(57)【要約】  光源と広角レンズを含む、体の開口部又は表面をスキャンする装置。光源からの光は、広角レンズの遠位部又は近傍にパターンとなって投射される。好ましくは、パターンは、広角レンズの焦点面の内部にある。パターンは、外耳道などの体の開口部表面と交差し、表面に沿って広がるパターンの部分的外側部の一部を画定する。プロセッサが、広角レンズから外側部の画像を受信し、広角レンズの既知の焦点面を用いて座標系内に外側部の位置を決定するように構成されている。複数の外側部がプロセッサによって再現され、三次元形状が構築される。この三次元形状は、診断、ナビゲーション、又は補聴器などの医療装置のカスタムフィットに利用できる。
2014524751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元（３Ｄ）物体をスキャンする装置であって、
走査プローブが装着されたスキャナ本体であって、前記走査プローブは、レーザ光源と、レーザ光学素子と、非レーザのビデオ照明源と、画像センサと光学的に結合した広角レンズと、前記スキャナ本体内に装着され、かつデータ通信のためにデータプロセッサに結合された画像センサと、を備え、
複数の追跡照明センサであって、前記追跡照明センサは、追跡照明エミッタから照射され、前記スキャン対象物に対する固定点に設置された追跡基準点から反射する追跡照明の反射を検知し、また、前記追跡照明センサは、前記追跡照明エミッタから照射されて、前記スキャナ本体上の固定位置に設置された追跡目的物から反射する追跡照明の反射を検知する、前記複数の追跡照明センサと、
スキャン対象物がレーザ光で照射された時に撮影される連続画像と、前記追跡照明センサによって検知された追跡照明の反射から推定される前記走査プローブの追跡された位置とに依存して、前記スキャン対象物の３Ｄ画像を構築することにより機能するように構成された、データプロセッサと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記画像センサへデータ通信するために結合されたディスプレイスクリーンを更に備え、前記ディスプレイスクリーンは、前記スキャン対象物の画像を表示する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スキャン対象物の画像を表示する前記ディスプレイスクリーンは、非レーザビデオ照明によってのみ照射される、前記スキャン対象物の前記画像センサからのビデオ画像を表示するディスプレイスクリーンを更に備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記スキャン対象物の画像を表示する前記ディスプレイスクリーンは、前記スキャン対象物の前記３Ｄ画像を表示するディスプレイスクリーンを更に備える、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記画像センサへデータ通信するために結合されたディスプレイスクリーンを更に備え、前記ディスプレイスクリーンは、前記スキャン対象物の画像を表示し、前記ディスプレイスクリーンは、前記スキャナ本体上に装着されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記走査プローブ内の前記レーザ光源は、前記プローブ外のレーザからのレーザ光を前記走査プローブへ導光する光ファイバを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記レーザ光学素子は、円錐形のレーザ反射光学素子を備え、
前記レーザ光源と前記円錐形レーザ反射光学素子とは、耳プローブが耳内部に配置されている場合、前記レーザ光源により照射されると前記円錐形レーザ反射光学素子が、耳の内表面上にレーザ光の断続的な輪を投射するように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記レーザ光学素子は、レーザ光学レンズを備え、
前記レーザ光源と前記レーザ光学レンズとは、前記レーザ光源で照射されると、前記レーザ光学レンズが前記レーザ光学レンズの前面からレーザ光を前記対象物に投射するように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記広角レンズは、前記画像センサが、レーザ光で照射された前記スキャン対象物表面の全体を合焦するように、被写界深度が十分に大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記スキャン対象物の３Ｄ像を構築することは、前記スキャン対象物が前記走査プローブからのレーザ光によって照射された時に撮影された、前記画像センサからの連続する前記スキャン対象物の前記２Ｄ画像に対して、
各２Ｄ画像の隆起点を検出し、前記検出は、各２Ｄ画像に対して、前記スキャン対象物の表面から反射されたレーザ光のパターンを表す画素の組の中で、最も輝度の高い画素の組を特定することを更に含み、
