(57)【要約】電磁ポジショニングシステムと方法は、時間と共に隔離ターゲット検査エリアにおけるリモートオブジェクトの位置と方向を測定することができる。具体的には、リモートオブジェクトは、リモート小型化検査装置である。ポジショニング過程では、電磁ポジショニングシステムとリモート小型化検査装置は、何れも予想されるかまたは予期しない、制御された及び制御できない動きを有する可能性がある。電磁ポジショニングシステムを運行することにより、リモート小型化検査装置の位置と方向情報を時間と関連付けることができ、リモート小型化検査装置によって収集された任意の情報、例えば、収集された写真画像は、リモート小型化検査装置が隔離された対象検査エリア内で進行する時に、検査装置の時間や位置情報と動的に関連することができる。【選択図】図１
2021527801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットエリア内のリモートオブジェクトの位置を確定するための携帯式電磁ポジショニングシステムであって、
隔離されたターゲット検査エリアに配置されるように構成され、且つ第１の三次元磁場センサー、信号処理モジュール、及び無線通信モジュールを有するリモート小型化検査装置と、
それぞれ三次元でパルス磁場を発生することができる携帯式外部磁場発生アセンブリと、
基準磁場センサーとして、隔離されたリモートターゲットエリアの外部の支持面に配置されるように構成された第２の三次元磁場センサーと、を含み、
外部で発生された前記パルス磁場は、第１の三次元磁場センサーによって感知されることができ、
第２の三次元磁場センサーは、リモート検査装置がリモートの隔離されたターゲットエリア内を移動する時に、所定の位置及び固定された方向で外部支持面に配置される、携帯式電磁ポジショニングシステム。
【請求項２】
前記第１の磁気センサーは、３Ｄ磁気抵抗性ＡＭＲセンサー、３Ｄホール効果センサー、ＭＥＳベースの磁気センサー、フラックスゲートまたはコイルに基づく磁気センサー、磁気誘導磁気センサー、光ファイバ磁気センサー、３Ｄ磁気センサーと３Ｄ加速度センサーを組み合わせた６軸センサーなどの集積センサー、３Ｄ磁気センサーを組み合わせた９軸センサー、３Ｄ加速度センサー、及び３Ｄジャイロセンサーを含むセンサーのグループから選択される、請求項１に記載の携帯式電磁ポジショニングシステム。
【請求項３】
前記外部磁場発生アセンブリは、ｘ、ｙ、及びｚ座標で互いに垂直に配置された３つの励磁コイルからなり、前記３つの励磁コイルは、前記コイルに接続されたパルスまたはバイポーラパルス電流発生器によってパルス磁場を発生することができ、前記パルス幅は、１ＮＳから１０秒の間である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記外部三次元励磁コイルアセンブリは、前記第１の磁気センサーにおいて０．０００２〜１２００ガウスの範囲の磁場を発生することができる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の三次元磁場センサーは、前記外部三次元励磁コイルアセンブリから０〜８０ｃｍ離れて配置される、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記携帯式外部磁場発生アセンブリと同じである２つの追加の携帯式外部磁場発生アセンブリをさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記３つの携帯式外部磁場発生アセンブリが、前記ターゲットエリアを取り囲むように分散されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
コイル駆動モジュールを介して携帯式外部磁場発生アセンブリに命令を送信して、各コイルを独立して動作させ、且つリモート小型化装置での第１の三次元磁場センサーからデータを受信するモバイルレコーダーをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記モバイルレコーダーは、記憶モジュールをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
ターゲットエリア内のリモートオブジェクトの位置及び方向を確定するための方法であって、
携帯式外部磁場発生アセンブリを提供するステップと、
３Ｄ磁気センサーが固定されたリモートオブジェクトを密閉または半密閉されたターゲットエリア内に導入するステップと、
三次元磁気励起アセンブリによって発生された３つの「純粋な」磁場を確定するステップと、
リモートオブジェクトの位置を計算するステップと、
リモートオブジェクトの方向を確定するステップと、
を含む、ターゲットエリア内のリモートオブジェクトの位置及び方向を確定するための方法。
【請求項１１】
前記三次元磁気励起アセンブリによって発生される３つの「純粋な」磁場を確定するステップは、環境磁場データを測定し、三次元磁気アセンブリの測定された全磁場データから前記環境磁場データを除去することによって達成され、且つ励磁コイルからのパルス磁場の前または／及び後に毎回環境磁場ベクトルを測定すること、及び環境磁場ベクトルを除去することにより、外部磁場発生アセンブリによって発生された磁場ベクトルを較正することを含み、
環境磁場検出と励磁コイルからのパルス磁場との間の時間間隔は、変化する環境磁場の周期の半分未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記三次元磁気励起アセンブリによって発生される３つの「純粋な」磁場を確定するステップは、磁気発生アセンブリ内の各コイルによって発生される磁場を正及び負の方向で測定し、且つ２つの全磁場データの結果を追加することによって、環境磁場を相殺させることによって達成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記三次元磁気励起アセンブリによって発生される３つの「純粋な」磁場を確定するステップが、全磁場を３回測定するコンビナトリアルシーケンシング法によって達成され、そのうち１つのコイルの少なくとも１つの電流方向が前のシーケンスとは異なる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記リモートオブジェクトの位置を計算するステップは、式（５）によって３つの座標における前記リモートオブジェクトの現在の位置データＰ（a，Ｂ，c）を確定することを含む、請求項１０に記載の方法。
【数１】
2021527801.tif 000044
そのうち、ｐは、外部磁場発生アセンブリとリモートオブジェクトとの間の距離であり、Ｂｘは、ｘ方向に発生される磁場であり、Ｂｙは、ｙ方向に発生される磁場であり、Ｂｚは、ｚ方向に発生される磁場であり、Ｍｘは、ｘコイルからｚコイルへの磁気モーメントの比率であり、Ｍｙは、ｙコイルからｚコイルへの磁気モーメントの比率であり、前記磁気モーメントは、コイル電流とコイルの開放した断面面積に比例し、ワイヤーが回転する。
リモート小型化検査装置の方向を確定する。
【数２】
2021527801.tif 000045
【数３】
2021527801.tif 000046
そのうち、位置Ｏは、位置に対する外部磁場発生アセンブリの位置であり、ＯからＰまでのラインは、３つの座標においてそれぞれ３つの軸ｘ、ｙ及びｚと共同で角度α、β、γを形成する。
【請求項１５】
前記携帯式外部磁場発生アセンブリは、複数の励磁コイルアセンブリを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
前記携帯式外部磁場発生アセンブリは、外部コイルアセンブリから構成されており、各コイルアセンブリは、３つの励磁コイルからなり、且つ互いに垂直に配置される、請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
３つの電磁コイルｘ、ｙ、及びｚを個別に充電して、３つの座標方向での磁場をそれぞれ確定した後に、地磁場を測定して差し引く、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記リモートオブジェクトと前記基準センサーとの間の距離を前記基準曲線として経時的に追跡し、前記外部励起アセンブリが転位したかどうかを確定し、且つ前記基準曲線の痕跡に対して較正することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１９】
信号ノイズ比を改善するために、３つの励磁コイルアセンブリが提供される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
クロスリファレンス
【０００２】
ない
【０００３】
技術分野
【０００４】
本発明は、リモートオブジェクトの配向及び移動のための磁場の使用に関する。より具体的には、本発明は、携帯式磁気発生システムを使用して、リモート小型化検査装置の位置を確定するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
背景技術
【０００６】
比較的に小さい検出器またはセンサーを配置して、狭くて、近接しにくくまたは遠い空間でタスクを実行するのは、多くの場合に有効である。例えば、無線リモート小型化検査装置を使用して、カメラで画像を収集することや、薬物の容器を配備することによって、薬の量を消化システムの全域に搬送することが当業者には知られている。医療分野で使用される現在利用可能な無線リモート小型化装置は、消化管の蠕動によって運ばれる。非医療用途において、プローブリモート小型化試験装置は、配管またはチューブのシステムを通じて流体の流れ及び／または重力によって運ばれている。そのようなアプローチは、調査される環境に固有の動きを利用し、プローブの動きと方向はある程度偶然に任されている。リモートプローブ技術のために、制御可能な位置と方向を提供するという課題は重要である。リモートプローブに移動機能を提供する試みは、機械的な駆動システムによって行われている。しかしながら、そのようなシステムはかなりの量の電力を必要とし、利用可能なスペース内で提供されるのが困難である。近年、リモート小型化検査装置内でその場に置かれた永久磁気双極子と外部磁気制御システムとの相互作用による磁気制御システムが開発されている。しかしながら、永久磁気双極子の使用がリモート小型化検査装置のサイズと重量を増加させ、外部磁気制御システムが高価であり、リモート小型化検査装置の内視鏡の位置を検出する代替法を見付けることが重要である。
