを示す。図７（ｂ）はＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向の最適化処理のフローチャートを示す。
【図８】検出コイルにおける誘起電圧を周波数に対して示したもの。図８（a）は、差動型検出の場合と、１ヶ型検出の場合の図である。図８（ｂ）は、ＬＣ共振型磁気マーカ３を、検出コイル２の中心から約３０ｍｍの位置に配置し、ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分誘導電圧を共振周波数付近で求めた図である。
【図９】本発明を実証するための実験システムにおけるＬＣ共振型磁気マーカ３の位置計測結果である。点数は計測データであり、実線はマイクロメータで計測した実際の位置である。図９（a）はＸＹ面の測定図である。図９（ｂ）はＸＺ面の測定図である。
【図１０】本発明を実証するための実験システムにおけるＬＣ共振型磁気マーカの姿勢角をＸ座標の関数として表したもの。
【図１１】差動検出コイルの望ましい配置の一例を示したもの。
【図１２】2対の差動検出コイルアレイの配置を模式的に表したもの。図１２（a）は、差動コイル1では励磁コイルから一対の検出コイルへ鎖交するバックグラウンドの磁束とマーカからの鎖交磁束の大小関係が一致する場合の図。図１２（b）は、励磁コイルから鎖交する磁束とマーカから鎖交する磁束の大小関係が逆である場合の図。
【符号の説明】
【００３７】
１  励磁コイル
２  検出コイル
３  ＬＣ共振型磁気マーカ
４  第１のロックインアンプ
５  第ｎのロックインアンプ
６  高周波スイッチ
７  プリアンプ
８  第１のデバイダ
９  第２のデバイダ
【図４】
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【図７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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