前記画像センサ内の各画素とスキャナ空間内の対応する点との間の所定の関係に基づいて、前記隆起点をスキャナ空間の点に変換し、
スキャナ空間を画定する座標系の原点と物体空間を画定するもう１つの座標系の原点との関係に基づいて、スキャナ空間の前記点を物体空間の点に変換する、
ことを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記３Ｄ画像を構築することは、前記プローブが前記スキャン対象物に対して移動する際に前記画像センサによって撮影された連続する画像に基づいて、３Ｄ画像を構築することを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記スキャン対象物は、耳である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記スキャン対象物は、耳の内部である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
人体の開口部の中へ延伸するように構成された前記走査プローブを更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記レーザ光源は、前記広角レンズよりも更に遠位方向に、かつ前記広角レンズの視野の中に延伸する光ファイバを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
三次元スキャン対象物の幾何形状を決定する方法であって、
光源を用いて光のパターンを座標系内のある位置に投射することであって、前記光のパターンの少なくとも外側部の一部は、前記スキャン対象物の表面を照射し、
前記位置を含む焦点面を有する画像センサを用いて、前記座標系内の前記外側部の位置を決定する、
ことを含む方法。
【請求項１７】
前記スキャン対象物の異なる表面を照射するために前記光源を移動させ、
前記異なる表面毎に前記投射することと前記決定することとを繰り返す、
ことを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記座標系内におけるスキャン対象物の位置を決定し、
前記スキャン対象物の異なる表面の外側部の位置を、前記座標系内の前記スキャン対象物の位置に関連付ける、
ことを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記座標系内におけるスキャン対象物の位置を決定し、
前記スキャン対象物の異なる表面の外側部の位置を、前記座標系内の前記スキャン対象物の位置に関連付け、
前記外側部の関連付けされた位置を用いて、三次元形状を組み立てる、
ことを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記スキャン対象物は、耳である、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１１年３月２３日に出願された、「光学走査装置」と題する米国仮特許出願第６１／４６６，８６３号の利益及び優先権を主張する。
【０００２】
本特許出願は、２０１２年３月１２日に出願された、「光学走査装置」と題する米国特許出願第１３／４１７，７６７号の利益及び優先権を主張する。
【０００３】
本発明は、柔軟組織の表面形状の決定、より具体的には、光学技術を用いてそのような形状を決定することに関する。
【背景技術】
【０００４】
補聴器、聴覚保護具、及びカスタマイズされたヘッドフォンでは、患者の外耳道のシリコーン型の作製を必要とすることが多い。聴覚士は、シリコーン材料を耳に注入してその硬化を待ち、できたシリコーン型を使って製造業者が個人仕様に合わせたインナーイヤ装置を作製する。このプロセスは、時間がかかり、高価であり、一貫性がなく、かつ患者にとって不快であり、また危険なことすらある。
【０００５】
また、体の開口部を画定する表面を含む体の表面形状、例えば患者の外耳道、喉、口、鼻孔などの寸法や形状を決定することから恩恵を受ける、これ以外のさまざまな医療ニーズがある。例えば、そのような形状が分かっていることにより、又はそのような形状に特別に合わせた医療装置によって、手術がガイドされることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それ故に、体の開口部に係わる表面の形状と寸法を含む、体表面形状の決定手法の改良に対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態によると、体の開口部をスキャンするための装置が、光源と、広角レンズを備え、光源からの光が広角レンズの遠位部にパターン状に投射される。
【０００８】
別の実施形態においては、本発明の実施形態に体の開口部の幾何形状を決定する方法が含まれる。この方法には、光源を用いて、光のパターンを座標系内のある位置に投射することが含まれる。光のパターンの外側部（ｌａｔｅｒａｌ  ｐｏｒｔｉｏｎ）の少なくとも一部が、体の開口部表面を照射する。外側部の座標系における位置が、その位置を含む焦点面を有するカメラを利用して決定される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の装置の模式図である。