【０００７】
電磁ポジショニングシステムを利用して、消化管内のリモート小型化検査装置の位置をリモートで測定することが知られている。ここで開示されている電磁ポジショニングシステムは、三次元磁場センサー、信号処理モジュール、無線通信モジュール、３つの外部磁場励磁コイル、及び外部データ記録装置を有する密閉型リモート小型化検査装置を含む。電磁ポジショニングシステムの動作中に、３つのコイルは、患者の体の表面に固定され、且つ電流の励磁の下で連続的に磁場を発生し、消化管内のリモート小型化検査装置は、外部磁場を検出し、且つデータを発生して記録装置に送信する。そうすることにより、記録装置は、外部励磁コイルとリモート小型化検査装置の両方に関連する情報を一度に受信するため、リモート小型化検査装置の消化管内での行程を追跡することができる。
【０００８】
前述した内容及び発生する可能性がある問題について、リモートオブジェクトの配向及び移動のための改善された装置、システム及び方法は、技術への貢献に役立つでしょう。さらに、以上に鑑みて、システムまたはリモートプロジェクトが予測可能にまたは予測不能に移動する過程において、リモートオブジェクトの位置及び方向を正確に検出できるシステム及び方法は、必要とされている。
【発明の概要】
【０００９】
発明内容
【００１０】
本発明は、時間と共に隔離されたターゲット検査エリアにおけるリモートオブジェクトの位置と方向を測定できる電磁ポジショニングシステムを開示する。具体的には、リモートオブジェクトは、リモート小型化検査装置である。ポジショニング過程では、電磁ポジショニングシステムとリモート小型化検査装置は、何れも予期されるまたは予期できなく、制御される及び制御できない動きを有し得る。本明細書で開示された電磁ポジショニングシステムを実施することにより、リモート小型化検査装置の位置と方向の情報を時間とリンクさせることができ、リモート小型化検査装置によって収集された情報、例えば収集した写真画像は、リモート小型化検査装置が隔離されたターゲット検査エリア内を移動する時に、検査装置の時間及び位置情報と動力学的に関連付けることができる。
【００１１】
本発明の１つの目的は、リモートオブジェクトの位置を電磁的に確定するためのシステムを提供することであり、このシステムは隔離されたターゲットエリアにおいてリモートオブジェクト及びその運動データを追跡することができる。
【００１２】
本発明の他の目的は、リモートオブジェクトの位置を電磁的に確定するためのシステムを提供することであり、リモート小型化検査装置が隔離された対象となる検査エリアを通過する時に、時間または地理情報がダイナミックにラベル付けされる高品質の写真画像を撮ることができる。そうすることにより、撮像手段を有するリモートオブジェクトは、予め定められた位置間隔で写真を撮るか、またはリアルタイムでプログラムするようにプログラムされることができ、そのため、撮影及び処理が必要な、隔離されたターゲット検査エリアの写真画像の総数が大幅に削減される。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、リモートオブジェクトの位置を電磁的に確定するための、エネルギー消費率が低い携帯式システムを提供することにあり、これにより、リモートオブジェクトは、リモートエリアでの移動中に全員一致で効率的に動作できる。低エネルギー消費率は、リモートオブジェクトをインテリジェントにオンにして動作状態にするか、または高エネルギー消費の仕事関数の総数を減らすことによって達成される。例えば、受け取った情報の量と質を犠牲にすることなく、撮影が必要な写真の総数を減らすために選択的に写真を撮る。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、携帯式外部磁場発生アセンブリが追加の物理的機械器具を使用せずに、リモートされたエリアに容易に持ち運ばれたり、リモートされたエリアを覆うように配置されるように、リモートオブジェクトの位置を電磁的に確定するための携帯式システムを提供することである。前記携帯式システムは、環境に対する感度が非常に低く、屋内または屋外で正確に働くことができる。
【００１５】
本発明のもう１つの目的は、携帯式システムが静止状態であるかまたは移動状態であるかにかかわらず、リモートオブジェクトの位置を電磁的に確定するための携帯式システムを提供することである。また、リモートオブジェクトの移動が携帯式システムの移動と同期するかどうかにかかわらず、本明細書で開示された測定システム及び計算方法から得られた位置情報は信頼できる。
【００１６】
本発明の第１の態様によれば、携帯式電磁ポジショニングシステムが開示される。携帯式電磁ポジショニングシステムは、隔離されたターゲット検査エリアにその場に配置されるように構成されたリモート小型化検査装置を備え、第１の三次元磁場センサー、信号処理モジュール及び無線通信モジュールを有する。携帯式電磁ポジショニングシステムは、三次元でパルス磁場を発生することができる携帯式外部磁場発生アセンブリをさらに含み、外部で発生されたパルス磁場は、第１の三次元磁場センサーによって感知されることができる。電磁ポジショニングシステムは、必要に応じて少なくとも第２の三次元磁場センサーを含む基準位置ユニットを含み、隔離されたリモートターゲットエリアの外部のサポートサーフェスに配置されるように構成されている。第２の三次元磁場センサーは、リモートオブジェクトがリモートの隔離されたターゲットエリアを移動する時に、所定の位置と固定方向で外部支持面に配置される。さらに、前記電磁ポジショニングシステムは、モバイルレコーダーを備える。前記モバイルレコーダーは、三次元コイルアセンブリに命令を送信し、且つリモートオブジェクトから情報を受信する。
【００１７】
一実施形態では、本発明の第１の態様によれば、前記リモートオブジェクトは、リモート小型化検査装置である。
【００１８】
別の実施形態では、本発明の第１の態様によれば、前記携帯式外部磁場発生アセンブリは、パルス磁場を三次元的に発生する三次元励磁コイルアセンブリである。前記三次元励磁コイルアセンブリは、０．０２〜１２ガウスの範囲内で磁場を発生できる。本明細書に開示される実施形態では、前記三次元励磁コイルアセンブリは、リモートオブジェクトまたはリモート小型化検査装置から３〜２０ｃｍ離れて配置されるように構成される。
【００１９】
一例では、三次元励磁コイルアセンブリは３組のコイルを有し、各コイルは１つの軸を巻いて巻き付けられ、各軸は別の２つの軸に対して垂直であり、３つの軸は三次元励磁コイルアセンブリの中心で交差しており、そのうち、前記三次元励磁コイルアセンブリは、球形または立方体である。好ましくは、三次元励磁コイルの中心からリモートオブジェクト中心までの距離は、約１０ｃｍである。
【００２０】
好ましい実施形態では、本発明の第１の態様によれば、外部磁場発生アセンブリは、追加の物理的な機械的固定具なしで、リモートエリアに容易に近づけるか、またはリモートエリアを覆うように配置されることができる。
【００２１】
さらに別の実施形態では、本発明の第１の態様によれば、携帯式外部磁場発生アセンブリは、３つの三次元励磁コイルアセンブリを含み、各三次元励磁コイルアセンブリは、ｘ、ｙ、ｚ方向に巻かれた励磁コイルから構成される。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、電磁ポジショニングシステムを使用して、リモートオブジェクトの位置を正確に検出して、計算するための方法は開示される。この方法は、三次元磁気励起アセンブリにより発生される３つの「純粋な」磁場を確定する第１のステップと、リモートオブジェクトの位置を計算する第２のステップと、リモートオブジェクトの方向を確定する第３のステップとを含む。
【００２３】
三次元磁気励起アセンブリによって発生された３つの「純粋な」磁場を確定するための３つの代替方法が開示される。第１の方法は、三次元磁気アセンブリの測定された全磁場データから環境磁場データを測定し、環境磁場データを除去することを含む。
【００２４】
第２の方法は、環境磁場データを正負方向に測定するバイポーラパルスシーケンシング法を用いて全磁場データを測定し、２つの全磁場データを加算すると環境磁場が打ち消される。
【００２５】
第３の方法は、コンビナトリアルシーケンシング法を使用して全磁場を３回測定することを含み、その中、１つのコイルの少なくとも１つの電流方向は、前のシーケンスとは異なる。
【００２６】
さらに、全磁場から環境磁場を差し引くことによって環境磁場を取得する実施形態では、一実施形態では、全磁場を測定する前に第１の環境磁場を測定することを含む。別の実施形態では、環境磁場を確定することは、パルス磁場を発生するステップの後に第２の環境磁場を測定することを含む。好ましい実施形態では、環境磁場を確定することは、パルス磁場を発生するステップの前に第１の環境磁場を測定することを含み、パルス磁場を発生するステップの後に、第２の環境磁場を測定し、環境磁場のデータとして、第１の及び第２の環境磁場の平均値を取る。
【００２７】
本発明の原理を実行する際に、好ましい実施形態によれば、本発明は、リモートオブジェクトによって発生または収集された情報がリアルタイムで地理的または状態情報で標識されることを可能にする携帯式システム及び使い易い方法を提供する。本明細書に開示される携帯式システム及び使い易い方法は、隔離されたエリア内のリモートオブジェクトの動きをリアルタイムまたは所定の時間間隔で追跡することができる。リモートオブジェクトの位置や方向などの検出可能で信頼性の高い地理情報と効果的なワイヤレス通信モジュールによって、オペレーターまたは人工知能インターフェースは、リモートオブジェクトと対話して、リモートオブジェクトをよりインテリジェントかつ効率的に動作させて、設計された目的に適合するより関連性の高い情報を収集させる。
【００２８】
本発明は、リモートオブジェクトの方向制御、リモートオブジェクトの制御された動き、プローブ運動システムの低電力消費要件、及び運動制御及びデータ収集要素の堅牢性を含む１つ以上の利点を提供するが、これらに限定されない。本発明のこれら及び他の特徴、機能及び利点は、添付の図面に関連して本発明の代表的な実施形態の詳細な説明を慎重に検討することにより、当業者によって理解することができる。
【００２９】