【図２】本発明の別の実施形態のプローブの模式図である。
【図３Ａ】図２のプローブの遠位端の様々な図である。
【図３Ｂ】図２のプローブの遠位端の様々な図である。
【図３Ｃ】図２のプローブの遠位端の様々な図である。
【図３Ｄ】図２のプローブの遠位端の様々な図である。
【図３Ｅ】図２のプローブの遠位端の様々な図である。
【図４】図２のプローブの展開図である。
【図５】広角レンズの前方視野内にビームスプリッタを用いた、本発明の別の実施形態の模式図である。
【図６】較正のためにレーザ光パターンで照射された、目的物の皮膚の画像である。
【図７】厚さ方向の強度分布を示す、図６のレーザ光パターンの外側部厚さの断面図である。
【図８】図２のプローブの較正に使用する目的物の図である。
【図９】図２の広角レンズのプローブを用いてキャプチャされた図８の目的物のシミュレーション画像である。
【図１０】測定面と交差するレーザ光パターンの外側部の半径距離と位置を検知するためにプロセッサにより使用される数学と幾何配置の模式図である。
【図１１】図１に示すコンピュータによって再現された外耳道の一部の三次元形状図である。
【図１２】本発明の別の実施形態の、耳の鞍部の幾何形状を計測する方法において使用される耳の構造の斜視図である。
【図１３】表面の幾何形状を光学的に決定するための、本発明の別の実施形態のコンピュータシステムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで図１〜４を参照すると、本発明の実施形態は、光源１２と広角レンズ１４とを含む、体の開口部又は表面をスキャンするための装置１０を含んでいる。光源からの光は、広角レンズ１４の遠位部又は近傍に、パターン１６となって投射される。好ましくは、パターン１６は、広角レンズ１４の焦点面１８の内部にある。パターン１６は、外耳道などの体の開口部表面と交差し、面に沿って広がるパターンの外側部の一部２０を画定する。プロセッサ２６は、広角レンズ１４からの外側部２０の画像を受信し、広角レンズ１４の既知の焦点面を利用して座標系内に外側部の位置を決定するように構成されている。
【００１１】
ここで“既知”という用語は、所望の分解能を達成するために近似的に通常の許容範囲内であることが分かっていることを指している。従って、既知の焦点面は、ある厚さとそれに対する、通常の製造公差の結果に対応した変動幅を持っている。
【００１２】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであって、本発明を制限することを意図していない。ここで使用されているように、文脈で明確にそうでないことを示さない限り、単数形は複数形も含むことを意図している。また、本明細書で使用される、“備える”及び／又は”含んでいる”という用語は、記述した特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は部品の存在を特定するものであるが、１つ又は複数のその他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、部品及び／又はそのグループの存在又は追加を除外するものではない。
【００１３】
以下の特許請求の範囲において、すべてのミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション（ｍｅａｎｓ  ｏｒ  ｓｔｅｐ  ｐｌｕｓ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）要素に対応する構成、材料、アクト及びその均等物は、具体的に請求項に記載された他の請求要素との組合せにおいて機能を遂行するための、任意の構成、材料、動作を含むことを意図している。本発明の記述は、図示及び説明の目的で提示されている。ただし網羅的であることも、また本発明を開示した形式に限定することも意図していない。本発明の範囲及び精神を逸脱することなしに、当業者には多くの変更及び変形が明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最もよく説明し、かつ想定される特定の利用に適するように種々の変更がなされた様々な実施形態に関して他の当業者が本発明を理解できるようにするために、選択され、記述された。
【００１４】
再び図１、２を参照すると、患者の体３０が装置１０で検査されている。装置は、手持ちのプローブ３４、光学ハードウェ組立品６６、追跡システム２８、及びコンピュータ６８を更に含んでいる。
【００１５】
注目すべきは、レーザとファイバスコープとの両方又は一方に対する光源を含む光学ハードウェア組立品６６と、追跡システム２８と、コンピュータ６８の要素の一部又は全てを、手持ちプローブ３４の本体内に含むことが可能なことである。
【００１６】