本発明は、以下の説明及び図面考慮した上に、明らかに理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の態様による、電磁ポジショニングシステムの第１の例示的な実施形態の概略図である。
【００３１】
【図２】図２は、本発明の態様による、電磁ポジショニングシステムの第２の例示的な実施形態の概略図である。
【００３２】
【図３】図３は、本発明の態様による、リモートオブジェクトの例示的な実施形態の分解図である。
【００３３】
【図４】図４は、本発明の態様による、基準位置アセンブリの例示的な実施形態の概略図である。
【００３４】
【図５】図５は、使用状況の一例の概略図であり、人物像が図解目的のためであり、本発明の一部ではない。
【００３５】
【図６】図６は、三次元励磁コイルアセンブリの中心とリモートオブジェクトの位置との間の空間関係を示す図であり、位置Ｏは、三次元励磁コイルアセンブリの中心である。
【００３６】
【図７】図７は、三次元励磁コイルアセンブリをオン及びオフにするためのパルスシーケンスの一実施形態である。
【００３７】
【図８】図８は、三次元励磁コイルアセンブリをオン及びオフにするためのパルスシーケンスの別の実施形態である。
【００３８】
【図９】図９は、本発明の態様による三次元励磁コイルアセンブリの例である。
【図１０】図１０は、本発明の態様による三次元励磁コイルアセンブリの例である。
【図１１】図１１は、本発明の態様による三次元励磁コイルアセンブリの例である。
【図１２】図１２は、本発明の態様による三次元励磁コイルアセンブリの例である。
【００３９】
【図１３】図１３は、リモートオブジェクトの位置及び方向を確定するための方法ステップを示すフローチャートである。
【００４０】
【図１４】図１４は、環境磁場を確定するための方法ステップを示す例示的なフローチャートである。
【００４１】
【図１５】図１５は、本発明の態様による、リモートオブジェクトの位置及び方向を取得するための方法ステップを示す例示的なフローチャートである。
【００４２】
【図１６】図１６は、本発明の態様による、リモートオブジェクトの位置及び方向を取得するための方法ステップを示す例示的なフローチャートである。
【００４３】
【図１７】図１７は、三次元磁気励起アセンブリによって発生された３つの「純粋な」磁場を取得するための３つの代替経路を示している。
【００４４】
【図１８】図１８は、本発明の態様による、例示的な小型医療機器の概略図である。
【００４５】
【図１９】図１９は、モバイルレコーダーとその外部コイルアセンブリとの相互作用の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
詳細な説明における参照は、特に言及しない限り、様々な図面における同様の参照に対応する。書面による説明で使用される上、下、水平、垂直、アッパー、サイド等の記述性及び方向性の用語は、特に明記されていない限り、図面自体を指すが、本発明の物理的制限ではない。図面は、縮尺通りではなく、図示されるかまたは説明される実施形態の幾つかの特徴が本発明の原理及び特徴を説明するために、簡略化または増幅される。
【００４７】
本発明の様々な例示的な実施形態の作成及び使用が本明細書で論じられているが、その使用のための装置及び技術は、多種多様な特定の状況で具体化することができる発明の概念を例示することが理解されるべきである。本発明は、本発明の原理を変更することなく、様々な用途及び実施形態で実施できることを理解されたい。明確にするために、該当する技術分野の当業者によく知られている機能、コンポーネント、及びシステムの詳細な説明は含まれていない。一般に、本発明は、リモートオブジェクトを移動して、方向付けるための装置、システム、及び方法を提供する。本発明は、代表的な例示的な実施形態の文脈で説明されている。実施形態の詳細についての変形例及び代替案が可能であるが、それぞれが従来技術に対して１つまたは複数の利点を有する。
【００４８】
簡単にするために、本明細書に開示される小型化検査装置は、生体内に配置されるように設計されている。ターゲットエリアは消化管であり、非侵襲的な配達方法の１つは、消化管に飲み込むことである。しかしながら、本明細書に開示される小型化検査装置は、その形状、寸法またはサイズの制限として解釈されるべきではない。本明細書に開示される小型化検査装置及び三次元励磁コイル及びそれを使用する方法は、小型化検査装置及び励磁コイルの動きが本発明の態様を満たす限り、他の多くの用途に適用することができる。
【００４９】
簡単にするために、ソレノイドは、三次元励磁コイルアセンブリの幾つかの例で使用されている。殆どの説明では、ソレノイドは、円筒状体の周りに巻かれたコイルと呼ばれる。しかし、本発明の範囲内で、ソレノイドに関する例及び計算は、例示の目的のためだけであり、限定的であると解釈されるべきではない。
【００５０】
３Ｄソレノイドアセンブリは、互いに対して垂直である３つのコイルを含む。３つのコイルは、共通の幾何学中心を持つ。各コイルの断面形状は、円板、正方形、長方形または楕円形であってもよい。断面面積は、同じまたは僅かに異なることができる。可変な断面の例は、球形のコイルまたは長方形の三次元コイルアセンブリが挙げられる。
【００５１】
本発明は、リモートオブジェクトのポジションを確定するための計算を含む。計算では、全ての３Ｄソレノイドアセンブリが３つの垂直磁気双極子としてモデル化されている。この仮定は、通常、リモートオブジェクトからコイルの中心までの距離がその幾何学長より２倍長い場合には、適切な近似値である。ただし、均一な球形コイルの場合、リモートオブジェクトから球形コイルの中心までの距離がその半径よりも長い場合、双極子モデルは正確である。これは、測定ポイントがソレノイドバルブに非常に近い場合の概算である。私たちのダイポールモデルは、コイルまでの距離が最長寸法から約２〜３倍離れている場合に適している。
【００５２】
本出願の態様によれば、幾つかの実施形態では、「携帯」は、積載される、運搬される及び容易に輸送されることができることを意味する。幾つかの実施形態では、「携帯」は、着用可能、着用に適している、または着用可能であることを意味する。さらに、幾つかの実施形態では、「携帯」とは、電磁システムが絶えず、予測可能または制御不能に移動することを意味する。
【００５３】
本発明の態様によれば、磁気励起アセンブリとリモートオブジェクトとの間の距離は、磁気励起アセンブリの中心からリモートオブジェクト内の３Ｄ磁気センサーの瞬時位置までの距離として定義される。磁気励起アセンブリの中心は、磁気励起アセンブリの個々の磁気軸の交点として定義される。一例では、磁気励起アセンブリの中心は、磁気励起アセンブリの幾何学的中心である。別の例では、磁気励起アセンブリの中心は、磁気励起アセンブリの幾何学的中心ではない。
【００５４】
本発明の態様によれば、３Ｄ磁気センサーは、リモート移動オブジェクトに固定される。前記リモート移動オブジェクトは、３Ｄ磁気センサーに電力を供給するための電源と、３Ｄ磁気センサーによって感知された磁場をデジタル化できるマイクロプロセッサ制御ユニット、及びオプションの無線通信ハードウェアを含む。
【００５５】
本発明の態様によれば、リモートオブジェクトの距離及び位置を確定するための数学的計算及び本発明の範囲内の他の計算において、Ｂは、磁場の強さである。Ｂｘでは、１番目の記号ｘはＢの隣にある通常のフォント文字であり、磁場強度の起源または所有者である。例えば、Ｂｘは、磁場の強さがｘコイルに属することを意味する。Ｂｘｘでは、２番目の記号である下付き文字は、磁気センサーによって測定された指向性またはコンポーネントの磁場強度である。例えば、Ｂｘｘは、リモートオブジェクトの磁気センサーによって測定されたｘコイルのｘコンポーネントの磁場強度を意味する。さらに、他に上付き文字がないＢは、コイル座標で参照されていることを意味する。Ｂ’（上付き文字’があるＢ）は、３Ｄ磁気センサー座標で参照されていることを意味する。
【００５６】
図示及び説明された本発明の原理は、生体内の他の用途または他の状況のプローブにも適用され得る。例えば、機械または流体または医学的処理または搬送システムなどに使用され得る。「リモート小型化検査装置」という用語は、本明細書では「プローブ」という用語と交換して使用され、形状に関係なく、一般的なプローブ装置及び類似するリモートオブジェクトを指す。リモート小型化検査装置は、半球状の円筒状であってもよく、半球状の端部を有する実質的に円筒状であってもよいし、又は他の適切な形状又は形状の組み合せであってもよい。リモート小型化検査装置１００。
【００５７】
本発明の第１の態様によれば、第１の実施形態では、携帯式電磁ポジショニングシステムが開示されている。携帯式電磁ポジショニングシステムは、第１の三次元磁場センサー、信号処理モジュール及び無線通信モジュールを備えた、隔離されたターゲット検査エリア内にその場で配置されるように構成されたリモート小型化検査装置を含む。信号処理モジュール及び無線通信モジュールは、ＲＦ送信機及びアンテナであり得る。リモート小型化検査装置は、イメージセンサー、レンズ及び１つ以上のＬEＤをさらに備える。
【００５８】
第１の実施形態の一例では、リモートオブジェクトの内部には永久磁気双極子が配置されていない。第１の実施形態の別の例では、永久磁気双極子がリモートオブジェクトの内部に配置されている。
【００５９】
図１を参照すると、携帯式電磁ポジショニングシステムは、本質的にリモート小型化検査装置１００を備えており、隔離されたターゲット検査エリア内に配置されており、第１の三次元磁場センサーと、携帯式外部磁場発生アセンブリ１０１と、第２の三次元磁場センサー１０３と、モバイルレコーダー１０４と、を有する。携帯式外部磁場発生アセンブリ１０１は、それぞれ三次元でパルス磁場を発生することができる。そして、外部で発生されたパルス磁場は、第１の三次元磁場センサーによって検知されることができる。モバイルレコーダー１０４は、コイル駆動モジュールを介して携帯式外部磁場発生アセンブリに命令を送信して、各コイルを独立して動作させ、且つリモート小型化装置の第１の三次元磁場センサーからデータを受信する。前記リモート小型化検査装置の中の第１の磁気センサーのｚ軸は、小型化検査装置の長さ方向と一致している。
【００６０】
図２に示すように、同様に、携帯式電磁ポジショニングシステムは、主としてリモート小型化検査装置１００からなる。前記リモート小型化検査装置１００は、第１の三次元磁場センサー、３つの携帯式外部磁場発生アセンブリ１０１、第２の三次元磁場センサー１０３及びモバイルレコーダー１０４を有する。