患者の体３０には、医療目的のために本発明の実施形態によって調査可能な、複数の開口部又は体表面のいずれかがある。体マーカ３８、すなわち基準点で、対象とする表面又は開口部を画定する体３０の部分を装飾する。例えば、ヘッドバンド７２が外耳道７０の近くの頭部に巻き付けられ、複数の逆反射する球を支持している。
【００１７】
また、工業的環境下での湾曲した開口部や表面の計測などの、医療用途以外への利用も可能であることも注目すべきであろう。ただし、本発明の実施形態は、小さな直径（約６ｍｍ）を持つ外耳道７０の表面計測に特に好適である。外耳道は、長さ方向に少なくとも１つの屈曲を持っている。
【００１８】
プローブ３４は、ハンドル７４、ケーブル７６、プローブシャフト４０、及び複数のプローブマーカ３８を含む。ケーブル７６には、光導体４２と複数の画像導体４４が含まれ、プローブ３４を光学ハードウェア組立品６６へ接続する。画像導体は、ファイバ光学路を通して、あるいは画像データを含む電気信号の通信を介して、光学像を伝導してもよい。従って、“導体”という用語は、本明細書においては最も広義に使用され、アナログやデジタル、また電力、情報、データのいずれをも問わず、任意の信号を伝導することを含む。導体は、またＲＦ信号などによる無線通信を表してもよい。
【００１９】
光学ハードウェア組立品には、ファイバスコープ本体と光源１２とカメラが含まれる。ファイバスコープ本体は、画像導体４４の１つを介してプローブ３４に接続されている。カメラは、ファイバスコープ本体に接続されて、体の開口部内部でプローブ３４を道案内するために、そこから画像を受信する。同様に光源は、この場合はレーザ光源であるが、光導体４２を経由してプローブ３４へ接続される。
【００２０】
追跡システム２８は、互いに離れて配置されて、プローブマーカ３６と体マーカ３８との方向に向けられた、一対のカメラを含んでいる。任意選択で、少なくとも３つのプローブマーカがある。追跡システム２８は、集積型システムであって、基板上のハードウェアとソフトウェを用いて、その座標系内の対象物体の位置、又は１つのマーカを他のマーカとの相対位置で、追跡して報告するように構成されていてもよい。あるいは、図１に示す実施形態のコンピュータシステム６８内などに、処理機能が分配されていてもよい。
【００２１】
コンピュータシステム６８は、光学ハードウェア組立品６６と追跡システム２８に接続されている。コンピュータ内には、プロセッサ２６と、図１３で詳細を説明する追加部品がある。一般的に、コンピュータシステムは、プローブ３４からのデータを受信するようになっていて、このデータには、体の開口部表面に交差する光パターン１６の外側部２０上のデータと、座標系に対するプローブ３４と被験者の体の位置データを含む追跡システムからのデータが含まれる。そして、コンピュータのプロセッサ２６は、そのデータを用いて、体表面の三次元形状、例えば個人仕様の補聴器を作製するための外耳道７０の形状、を決定するように構成されている。
【００２２】
図２には、プローブ３４が模式的により詳細に示されており、そこには追跡システム２８のカメラ７８の視野内にある複数の逆反射追跡球の形態をしたプローブマーカ３６が含まれている。上で述べたように、任意選択で３つ又はそれ以上のプローブマーカ３６が使用され、プローブには、そのようなマーカが３つ又はそれ以上含まれている。通常、他の仮定又は情報がない場合に、３つの球が、全６自由度を固定する最小必要数である。プローブの遠位端から光学パターン１６（この場合は平坦面であるが、円錐状の光、又は光束又は他の面形状であってもよい）が照射され、キャップ５６の透明な側壁５８を貫通して広がり、それが外耳道７０の内部表面と交差すると１つ又は複数の外側部２０を形成する。プローブ３４は、有利には外耳道７０の内部を移動できる寸法となっていて、いくつかの形状をキャプチャしてコンピュータシステム６８に送信し、三次元形状３２が組み立てられる。
【００２３】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｆは、プローブ３４の遠位端のより詳細な図である。プローブは、任意選択で、１つ又は複数の光導体４２、画像導体４４、キャップ５６、反射器４８、マスク５０、円錐ミラー５２、及びファイバスコープ５４を備えている。
【００２４】
図３Ａでは、プローブ３４の遠位端が断面で示されており、ファイバスコープ５４とレーザ光を伝搬する光導体４２との端部に近接して広角レンズ１４が配置されている。広角レンズは、点線で示したような視野４６を画定する。レンズの後方近位部には、部分的な外側部２０上の画像又はデータを送るように構成された画像導体４４の１つが延伸している。注目すべきは、図示した実施形態の視野は完全な１５０度であり、光パターン１６が広角レンズの光軸に対して直角に横方向に広がってもよい。１８０度までの角度は可能であるが、角度が広いほど歪曲を最小化するのが困難となる可能性がある。
【００２５】