【００６１】
図１及び図２において、携帯式外部磁場発生アセンブリ１０１及びモバイルレコーダー１０４は、リモートの隔離されたターゲットエリアの外部の支持面上に配置されるように構成される。基準磁場センサー及び第２の三次元磁気センサーとしては、リモート検査装置がリモートの隔離されたターゲットエリア内を移動する時に、所定の位置及び固定された方向で前記外部の支持面に配置される。
【００６２】
図１及び図２で示されているシステムは、採用したソレノイドの数が大きく異なる。図２に示すシステムには、３つのソレノイドがある。理論的に言えば、１つのソレノイドを有するシステムは、３つのソレノイドを有するシステムとほぼ同じ位置測定を実行することができる。３つのソレノイドを備えたシステムは、より優れた位置決め精度を提供し、より広い検出範囲を可能にする。検出範囲は、磁気センサー測定の信号ノイズ比に依存するためである。信号ノイズ比を改善するために、ソレノイドの磁気モーメントを増加させる必要がある。ソレノイドの磁気モーメントを増加させる１つの方法は、励起電流を増加させることである。発生した磁場は、ソレノイドの中心からリモートオブジェクトまでの距離の三乗の逆数に比例するので、検出範囲を２倍にするために、励起電流を８倍に増やすはずである。しかし、定義されたコイルセットアップでは、最大許容電流は、ワイヤーの直径、パルス幅及び最大出力電流によって制限される。ワイヤーの直径が大きいほど、許容される電流は大きくなる。パルス幅が短いほど、許容される電流は大きくなる。そして、電源の最大出力電流は電流の制限である。言い換えれば、一旦ソレノイドを作ると、最大許容電流が明確に定義される。このような状況では、新しいソレノイドを作成せずに、検出範囲を拡大することもでき、１つではなく３つのソレノイドを同時に使用することで、より多くのパルス電流を収容することができる。
【００６３】
図５に示すように、外部磁場発生アセンブリ１０１及びモバイルレコーダー１０４は、リモートオブジェクト１００を含むターゲットエリアの外側に固定され、且つ患者の腰を囲むベルトのように、前記ターゲットエリアを囲む。
【００６４】
一例では、小型化検査装置は、カプセルまたはカプセル内視鏡である。カプセルの典型的な構造の詳細は、図３と図１８に概略的に示されている。
【００６５】
本明細書に開示される基準センサーは、図４に示されるように、処理回路、バッテリー、及びアンテナをさらに含む基準センサーアセンブリに封入されている。
【００６６】
三次元磁場センサー
【００６７】
本明細書に開示されるシステム及び方法は、飲用用途のためのものである。本発明の第１の態様の第１の実施形態では、信頼性が高く、堅牢で高感度の三次元磁場センサーを使用する必要がある。三次元磁場センサーの検出限界値は数ガウス関数以内であり、動作ノイズが低い。リモートオブジェクト内に永久磁気双極子がない場合には、毎回測定する前に、地磁気の影響を取り除くために３Ｄ磁場センサーを較正する必要がある。
【００６８】
本発明の態様によれば、任意の三次元磁場センサーを使用して、本発明の目的を達成することができる。三次元磁場センサーは、３Ｄ磁気抵抗ＡＭＲセンサーと６軸センサーを含むセンサーのグループから選択できる。適切なセンサーは、検出範囲、感度、ノイズ、消費電力、及びサンプリング速度を考慮して選択される。
【００６９】
代表的な３Ｄ磁気抵抗ＡＭＲセンサーの１つは、３Ｄ磁気抵抗ＡＭＲセンサーＭＭＣ３１４ｘＭＳであり、検出範囲が＋／−４ガウス、感度が２ｍガウスであり、ノイズが０.６ｍガウス未満、消費電力が０.５５ｍA@３Vであり、読み取り時間が７−１０ｍｓである。
【００７０】
代表的な６軸センサーの１つは、６軸センサーＬＭＳ３０３Ｄであり、検出範囲が＋／−１２ガウス、感度が０.０８ｍガウスであり、ノイズが５ｍガウス未満であり、消費電力が０.３ｍA@１.８Vであり、最大のサンプリング速度が１００Ｈｚである。
【００７１】
もう１つの典型的な６軸センサーは、６軸センサーＦＸＯＳ８７００CＱであり、検出範囲が＋／−１２ガウスであり、感度が０.１８ｍガウスであり、ノイズが１０ｍガウス未満であり、消費電力が０.２４ｍA@１.８Vであり、最大のサンプリング速度が８００Ｈｚである。
【００７２】
第１の３Ｄ磁場センサー１０４は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の磁場を感知するために、外部励磁コイルアセンブリと位置合わせされている。この例では、ｚ方向はリモートの小型化検査装置の軸に沿っている。磁場センサーで感知された磁場値は、付属のＲＦ送信機１０６及びアンテナ１０８を使用して、リモート小型化検査装置１００から送信されることが好ましい。必要に応じて、画像センサー１１０、レンズ１１２、及び１つまたは複数のＬＥＤ１１４は、画像データを処理、保存、及び／または送信するための関連する処理回路１１６と共に、医療画像化の目的でリモート小型化検査装置１００に含まれ得る。摩擦力は、方向付け及び／または移動操作中にリモート小型化検査装置１００を安定させるために使用することができ、従って、リモート小型化検査装置の端部近傍等の選択点での静摩擦力を、リモート小型化検査装置の材料及び／又はテクスチャ及び／又は形状を変更することによって高めることが好ましい。
【００７３】
本発明の第１の態様によれば、第２の実施形態では、携帯式電磁ポジショニングシステムは、携帯式外部磁場発生アセンブリをさらに備え、前記携帯式外部磁場発生アセンブリは、パルス磁場をそれぞれ三次元で順次に発生することができ、そして、外部で発生されたパルス磁場は、第１の三次元磁場センサーによって感知されることができる。
【００７４】
図７〜図１０に、携帯式外部磁場発生アセンブリの４つの例を示している。本発明の一実施形態では、磁場発生アセンブリは、励磁コイルアセンブリである。本発明の態様によれば、三次元励磁コイルアセンブリは、３つの垂直に配置されたコイルを有し、各コイルは、それ自体の中心軸の周りに巻かれており、各中心軸は、他の２つの中心軸に対して垂直であり、３つの中心軸は、三次元励磁コイルアセンブリの中心で交差している。ここで、前記三次元励磁コイルアセンブリは、球形または立方体の形状である。
【００７５】
磁場発生アセンブリは、複数の励磁コイルで構成されている。各励磁コイルは、コイルの長さ、コイルの半径、コイルの軸の周りの巻数、及びそれぞれのコイルの搬送電流によって特徴付けられる。
【００７６】
本発明の範囲において、三次元励磁コイルアセンブリは、磁場を発生することができる３つの独立した励磁コイルからなり、タイミングシーケンスで発生される３つの磁場は互いに垂直である。発生される磁場が励磁コイルの磁気軸と同じ方向に沿っているため、結果として、３つのコイルを含む三次元励磁コイルアセンブリは互いに垂直になる。３つの励磁コイルは、それらの幾何学的中心が互いに一致するように構成されている。個々のコイルの断面の形状は、ディスクまたは正方形、長方形または楕円形などとすることができる。３つの独立したコイルの断面面積はわずかに異なるが、何れか２つのコイルの断面面積の差は５％以下であるので、本発明の第２の態様で説明した計算モデルにおいて、この差はゼロに近似できる。
【００７７】
本発明の範囲内で、三次元励磁コイルアセンブリは、後で説明する計算で使用されるパラメータ及び原理に従って設計される。計算では、全ての三次元励磁コイルが３つの垂直磁気双極子としてモデル化される。さらに、一例では、計算モデルを検討する際に、三次元励磁コイルアセンブリの中心とリモートオブジェクトとの間の距離は、三次元励磁コイルアセンブリの幾何学的長さよりも少なくとも２．５倍長く、ここで、三次元励磁コイルアセンブリの幾何学的長さは、コイル長の中で最も短い。別の例では、三次元励磁コイルアセンブリが球形である場合、三次元励磁コイルアセンブリとリモートオブジェクトとの間の距離が球形の三次元励磁コイルアセンブリの断面半径よりも大きい場合、計算モデルは正確である。球形の三次元励磁コイルアセンブリの半径は、三次元励磁コイルアセンブリの３つの半径の中で最大の半径である。
【００７８】
磁気モーメントは、巻数、断面面積及びコイル電流に比例している。本発明の範囲において、一例では、コイルの長さ、コイルの半径、コイルの軸の周りの巻数、及びそれぞれのコイルの搬送電流は、３つのコイルについて同じであるか、または実質的に同じである。別の例では、前述のパラメータは完全に同じではなく、パラメータが同じであると考えられる状況下でさえ、コイルの巻数は、同じコイル電流を持つ各コイルの磁気モーメントが互いに近くなるように調整される。
【００７９】
この実施形態の一例では、図９に示すように、励磁コイルアセンブリは、本質的に３つの励磁コイル７０１、７０２及び７０３からなる。コイル７０１は、磁気コイル軸ｙの周りに連続的に巻かれている。コイル７０２は、磁気コイル軸ｘの周りに連続的に巻かれている。コイル７０３は、磁気コイル軸ａの周りに連続的に巻かれ、一方の上端から中央に向かって徐々に巻線直径が増加し、中央から他方の下端に向かって徐々に巻線直径が減少する。３つの磁気軸ｘ、ｙ、及びｚは、励磁コイルアセンブリの中心として定義されるＯ点で交差する。この例では、３つの磁気軸ｘ、ｙ、ｚは互いに垂直である。この例では、各コイルの断面は丸い形状である。断面直径の差異は、５％未満である。
【００８０】
この実施形態の別の例では、図１０に示すように、励磁コイルアセンブリは、本質的に３つの励磁コイル、８０１、８０２及び８０３からなる。コイル８０１は、磁気コイル軸ｙの周りに連続的に巻かれている。コイル８０２は、磁気コイル軸ｘの周りに連続的に巻かれている。コイル８０３は、磁気コイル軸ａの周りに連続的に巻かれ、一方の上端から、中央に向かって、他方の下端まで均一な巻径を有する。３つの磁気軸ｘ、ｙ及びｚは、励磁コイルアセンブリの中心として定義されるＯ点で交差する。この例では、３つの磁気軸ｘ、ｙ、ｚは互いに垂直である。この例では、各コイルの断面は丸い形状である。
【００８１】
この実施形態のさらに別の例では、図１１に示すように、励磁コイルアセンブリは、本質的に３つの励磁コイル、９０１、９０２及び９０３からなる。コイル９０１は、磁気コイル軸ｙの周りに連続的に巻かれている。コイル８０２は、磁気コイル軸ｘの周りに連続的に巻かれている。コイル９０３は、磁気コイル軸ａの周りに連続的に巻かれ、一端が第１の最小直径を有し、中央が最大直径を有し、他端が第２の最小直径を有するように、連続的に増加する巻線直径を有する。３つの磁気軸ｘ、ｙ及びｚは、励磁コイルアセンブリの中心として定義されるＯ点で交差する。この例では、３つの磁気軸ｘ、ｙ、ｚは互いに垂直である。この例では、各コイルの断面は丸い形状である。一例では、球形構造の三次元磁気コイルアセンブリは、２ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍの磁気コイル巻線を含む。
【００８２】
この実施形態のさらに別の例では、図１２に示すように、励磁コイルアセンブリは、本質的に３つの励磁コイル１００１、１００２、及び１００３からなる。コイル１００１は、磁気コイル軸ｙの周りに連続的に巻かれている。コイル１００２は、磁気コイル軸ｘの周りに連続的に巻かれている。コイル１００３は、磁気コイル軸ａの周りに連続的に巻かれ、一端が第１の最小直径を有し、中央が最大直径を有し、他端が第２の最小直径を有するように、均一な巻線直径を有する。３つの磁気軸ｘ、ｙ、及びｚは、励磁コイルアセンブリの中心として定義されるＯ点で交差する。この例では、３つの磁気軸ｘ、ｙ、ｚは互いに対して垂直である。この例では、各コイルの断面は円形、長方形、または正方形である。一例では、長方形構成の三次元磁気コイルアセンブリは、図１０に示されるように、その三次元で２ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍの磁気コイルの巻線を含む。三次元は、ｘ、ｙ及びｚ方向である。一例では、長方形構成の三次元磁気コイルアセンブリは、図１０に示されるように、２ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍの三次元磁気コイル巻線を含む。前記三次元は、ｘ、ｙ及びｚ方向である。
【００８３】
本発明の唯一の目的は、リモートオブジェクトの位置を確定することであり、その目的のために、１つの検出−測定サイクル内の磁場測定期間は、限られた時間内に達成される必要がある。一方では、限られた時間は、最初にリモートオブジェクトの移動頻度によって確定される。本発明の１つの利点として、リモートオブジェクトが１つの場所に固定されていなくても、リモートオブジェクトの位置を検出することである。他方では、限られた時間は、第２に、励起アセンブリ自体の移動周波数によって確定される。地磁場の変化により、励起アセンブリとリモートオブジェクトの両方が同期した状態で移動する状況でも、ポジショニングを正確にするために、検出−測定サイクルを限られた時間内に終了する必要がある。本発明の態様によれば、磁気アセンブリ内の各コイルは、個別に充電されることが可能である。個々のコイルは、正確に制御されたタイミングシーケンスで充電する必要がある。さらに、個々のコイルは、各シーケンスで発生された３つの磁場の間に干渉がないように、非常に迅速に充電及び放電する必要がある。
【００８４】
限られた時間は、許容可能な検出精度を含む追加の要因によってさらに決定される。許容可能な検出精度は、異なるアプリケーションや最終使用計画によって異なる。
【００８５】
一例では、リモートオブジェクトは、磁気センサーを備えたカプセル内視鏡であり、１０ｍｍ／秒の速度でターゲットエリア（例えば、消化チャネル）内で移動する。０．５ｍｍの許容可能な位置精度目標を達成するために、限られた測定時間は５０ｍｓ未満に設定されている。
【００８６】
本発明の範囲において、ターゲットエリア（例えば、ダイジェストチャネル）内を１０ｍｍ／秒の速度で移動する磁気センサーに関しては、０．５ｍｍの許容可能な位置精度目標を達成するために、限られた測定時間は５０ｍｓ未満に設定されている。
【００８７】
さらに、充電時間と放電時間をできるだけ短くする必要がある。例えば、１マイクロ秒未満が望ましい。充電と放電の時間は、コイルの材料組成、コイルの直径、コイルの巻数によって決められる。
【００８８】
本発明の範囲において、一例では、長方形の三次元磁気コイルアセンブリは、１つの表面に４ｃｍ×４ｃｍの巻線構成を有し、１０００ターンを有する。もう１つの表面に２ｃｍ×４ｃｍの巻線構成を有し、２０００ターンを有する。選択される励磁コイルは、直径が０．１８ｍｍで、抵抗率が１６０オームまたは２４０オームである横断面を有する。一例では、三次元励磁コイルアセンブリの電流は０.１Ａである。別の例では、三次元励磁コイルアセンブリにおいて、各コイルは、約１０層の巻線がある。
【００８９】
三次元励磁コイルアセンブリの動作中に、励起電流は、電圧２４Ｖで、パルス定電流源０．１Ａの下でパルス１０ｍｓに設定される。現在値は、リアルタイムプログラムで設定できる。三次元励磁コイルアセンブリは、最大コイル電力７．２Ｗ、検出頻度２回／秒、及び平均消費電力＜１Ｗを実現できる。
【００９０】
本発明の目的のために、小型化検査装置が標的場所に配備された時に、外部三次元励磁コイルアッセンブリは、小型化検査装置内の第１の三次元磁場センサーによって検出されるべき磁場を発生する。三次元磁場センサーの検出限界と感度要件、及び外部三次元励磁コイルアセンブリとターゲット位置の間の特定距離構成によって、三次元励磁コイルアッセンブリは、幾つかの実施例では、小型化検査装置によって測定されるために、０．０２〜１２ガウスの磁場を発生するように構成されている。他の幾つかの例では、三次元励磁コイルアセンブリは、小型化検査装置によって測定された、０．００５〜１ガウスの磁場を発生するように構成される。さらに幾つかの他の例では、三次元励磁コイルアセンブリは、小型化検査装置によって測定された、０．５〜１００ガウスの磁場を発生するように構成される。さらに幾つかの他の例では、三次元励磁コイルアセンブリは、小型化検査装置によって測定された、１０〜２０００ガウスの磁場を発生するように構成される。
【００９１】
さらに、小型化検査装置の第１の三次元磁場センサーが、外部の三次元励磁コイルアセンブリによって発生された磁場を感知すると、小型化検査装置は、定義された境界内のターゲット位置に移動する。言い換えれば、操作または検査プロセス中に、三次元磁場センサーと外部の三次元励磁コイルアセンブリとの間の距離が比較的定義される。一例では、小型化検査装置がターゲット位置まで移動する時に、小型化検査装置と三次元励磁コイルアセンブリとの間の距離は、３〜５ｃｍの間である。別の例では、小型化検査装置がターゲット位置まで移動する時に、小型化検査装置と三次元励磁コイルアセンブリとの間の距離は、５〜７ｃｍの間である。別の例では、小型化検査装置がターゲット位置まで移動する時に、小型化検査装置と三次元励磁コイルアセンブリとの間の距離は、７〜１１ｃｍの間である。別の例では、小型化検査装置がターゲット位置まで移動する時に、小型化検査装置と三次元励磁コイルアセンブリとの間の距離は、１１〜１５ｃｍの間である。別の例では、小型化検査装置がターゲット位置まで移動する時に、小型化検査装置と三次元励磁コイルアセンブリとの間の距離は、１５〜２０ｃｍの間である。
【００９２】
小型化検査装置での３Ｄ磁気センサーによって感知される値、及び外部三次元励磁コイルアセンブリと３Ｄ磁気センサーとの間の距離制約に基づいて、三次元励磁コイルアセンブリは、０．０２〜１２ガウスの範囲内で、磁気モーメントを発生するように構成される。
【００９３】
三次元励磁コイルアセンブリは、管理モジュールをさらに備え、前記管理モジュールは、通信ユニットからの命令を受信し、且つ励起電流をオン及びオフにするためのアンテナと、タイミングプロトコルと、を含むる。
【００９４】
本発明の第１の態様によれば、第３の実施形態では、電磁ポジショニングシステムは、外部基準位置アセンブリをさらに備える。外部基準位置アセンブリは、第２の三次元磁場センサーを含み、且つ基準磁場センサーとして、隔離されたリモートターゲットエリアの外部の支持面上に配置されるように構成される。第２の三次元磁場センサーは、リモートオブジェクトがリモートの隔離されたターゲットエリア内を移動する時に、所定の位置及び固定された方向で外部支持面に配置される。第２の三次元磁場センサーの配置によって、外部三次元励磁コイルの動きがあるかどうかを参照したり、相対位置を参照したり、ターゲット内を移動している間のリモートオブジェクトの動きを追跡したりすることができる。
【００９５】
本発明の態様によれば、任意の三次元磁場センサーを使用して、本発明の目的を達成することができる。三次元磁場センサーは、３Ｄ磁気抵抗ＡＭＲセンサーと６軸センサーを含むセンサーのグループから選択される。適切なセンサーは、検出範囲、感度、ノイズ、消費電力、及びサンプリング速度を考慮して選択される。
【００９６】
外部基準位置アセンブリは、電力用のバッテリのデータを読み出して送信する制御ユニットをさらに備える。
【００９７】
基準３Ｄ磁場センサー１０４は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の磁場を感知するために、外部励磁コイルアセンブリと位置合わせされる必要がある。この例では、ｚ方向は、基準位置アセンブリ軸に沿っている。基準３Ｄ磁場センサーによって感知された磁場値は、ＲＦ送信機１０６及びアンテナ１０８を含む無線通信モジュールを使用して送信されることが好ましい。
【００９８】
動作中に、図３に示すように、外部励磁コイルアセンブリ及び基準位置アセンブリは、周りの第１及び第２の表面に配置される及びターゲットエリアを囲む。一方、プローブは、２つの表面の間のスペース、キャビティ、閉じた領域または半閉じた領域の間のターゲット領域に配置される。１つの好ましい例では、ターゲットエリアを取り囲む第１の表面及び第２の表面は、２つの対向する表面である。従って、システムは、発生された磁場の最も高い感度を実現する。
【００９９】
以上が、本発明の範囲内で可能な特定の実施形態の一例である。本発明の原理は、この特定の実施形態に限定されず、多くの変形が可能である。コンポーネントの詳細及び配置における多くの他の変形が、本発明の範囲内でなされてもよいことを理解されたい。
【０１００】
一例では、図３に示すように、リモートの小型化されたデバイスはカプセルであり、患者さんの消化管内を移動できる。励磁コイルは、アンテナと共にベルト上に配置され、前記ベルトは、１ターンで患者を包む。ベルトの外周の長さは、成人のウエストラインの程度である。励磁コイルとアンテナを含む三次元磁気アセンブリは、患者のベルトの第１の位置（腹部の位置）に配置される。基準位置は、第２の位置、例えば、患者のスピンの近くの患者の後ろに配置される。この構成では、基準位置を使用して、位置測定期間中にベルトが意図した位置から移動したかどうかを判断し、必要に応じてキャリブレーションを提供できる。例えば、カプセルと基準位置の間の距離を基準曲線として経時的に追跡し、ベルトの転位が顕著であるかどうかを判断し、且つ前記基準曲線の痕跡に対して較正する。