広角レンズ１４の下を通過して延伸しているのは光導体４２とファイバスコープ５４の遠位端であり、そこには光を拡散させる（光ファイバ束などの）導体と、ナビゲーション画像を戻すための戻り導体が含まれている。光源１２の最遠位端には、円錐形をしてレーザ光をパターン１６に再配向するように構成されたミラー５２が配置されている。円錐形状が、レーザ光の軸に関して大体４５度であれば、パターン１６の形状は円錐面である。４５度で形状は、図２に示すような平坦面６０となる。
【００２６】
マスク５０は、図３Ｄに示すように、一対の穴を持った平坦シートであり、好ましくは透明材料でできていて、再配向させられたレーザ光の、広角レンズ１４後方への反射を遮蔽するようになっている。これは、検出及び測定対象面を反映した光ではない。穴は、レーザ光を円錐ミラー５２へ送る光導体４２と、ファイバスコープ５４への画像導体４４を通過させる。
【００２７】
透明側壁５８とキャップ５６は、プローブ３４の遠位部を囲んで保護するようになっており、同時にレーザ光パターン１６と、ファイバスコープ５４からの拡散ナビゲーション光と、そこから生じて戻る画像とを通過させる。キャップ５６は、ファイバスコープに対して透明であってよいが、必ずしもそうである必要はない。図３に示すように、任意選択でキャップ５６の開口が、ファイバスコープによる光の通過と観察のいずれか又は両方を可能としてもよい。
【００２８】
光導体４２と画像導体は、広角レンズ１４の遠位へ延伸しているので、投射された光のパターン１６が表面に当たる際の画像が、３６０度全体の視野に亘って完全に検出されて戻ってくるわけではない。一方、外耳道などの大よそ筒形の開口においては、戻される外側部の一部２０は、“Ｃ字型”のみであり、光導体４２と画像導体４４で視程が遮られる部分を残してしまう。
【００２９】
図４は、本発明の別の実施形態のプローブ３４の展開図であり、外側シャフト４０を取り去って光学部品の機能がよく分かるようにしたものである。遠位端では、キャップ５６が、透明チューブの短い断片で形成された透明側壁５８に組み付けられている。遠位部には、またミラー５２もあり、これはミラーチューブに装着されてレーザ光導体４２の端部に貼り付けられている。レーザ光導体４２は、コリメータ機能を含んでもよく、円錐ミラー５２で再配向してパターン１６にするための平行ビームを生成する。
【００３０】
ファイバスコープ５４は、円錐ミラー５２の近くに遠位端があり、シャフト４０内の光導体４２に隣接した経路で近位方向に延伸している。ファイバスコープ５４と光導体５２との両方は、ＣＣＤカメラチップ８０のまわりで折れ曲がって、プローブ３４本体内に入り、ケーブル７６を経由してコンピュータシステム６８へ進む。
【００３１】
またプローブ３４のシャフト４０内には、広角レンズ１４とその画像導体４４が、導体４２、４４にほぼ平行となって円筒窓５８から後方へ延びている。広角レンズ１４の光学部品の相対位置は、一対のスペーサ８２を利用して部分的に保持されている。広角レンズ１４は、複数の光学レンズ素子であり、外側部２０の画像を、図４に示すようなプローブ本体内に装着したＣＣＤカメラチップ８０へ戻す画像導体１４を含んでいる。
【００３２】
広角レンズ１４は、回転によって広角レンズ１４の焦点を調節する焦点調節ネジ８４で支えられ、これによってその焦点面を変化させて異なる体の開口部内での精度を向上させ、また様々な開口部内での精度を向上させることができる。焦点調節ネジ８４の近くには、ＣＣＤカメラチップがあり、外側部２０からの画像を受信し、その画像を画素データに変換してコンピュータ６８に戻して処理を行なう。
【００３３】
本明細書で使用している“広角レンズ”という用語は、相対的に広い視野を持ち、外耳道７０のような湾曲した開口内で機能するように構成された任意のレンズを指している。例えば外耳道に対して、画角が６３度であれば、レンズと焦点面間の距離は、中心に配置されたプローブ３４でスキャン可能な外耳道の最大直径に大体等しくなる。注目すべきことには、６０度のレンズ（極めて標準的な寸法の広角レンズ）の焦点面は直径に等しく、前方焦点面が約６ｍｍとなり、これは直径が約６ｍｍである外耳道内の第２の湾曲に対処するのに充分な短さである。従って、外耳道を対象とする場合には、広角レンズは、６０度以上である。更にすぐれた作用をする別の区分は、２：１の比となる９０度の画角であり、前方焦点面の距離が約３ｍｍとなり、プローブ３４をかなり短くすることが可能となる。９０度より大きいレンズも複雑な光学素子を含んだレンズとして可能であり、横方向の視野のみとなって前方視野がないレンズとなる。
【００３４】
図５に示す別の実施形態において、装置１０は、ファイバスコープ５４を必要とせず、代わりに広角レンズ１４が前方視野に使用される。ビームスプリッタが広角レンズ場の中心を第２のカメラに転じて、このカメラは、プローブ３４の更に前方に焦点を持ち、前方視野（レーザ照射されていない）の画像を映すように構成されている。拡散光源が備えられてプローブ３４の前方を照射してもよい。
【００３５】