【０１０１】
図１及び図３を参照すると、３つの磁気励起アセンブリは人体を横切るベルト上に配置され、第２の磁気センサーは人の体と距離を置くように同じベルトに固定されている。この例では、図３に示すように、前記距離は、ベルトの周囲の１／４である。さらに、リモートオブジェクトの３Ｄ磁気センサーから第２の磁気センサーまでの距離は、リモートオブジェクトの３Ｄ磁気センサーと三次元磁気励起アセンブリとの間の距離と同様である。
【０１０２】
例示的な装置の概要を考慮すると、三次元磁気センサーを備えたリモート小型化検査装置の位置及び基準位置は、以下の方程式及び原理によってリアルタイムで決定されることを理解されたい。
【０１０３】
本発明の第２の態様では、リモートオブジェクトの位置を確定するために三次元磁気励起アセンブリを使用する方法が記載され、開示されている。この方法は、以下のステップを含む。まず、三次元磁気励起アセンブリによって発生される３つの「純粋な」磁場を確定する。次に、三次元磁気励起アセンブリとリモートオブジェクトと間の距離を計算する。そして、リモートオブジェクトの位置が計算された後、リモートオブジェクトの方向を計算する。
【０１０４】
三次元磁気励起アセンブリによって発生される３つの「純粋な」磁場を確定する第１のステップは、環境磁場を確定して、三次元磁場アセンブリによって発生された磁場を測定して、測定されたパルス磁場から環境磁場を除去して、三次元磁場アセンブリによって発生された純粋な磁場を取得することを含む。
【０１０５】
ここで、三次元磁気励起アセンブリによって生成された磁場を測定するステップは、三次元磁気励起アセンブリの第１、第２及び第３のコイルのパルスシーケンスを通して磁場を測定することを含む。さらに、三次元磁気励起アセンブリの個々のコイルの第１、第２及び第３の磁気軸方向は、第１、第２及び第３の方向に垂直である。
【０１０６】
環境磁場を除去する３つの方法の概要
【０１０７】
本明細書に開示されるように、三次元磁気励起アセンブリによって発生される３つの「純粋な」磁場を確定するための３つの代替方法が存在する。第１の方法は、環境磁場データを測定し、三次元磁気アセンブリの測定された全磁場データから環境磁場データを除去することを含む。前記第１の方法によると、ステップの詳細なシーケンスが図１３及び１４によりリストされている。方法ステップ間の違いは、環境磁場測定がいつ行われるかと、その後の計算において、三次元磁気励起アセンブリによって発生される実際の全磁場の前／後の平均値が使用されているかということにある。図１３及び１４にリストされている２つのメソッドステップは、特定の測定条件に従って選択できる。全磁場データ測定の前後で環境磁場が大きく変化する場合、最も正確な結果を得るには、図１４にリストされている方法の手順がより適切である。
【０１０８】
第２の方法は、環境磁場データを正負方向に測定するバイポーラパルスシーケンシング法を用いて全磁場データを測定し、２つの全磁場データを加算すると環境磁場が打ち消される。
【０１０９】
第３の方法は、コンビナトリアルシーケンシング法を使用して全磁場を３回測定することを含み、そのうち、１つのコイルの少なくとも１つの電流方向が前のシーケンスとは異なる。
【０１１０】
三次元磁気励起アセンブリによって発生された３つの「純粋な」磁場を確定する各代替ステップの詳細な説明
【０１１１】
第１の方法の使用
【０１１２】
本明細書に開示される三次元磁気励起アセンブリは、地球上の環境磁場の下に配置されて使用されることを意図している。測定において地磁気の影響を考慮するが、リモートオブジェクトを確定する際にそれを計算から削除するはずである。
【０１１３】
地磁場は時間の経過と共に殆ど変化しませんが、環境内のフェライト材料は、異なる場所でローカル地球の磁場を変更する。最も重要なのは、移動中に磁気センサーの方向が変化する可能性があるため、磁場ベクトルの３つの磁場コンポーネントが時間と共に変化する可能性があることである。位置確定が行われるのと同時期に環境磁場が確定されるのがベストである。
【０１１４】
一例では、リモートオブジェクトはカプセル内視鏡である。人が三次元励磁コイルアセンブリを着用し、磁気センサーが固定されたカプセル内視鏡を使用する場合、人が動くと、測定される環境磁場が変化する可能性がある。環境磁場が変化しなくても、体が回転すると、磁気センサーの方向が変わることがあるため、磁気センサーによる３Ｄ磁場のコンポーネントの読み取りが変化する。従って、環境磁場は、確定位置の近くで測定されるべきである。
【０１１５】
一例では、リモートオブジェクトの位置確定のためにパルス磁場を印加する直前に環境磁場を測定し、測定値を環境磁場の値として取り、且つその後の計算で差し引く。
【０１１６】
別の例では、リモートオブジェクトの位置確定のためにパルス磁場を印加した直後に環境磁場を測定し、測定値を環境磁場の値として取り、且つその後の計算で差し引く。
【０１１７】
好ましい例では、リモートオブジェクトの位置確定のためにパルス磁場を印加する前後の両方で環境磁場を測定し、次に２つの測定データの平均値を環境磁場の値として取り、且つ後続の計算で差し引く。図１３及び１４は、本発明の方法ステップの２つの実施形態を示している。第１の実施形態では、環境磁場が最初に確定され、三次元励磁コイルアセンブリによって発生された磁場が、所定の順序で１つずつ測定される。
【０１１８】
本発明の一実施形態では、三次元磁気励起アセンブリ及びリモートオブジェクトは、地球上に配置される。環境磁場は実質的に地球磁場である。コイル電流によって発生する磁場が地磁場よりも弱い場合、磁気センサーの方向の変化はかなりの誤差をもたらす可能性がある。例えば、センサー方向変化の１度は、地球全体の磁場の１．６％までのエラーを引き起こす可能性がある。例えば、合計測定期間が５０ｍｓの場合、リモートオブジェクトの移動は、毎秒２０°以下または１°の方向変化に対して３.３ｒｐｍに制限される。より高速に回転したり、突然移動したりするようなユーザーによって行われた更なる動作は、計画的または不可避的に、より大きいな位置測定エラーを引き起こすので、第２の方法は、これらの条件下で第１の方法よりも有利である。
【０１１９】
好ましい典型的な方法は、パルスシーケンス測定の前後の両方で地球磁場を測定するステップを含み、次に平均値を取ることにより、リモートオブジェクトの方向の変化によって引き起こされるタイプのエラーを大幅に減らすことができる。第１の方法（好ましい典型的な方法）の範囲内で、２つ以上の操作手続きもある。
【０１２０】
第１の好ましい操作手順において、まず、パルスシーケンスがソレノイドによって生成される前に、３Ｄ磁気センサーによってリモートオブジェクトにおいて第１方向、第２方向、及び第３方向での磁場を測定し、第１の環境磁場データを取得する。
ソレノイドは、第１のタイミングシーケンスの下で第１方向に磁場を生成する。
ソレノイドは、第２のタイミングシーケンスの下で第２方向に磁場を生成する。
ソレノイドは、第３のタイミングシーケンスの下で第３方向に磁場を生成する。
ソレノイドによって、パルスシーケンスの後に、リモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーを介して第１方向、第２方向及び第３方向の磁場を測定し、第２の環境磁場データを取得する。
第１の環境磁場データと第２の環境磁場データとの平均値を、測定された磁場データから差し引かれる環境磁場の値とする。
【０１２１】
第２の好ましい操作手順において、地球磁場測定及びソレノイドによって発生された磁場の測定が、全体的な位置測定シーケンスに散在している。散在されることによって、環境磁場の測定が三次元磁気励起コンポーネントによって発生されるパルスシーケンスの間で少なくとも一回発生し、三次元磁気励起コンポーネントのパルスシーケンスの前または後だけではないことを意味する。一例では、測定プロセス全体には、以下のステップが含まれる。第２の方法のこの好ましい操作手順内で、各地球磁場測定は一方向または３方向で行うことができる。測定シーケンスの一例を以下に説明する。
【０１２２】
第１に、ソレノイドによるパルスシーケンスの前に、リモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーによって第１方向、第２方向、及び第３方向の環境磁場を測定し、第１の環境磁場データを取得し、続いて、第１方向に沿って第１のソレノイドパルス磁場測定を実行する。
【０１２３】
第２に、リモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーによって第２の環境磁場を測定し、第２の環境磁場データを取得し、続いて、第２方向に沿って第２のソレノイドパルス磁場測定を実行する。
【０１２４】
第３に、リモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーによって第３の環境磁場を測定し、第３の環境磁場データを取得し、続いて、第３方向に沿って第３のソレノイドパルス磁場測定を実行する。
【０１２５】
第４に、選択的に、リモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーによって、第１、第２及び第３方向の環境磁場を測定し、第４の環境磁場データを取得する。
【０１２６】
さらに、環境磁場が実質的に地球磁場である場合、環境磁場の測定は、三次元励起アセンブリによって発生される純粋な磁場を確定するのに役立つだけでなく、リモートオブジェクトが移動したかどうか、どのくらい移動しているか、その前の位置に関してどれだけ移動したかを指示する。リモートオブジェクトの動きが事前設定されたしきい値を超える場合は、精度の目標を維持するために、位置測定の頻度を増やすか、１サイクルの位置測定のための期間を短縮する必要がある。地球磁場を測定するのにかかる時間が約１０マイクロ秒であるため、測定サイクル時間を短縮する最も効果的な方法は、ソレノイドのパルスシーケンスステップを加速することである。
【０１２７】
例えば、ソレノイドのパルスシーケンスの前後に３Ｄセンサーによって測定された地球磁場の１つの方向が、地球磁場の２％または１０ｍガウスを超える場合、リモートオブジェクトの動きが速すぎると考えられ、正確な位置確定目標を維持するために測定速度を上げる必要がある。このような状況下で、例えば、リモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーによって測定された地球磁場の変化が２０ｍガウスである場合、磁気センサーによる３Ｄ磁界測定を終了するためのしきい値１０ｍｓの代わりに、測定時間を５ｍｓに短縮する必要がある。その結果、励磁コイルの電流パルス周期も、１０ｍｓから、５ｍｓよりもわずかに長く（例えば、５.５ｍｓ）に短縮される。同時に、リモートオブジェクトの３Ｄ磁気センサーのノイズが増加するため、測定値は感度とトレードオフを行う。三次元磁気励起アセンブリと３Ｄ磁気センサーが固定されたシステムでは、測定対象の位置精度と感度の誤差許容範囲を均衡させるために、パルス幅、振幅及び測定時間を含む事前定義された最適なパルスシーケンスを選択することができる。事前定義された最適なパルスシーケンスは、予め設定された経験値を採用するために実行されることができるかまたは各測定中に地磁気コンポーネントの変更を監視することによって、適応的に変更されることが可能である。従って、任意選択で、本明細書に開示される方法は、位置変化の絶対値が第１の閾値より大きい場合、同じ測定期間内の前の位置からのリモートオブジェクトの位置変化を確定するステップをさらに含む。パルスシーケンスステップのサイクル時間または期間は、それに応じて調整される。
【０１２８】
第２の方法の使用する−環境磁場を除去するためのバイポーラパルスシーケンスステップ
【０１２９】
環境磁場を除去するステップに関して、第２の代替方法の実施形態では、環境磁場を除去する前に環境磁場を別個に確定する必要はない。代わりに、全磁場を測定するバイポーラパルスシーケンスステップを使用して、環境磁場の影響を効果的に除去することができる。名前が示すとおり、図７及び８を参照すると、バイポーラパルスシーケンスは、任意のコイルの任意のｘ、ｙ、及びｚ方向に正の電流を印加し、続いて負の電流を印加し、その逆も同様である。
【０１３０】
ただし、バイポーラパルスシーケンシング法が正常的に動作し、位置精度と高感度の要件を満たすために、リモートオブジェクトは、特定の事前定義された範囲で移動してはならなく、及び／または正及び負の電流条件下で測定された環境磁場の３つのコンポーネント（ｘ、ｙ、及びｚコンポーネント）は、各パルス電流測定中の各測定方向に沿って互いに一致する必要がある。特に、三次元磁気励起アセンブリとリモートオブジェクトの両方が、計画的または予期しない形式で、位置測定サイクル全体で移動する可能性がある場合に、環境磁場を除去するためのこの第２の代替方法は、第１の方法ほど用途が広くない。
【０１３１】
本発明では、この双極法の２つの操作手順が開示され、且つ図７及び８により示されている。例示的なパルスシーケンスでは、各パルスは１０ｍｓ持続し、立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジは１ｍｓ未満になるようにプログラムされる。励磁コイルは、+ｘ、−ｘ、+ｙ、−ｙ、+ｚ、及び−ｚの方向に、順次または順次ではなくパルスされる。
【０１３２】
図７に第１の操作手順を示している。図７は、励磁コイルを充電して、個々の励磁コイルごとに、各座標方向にそれぞれ発生された磁場を測定する２つの典型的なパルスシーケンスを示している。
【０１３３】
パルスシーケンスの第１の例では、励磁コイルはｘ、ｙ、ｚ方向に正の方向にのみ、それぞれ１０ｍｓ順次に充電される。
【０１３４】
詳細な第１の操作手順は次のとおりである。１）第１の磁気コイルに正の振幅方向の電流を１０ｍｓ印加し、２）次に第２の磁気コイルに正の振幅方向の電流を１０ｍｓ印加し、３）次に第３の磁気コイルに正の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加する。すぐに、４）第１の磁気コイルに負の振幅方向の電流を１０ｍｓ印加し、５）次に、第２の磁気コイルに負の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加し、６）次に、第３の磁気コイルに負の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加する。
【０１３５】
図８に、第２の操作手順を示す。パルスシーケンスの第２の例では、励磁コイルはｘ、ｙ、ｚ方向に、正と負の両方で、それぞれ１０ｍｓ順次に充電される。従って、全ての測定は６０ｍｓ維持する。このような測定は０.５秒ごとに繰り返される。
【０１３６】
第２の操作手順では、１）第１の磁気コイルに正の振幅方向の電流を１０ｍｓ印加し、次に２）第１の磁気コイルに負の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加する。３）第２の磁気コイルに正の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加し、次に４）第２の磁気コイルに負の振幅方向の電流を１０ｍｓ印加する。５）第３の磁気コイルに正の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加し、６）第３の磁気コイルに負の振幅方向の同じ電流を１０ｍｓ印加する。
【０１３７】
コイルアセンブリに任意の操作手順を適用した後、次の９つの計算が実行される。この例では、各検査の前に毎回地磁場が測定される。さらに、３つの磁気コイルｘ、ｙ、及びｚは、それぞれ双極法の２つの操作手順のうちの１つを使用して、３つのコンポーネントの座標方向（ｘ、ｙ、及びｚ）で個別に充電される。この結果から環境磁場を差し引く。記述式は、以下の通りである。
【数１】
2021527801.tif 000003
【０１３８】
個々の方程式に適用した後、環境磁場が計算において成功に除去される。上記の９つの方程式を個別に計算することによって、ソレノイドのＢｘ、Ｂｙ、Ｂｚを計算するために順番に使われるコンポーネント磁場が発生する。
【０１３９】
上記の式で、各記号を以下に説明する。
【０１４０】
Ｂｘｘは、励起後のｘコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場であり、環境磁場を含む３Ｄセンサーによって測定される。
【０１４１】
Ｂｘｙは、励起後のｙコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場である。
【０１４２】
Ｂｘｚは、励起後のｚコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場である。
【０１４３】
Ｂｙｘは、励起後のｘコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場である。
【０１４４】
Ｂｙｙは、励起後のｙコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場である。
【０１４５】
Ｂｙｚは、励起後のｚコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場である。
【０１４６】
Ｂｚｘは、励起後のｘコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場である。
【０１４７】
Ｂｚｙは、励起後のｙコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場である。
【０１４８】
Ｂｚｚは、励起後のｚコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場である。
【０１４９】
Ｂｘ+（ｘ）は、正の振幅の電流を流した後のｘコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場を意味する。
【０１５０】
Ｂｘ−（ｘ）は、負の振幅の電流を流した後のｘコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場を意味する。
【０１５１】
Ｂｘ+（ｙ）は、正の振幅の電流を流した後のｙコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場を意味する。
【０１５２】
Ｂｘ−（ｙ）は、負の振幅の電流を流した後の、ｙコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場を意味する。
【０１５３】
Ｂｘ+（ｚ）は、正の振幅の電流を流した後のｚコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場を意味する。
【０１５４】
Ｂｘ−（ｚ）は、負の振幅の電流を流した後のｚコンポーネントの方向に沿ったｘコイルの磁場を意味する。
【０１５５】
Ｂｙ+（ｘ）は、正の振幅の電流を流した後のｘコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場を意味する。
【０１５６】
Ｂｙ−（ｘ）は、負の振幅の電流を流した後のｘコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場を意味する。
【０１５７】
Ｂｙ+（ｙ）とは、正の振幅の電流を流した後のｙコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場を意味する。
【０１５８】
Ｂｙ−（ｙ）は、負の振幅の電流を流した後のｙコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場を意味する。
【０１５９】
Ｂｙ+（ｚ）とは、正の振幅の電流を流した後のｚコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場を意味する。
【０１６０】
Ｂｙ−（ｚ）とは、負の振幅の電流を流した後のｚコンポーネントの方向に沿ったｙコイルの磁場を意味する。
【０１６１】
Ｂｚ+（ｘ）は、正の振幅の電流を流した後のｘコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場を意味する。
【０１６２】
Ｂｚ−（ｘ）は、負の振幅の電流を流した後のｘコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場を意味する。