図６には、レーザパターン１６が皮膚上へどのように投射され、その位置がどのようにマークされるかを決定する目的で、皮膚上に投射されたパターン１６の外側部の一部２０を用いて目的物の皮膚が図示されている。図７に示すように、１つの外側部の垂直断面は、光強度（ｙ軸）がその断面の厚さ（ｘ軸）に対してベル曲線状に変化していることが示されている。こうして、外側部の一部２０は光パターン１６の端部２２又は光パターンの隆起点２４を含み得る。これらの標識点を利用して、座標系における外側部２０の位置を決定することができる。例えば、上記の１つの標識点（例えばプロセッサ２６の隆起点検出機能により）、あるいは外側部の内側端部又は外側部の外側端部が見つかる可能性がある。あるいは、内外側部分と外外側部分の平均が用いられてもよい。
【００３６】
本発明の利点は、広角レンズ１４によって、レーザ光のパターン１６と焦点面の重なりにより体表面の比較的近位の外側部を高い精度で見ることが可能なことである。本明細書で使用する“焦点面”という用語は、例えば５０μｍ以下の特徴を識別することが可能な特定の基本分解能を達成可能な、広角レンズ１４の焦点範囲内の厚さのことである。例えば、焦点面内の横方向にパターン１６を配置することにより、１画素を約５０μｍとなるようにすることができる。焦点面そのものは、分解能がベル曲線状の分布をしており、焦点面の重なりや厚さ、及び、上に示したように厚さ方向にそれ自身の曲線分布を有する外側部２０の幅を変化させることが可能である。
【００３７】
一般に広角レンズ１４は、分解能の狙いを満足させるためには、歪曲の閾値をかなり低くしなければならない。最も広角のレンズでは、歪曲が８０％〜６０％にも達することがあり、焦点面と外側部２０の配置などの、他の領域で精度を向上させて補償する必要がある。従って、全体的な閾値はなく、種々の部品を調整して全体として、広角レンズ１４の光軸から横方向の距離に関する分解能を、５０μｍか、それよりよくなるように調整することが好ましい。発明者らは、歪曲が４０％より良ければ、本明細書で述べている外耳道への適用に対して好適な視野が得られてうまく機能することを見出した。
【００３８】
追跡器すなわち追跡システム２８は、座標系におけるプローブ３４と患者の体３０の位置を決定するように構成されている。プロセッサ２６は、この情報を利用して、プローブ３４の位置と体３０に対する測定値とを決定するように構成されている。追跡システム２８は市販されている追跡システム、例えば、カナダ、オンタリオ州ウォータ−ルー市（Ｗａｔｅｒｌｏｏ，  Ｏｎｔａｒｉｏ，  Ｃａｎａｄａ）のＮＤＩ社のＰＯＬＡＲＩＳ  ＳＰＥＣＴＲＡなどの素子を含んでもよい。本システムは、カメラが２つのシステムであって、プローブマーカ３６と体マーカ３８とを通して、患者とプローブ３４を含む視野内の物体の三次元位置決定を可能とする。
【００３９】
視野の較正が終わって座標系が確立されると、プローブ３４とそのレーザパターン１６が、視野内に配置された目的物を利用して較正される。そのような較正においては、レーザパターン１６と、広角レンズ１４を含む光学系は完全であり、プローブ３４は動かないと仮定する。これによって座標系に向けられたレーザパターン１６を参照可能となる。
【００４０】
例えば図８に示すように、目的物として、プローブ３４のｚ軸に入念に位置合わせされた一対の光学マーカ８８に接続されたチェッカー盤が含まれる。８８に対する８６の相対位置は、較正物体上で写真測量法を実行することで得られる。具体的には、投射されたレーザパターン１６が（公差範囲内で）較正格子に対して（公差範囲内で）共面となるように、プローブ３４を配置する。これは目的物にある、プローブ３４を通過させる穴を利用してもよい。レーザ光パターン１６が目的物８６を面全体に亘って覆えば位置取りが確立される。
【００４１】
チェッカー盤が正しく配置されると、追跡作業が行われ、追跡器２８がマーカ８８に対するチェッカー盤の位置、及びプローブマーカ３６に対するプローブの位置を確定する。次に、プローブ３４とチェッカー盤８６との相対関係を維持しつつ、ランプ又は照明でチェッカー盤８６を照らし、その画像を、広角レンズ１４を通して収集する。好ましくは、追跡器２８に対するｙ軸とｚ軸の方向にも注意して、軸方向の誤差が生じないようにする。
【００４２】
較正には、チェッカー盤がいくつかの異なる方向で光パターンに曝される、非平面の光パターンも含まれてよい。光パターンの外側部がチェッカー盤の線と交差すると、広角レンズに関する非平面の光パターンの形状を再現することができる。図８に示したものと類似の目的物を利用して、パターンの再現形状を手持ち装置の座標系に関係づけることが可能である。
【００４３】
図９は、較正画像をシミュレーションした図である。光学マーカ８８からチェッカー盤８６の各コーナとレーザパターン１６までの距離は、チェッカー盤上の格子点のコーナと一致する。こうして、表面に当たっているレーザの三次元位置を補間して、チェッカー盤８６の最近接の格子点を決定してもよい。この情報を利用して次に、レーザパターンが座標系内に固定される。
【００４４】
別の実施形態において、装置１０は、プロセッサ２６を含み、このプロセッサは、広角レンズ１４と通信で接続されていて、以下のいくつかの機能を実行するように構成されている：−座標系における外側部２０の位置を決定する、−既知の焦点面を利用して、外側部２０の位置を決定する、−座標系システム内の複数の外側部２０の位置と、体３０に対して対応する座標系の位置を決定する、−位置と対応する場所とを利用して、外側部２０を（外耳道などの）体の開口部の三次元形状３２に一緒に組み合わせる。
【００４５】
図１０は、プロセッサ２６によって実装された、プローブ３４の光学軸からの、外側部２０の半径方向距離を計算するための実施形態を模式的に示す。位置は、次の式１〜７で示されるように、三角測量によって決定することができる。
【数１】
2014524751.tif 000003
【００４６】
図１０の例と式１〜７において、スキャナに対する座標系は、ｚ軸が中心にあって走査プローブの中心軸として固定され、まっすぐプローブ内へ向かうような向きとする。本明細書では、画像軸とも称する。この例では従って、レーザ照射点の画像軸からの距離Ｒと、レーザ面とレンズまでの距離Ｓとの比は、画像センサの中心からの距離ｈと画像センサ面とレンズとの距離Ｓ’との比に等しい。倍率Ｍは、Ｓ’とＳの比である。レンズとレーザ面との距離Ｓと、レンズと画像センサとの距離Ｓ’が既知の場合、式１〜７によって照射された点の幾何形状を座標系に再現することができる。これらの式は、平面などの焦点面に対して、座標系の点と画像センサ上の画素位置との間に１対１の写像関係があることも示している。
【００４７】
画像センサは、相補対称型金属酸化物半導体（‘ＣＭＯＳ’）センサ内に電荷結合素子（‘ＣＣＤ’）として、あるいは当業者が考え付くであろうその他のセンシング技術を用いて実装されてよい。ＣＭＯＳセンサは、スナップショット読出し方式により、又は完全なフレーム読出しを行なうためにＺ軸沿いにスキャンをインクリメント又は同期ステップさせながら、回転シャッタを用いて動作させることができる。同様のインクリメントあるいはステップは、画像フレームの飛び越し走査方式で動作されるＣＣＤに対しても利用できる。
【００４８】
図１１は、プロセッサ２６を利用して複数の外側部を組み合わせて構築した外耳道９２の三次元形状３２の例を示す。
【００４９】
本発明の別の実施形態において、図１２に示すように装置１０を、補聴器作製を容易にするのに好適な身体構造特徴の計測に利用してもよい。これらの特徴としては、鞍部９０、外耳道９２、耳甲介９４が含まれる。外耳道９２と耳甲介９４は上記のようにスキャンされ、プローブ３４を回転させてレーザパターン１６が耳珠９６の外側表面上に来るようにする。スキャンは耳介９８を上に移動して鞍部１００に到達し、鞍部１００の上の１０〜１５ｍｍまでスキャンする。このデータは、開口部データとともにプロセッサ２６に送信され、補聴器の特注に利用される三次元形状３２が構築される。
【００５０】
次に図１３を参照すると、本発明の一実施形態による体表面計測用のシステムを実装するように構成された、中央サーバあるいは図１のコンピュータ６８のような類似のネットワークエンティティの模式図が提供されている。本明細書で使用する“中央”とは、サーバが複数のクライアント又は他の計算装置に提供する共通機能を意味するものであり、他の計算装置に対してサーバが中央位置にあることを必要としたり、そうであることを意味するものではない。図１３から理解されるように、本実施形態において、中央サーバ５００は、システムインタフェース又はバス５４５を介して中央サーバ内にある他の要素と通信するプロセッサ５１０（プロセッサ２６のような）を含んでもよい。また、中央サーバ５００には、データの受信及び表示のためのディスプレイ装置／入力装置５２０が含まれてもよい。このディスプレイ／入力装置５２０は、例えば、モニタとの組合せで使用されるキーボード又はポインティング装置であるか、図１、４に示したＣＣＤ８０又は追跡器２８であってよい。中央サーバ５００は、メモリ５０５を更に含んでもよく、この中には、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）５３５とランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５３０の両方が含まれてよい。サーバのＲＯＭ５３５は、情報を１つ又は複数のネットワークへ転送することを助ける基本ルーチンを含む、基本入出力システム５４０（ＢＩＯＳ）を格納するように使用されてもよい。
【００５１】
中央サーバ５００は、更に、ハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、ＣＤ  ＲＯＭディスクなどの様々なコンピュータ可読媒体上に情報を格納するための、ハードディスク装置、フロッピディスク装置、ＣＤ  Ｒｏｍ装置、光ディスク装置などの少なくとも１つの記憶装置５１５を含んでもよい。当業者には理解されるように、これらの各記憶装置５１５は、適切なインタフェースによってシステムバス５４５に接続されてもよい。記憶装置５１５とそれに関連するコンピュータ可読媒体は、中央サーバに対して不揮発性ストレージを提供してもよい。上記のコンピュータ可読媒体は、当技術分野において公知の任意の他のタイプのコンピュータ可読媒体に置き換え得ることに留意することが重要である。そのような媒体としては、例えば磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスクなどが含まれる。
【００５２】
複数のプログラムモジュールが様々な記憶装置とＲＡＭ５３０の中に格納されてもよい。そのようなプログラムモジュールには、オペレーティングシステム５５０と１つ又は複数（Ｎ）のモジュール５６０が含まれてよい。モジュール５６０は、プロセッサ５１０とオペレーティングシステム５５０の支援のもとに、中央サーバ５００の動作の特定部分を制御してもよい。例えば、モジュールは、本明細書に開示した図と他の資料とに示した前述の機能を遂行してもよい。
【００５３】
図１〜１３の模式図、フローチャート、ブロック図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品のアーキテクチャと機能と実行し得る実装の動作を示している。これに関して、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、特定の論理機能を実装するための１つ又は複数の実行可能命令から成る、モジュール、セグメント、又は部分コードを表していてもよい。代替の実装のあるものでは、ブロックに記した機能が図中に示した順序とは違うことがあることにも留意されたい。例えば、連続して表示された２つのブロックが、実際は、実質的に同時に実行されたり、時には、含まれている機能によって逆の順序でブロックが実行されたりすることがある。ブロック図及び／又はフローチャート図の各ブロックと、ブロック図及び／又はフローチャート図のブロックの組合せを、特定の機能やアクト、又は特定用途のハードウェアとコンピュータの命令の組合せを実行する、特定用途のハードウェアベースのシステムに実装することも可能である。本明細書で記述した本発明の実施形態の利点は、比較的短い距離（３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ又はそれより小さい）のパターン１６とプローブ３４を越えて広がる焦点面１８があり、これらが直径の小さく、屈曲の３ｍｍ先をスキャンすることが有益である、外耳道などの湾曲した形状の開口部内で横方向の撮影を可能とすることであり、またその外耳道の部分を複数回通過させることなくより大径の外耳道及び空間を撮影することも可能とすることである。また、広角レンズ１４の歪曲が小さいことで、レーザパターン１６が焦点面１８に一致する場合に高分解能をもたらす。このことにより、従来技術のシステムでは隣接する画素が１ｍｍ以上離れるのに対し、単一画素に対して５０μｍの分解能が可能となる。
【００５４】
特に補聴器の作製に対する利点としては、シリコーンモールドを作製しないで、耳を直接スキャンすることが可能な方法であることが含まれる。品質、性能、及びフィット感が改善され、その一方で、外耳道の形状と寸法をキャプチャして補聴器の製造業者へ直接提出することで、コストが下がり、製造速度を上げられる。その他の医療応用としては、内視鏡手術、歯科印象や、前述したさまざまなパイプや導水管やチューブやそのほかの開口部の検査などの工業用途が含まれる。
【００５５】
以下の特許請求の範囲において、すべてのミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション（ｍｅａｎｓ  ｏｒ  ｓｔｅｐ  ｐｌｕｓ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）要素に対応する構成、材料、アクト及びその均等物は、具体的に請求項に記載された他の請求要素との組合せにおいて機能を遂行するために、任意の構成、材料、アクトを含むことを意図している。本発明の記述は、図示及び説明の目的で提示されている。ただし網羅的であること、及び本発明を開示した形式に限定することを意図するものではない。本発明の範囲及び精神を逸脱することなしに、当業者には多くの変更及び変形が明らかであろう。例えば、カメラは任意の種類の画像センサであってよい。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最もよく説明し、かつ想定される特定の利用に適する種々の変更を施した様々な実施形態に関して他の当業者が本発明を理解できるようにするために、選択され、説明された。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014524751.tif 000014
【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図９】
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【国際調査報告】
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