【０１６３】
Ｂｚ+（ｙ）は、正の振幅の電流を流した後のｙコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場を意味する。
【０１６４】
Ｂｚ−（ｙ）は、負の振幅の電流を流した後のｙコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場を意味する。
【０１６５】
Ｂｚ+（ｚ）は、正の振幅の電流を流した後のｚコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場を意味する。
【０１６６】
Ｂｚ−（ｚ）は、負の振幅の電流を流した後のｚコンポーネントの方向に沿ったｚコイルの磁場を意味する。
【０１６７】
第３の方法の使用−コンビナトリアル混合シーケンス法による環境磁場の除去
【０１６８】
本開示の図２及び段落［００６３］に記載されたシステムにおいて、１つ以上のソレノイドが使用される場合、環境磁場を除去するための第３の方法が利用可能になる。
【０１６９】
コンビナトリアル混合シーケンシング法では、３つのソレノイドに同時に電流を３回印加する。そのうち、少なくとも１つの電流は、前の電流から異なる電流方向を有する。環境磁場が測定期間全体を通して同じままであり、且つ電流のみが方向を変えると仮定して、発生する磁場を３回測定して組み合せる。命名方法において、組み合せとは、複数の組み合せがあることを意味する。「混合シーケンス」とは、電流の方向が１つの組み合せ形式で正と負の方向を混合できることを意味する。本明細書において、組み合せとは、１つの操作手順において、各ソレノイドの１つの構成コイル（Ｘ、Ｙ及びＺ）が全て同時に励起されることを意味する。手順の詳細な操作は、以下の説明で理解できる。
【０１７０】
磁気モーメントＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚを持つコイルＸ、Ｙ及びＺを備えたソレノイドに対して、次のような関係を確立できる。Ｍｘ：Ｍｙ：Ｍｚ=Ｍｘ：Ｍｙ：１。例えば、パルス磁気励起を１つのシステムの３つのソレノイドに同時に印加する場合、３つの測定条件は（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）、（−Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）、及び（−Ｍｘ，−Ｍｙ，Ｍｚ）を確立することができる。ソレノイドのｘ、ｙ、ｚ方向は、図９−１１に示されている。パルス電流は、図７に示されている。
【０１７１】
組み合せ１(Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ)の場合
【数２】
2021527801.tif 000004
【０１７２】
ここで、Ｂ１’は、第１の組み合せを表す。Ｂ１ｘ’は、ｘコンポーネントの方向に沿った第１のソレノイドの磁場を表す。Ｂ１ｙ’は、ｙコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場を表す。Ｂ１ｚ’は、ｚコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場を表す。
【０１７３】
組み合せ２(−Ｍｘ,Ｍｙ,Ｍｚ)の場合
【数３】
2021527801.tif 000005
【０１７４】
ここで、Ｂ２’は、第２の組み合せを表す。
Ｂ２ｘ’は、ｘコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場である。
Ｂ２ｙ’は、ｙコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場である。
Ｂ２ｚ’は、ｚコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場である。
【０１７５】
組み合せ３(−Ｍｘ，−Ｍｙ,Ｍｚ)の場合
【数４】
2021527801.tif 000006
【０１７６】
ここで、Ｂ３’は、第３の組み合せである。
Ｂ３ｘ’は、ｘコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場を表す。
Ｂ３ｙ−’は、ｙコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場を表す。
Ｂ３ｚ’は、ｚコンポーネントの方向に沿ったソレノイドの磁場を表す。
【０１７７】
上記の方程公式グループにおいて、記号の意味を以下に説明する。
Ｂｘｘ’は、ｘコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＸによって発生される磁場を表す。
Ｂｙｘ’は、ｙコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＹによって発生される磁場を表す。
Ｂｚｚ’は、ｚコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＺによって発生される磁場を表す。
Ｂｙｘ’は、ｘコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＸによって発生される磁場を表す。
Ｂｙｙ’は、ｙコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＹによって発生される磁場を表す。
Ｂｙｚ’は、ｚコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＺによって発生される磁場を表す。
Ｂｚｘ’は、ｘコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＸによって発生される磁場を表す。
Ｂｚｙ’は、ｙコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＹによって発生される磁場を表す。
Ｂｚｚ’は、ｚコンポーネントの方向に沿って励磁コイルＺによって発生される磁場を表す。
方程公式グループ８、９、及び１０における「’」は、シンボルが確立され、リモートオブジェクトに関連する三次元座標で特徴付けられていることを示す。
【０１７８】
上記のソレノイドの磁場を組み合せると、各ソレノイドの磁場は、次のように導き出すことができる。
【数５】
2021527801.tif 000007
【０１７９】
以下の式（３）〜（５）を使用して、９つのコンポーネントの磁場（各ソレノイドには３つのｘ、ｙ、ｚコンポーネント磁場があり、合計で３つのソレノイドがある）が確定されると、Ｂｘ、Ｂｙ、及びＢｚを導出できる。この計算では、Ｍｘ及びＭｙは、システム設計に基づく既知のパラメータである。
【０１８０】
上記の第３の方法は、環境磁場を実際に測定せずに環境磁場を除去する効果的な方法を教示している。対応するシステムの説明に開示されているように、３つのソレノイドを使用すると、最大許容電流と固定線径を有する固定コイルセットについては、位置検出と検出限界の精度が向上した。３つのソレノイドの中でパルス電流が同時に発生すると、全体的な出力制限が増加し、ある方式で電源制限が「克服」される。上記の方程公式グループ（８）、（９）及び（１０）は、組み合せ１、組み合せ２、及び組み合せ３を作成するための３つの例を示している。原則として、各励磁コイルにおいて電流の２つの異なる方向（正と負）の組み合せを構築でき、合計で２３=８の組み合せを構築できる。
【０１８１】
式（１）に基づいて、リモートオブジェクトの位置を計算する。
【０１８２】
計算の基本原理は、励磁コイルアセンブリによって発生された磁場を正確に検出できることに基づいています。励磁コイルアセンブリと３Ｄ磁気センサーの間の距離が励磁コイルアセンブリの寸法よりもはるかに大きい場合、励磁コイルアセンブリによって発生される磁場は、永久磁気双極子によって発生されるものと同等であると仮定することができる。
【０１８３】
３Ｄソレノイドアセンブリのパルス電流によって発生される３つの「純粋な」コイル磁場を取得した後、三次元磁気励起アセンブリとリモートオブジェクト間の距離は、次の式（１）によって計算される。ここで、三次元磁気励起アセンブリとリモートオブジェクトは、三次元磁気励起アセンブリの中心からリモートオブジェクトでの３Ｄ磁気センサーの中心までの距離によって定義される。
【数６】
2021527801.tif 000008
【０１８４】
ここで、Ｐは、三次元磁気励起アセンブリの中心からリモートオブジェクトの３Ｄ磁気センサーの中心までの距離である。Aは
【数７】
2021527801.tif 000009
【０１８５】
μ0は、真空透磁率であり、Ｍは、単一の励磁コイルの磁気モーメントであり、コイルの総巻数Ｎ、コイル電流I、及びコイル断面面積Ｓに比例する。さらに、Ｍ、Ｎ及びIは、以下の関係を具備する。
【０１８６】
【数８】
2021527801.tif 000010
【０１８７】
式（１）では、三次元磁気アセンブリ内の各コイルの磁気モーメントがＭに等しいと仮定されている。
【０１８８】
Ｂｘは、ｘ方向のコイルに沿ったコイルの総コイル磁場である。Ｂｙは、ｙ方向に沿ったコイルの総コイル磁場である。Ｂｚは、ｚ方向に沿ったコイルの総コイル磁場である。ｘ、ｙ、ｚ方向は、三次元励磁コイルアセンブリの磁気軸である。例示的なｘ、ｙ及びｚ方向または軸が図７〜１０に示されている。Ｂｘは、式（２）に示すような３つのコンポーネント磁場で計算できる。
【０１８９】
【数９】
2021527801.tif 000011
【０１９０】
Ｂｘ'ｘ、Ｂｘ'ｙ、Ｂｘ'ｚは、３Ｄ磁気センサーによって測定される磁場の３つのコンポーネントである。
【０１９１】
同様に、ＢｙとＢｚは、ｙ方向とｚ方向の同じコイルの全磁場であり、それぞれ、リモートオブジェクトの３Ｄ磁気センサーによって測定された３つのコンポーネントの磁場によっても寄与される。
【０１９２】
【数１０】
2021527801.tif 000012
【０１９３】
【数１１】
2021527801.tif 000013
【０１９４】
図６を参照すると、計算のために、３Ｄソレノイドアセンブリオブジェクトの三次元座標におけるｘ、ｙ、ｚ座標位置はそれぞれＰ（a，ｂ，c）であり、次の式（５）を満たす。
【０１９５】
【数１２】
2021527801.tif 000014
【０１９６】
Ｂｘ、Ｂｙ及びＢｚ、Ｐ及びAは、式（１）〜（４）と同じ意味を有する。上記の式（１）〜（５）によれば、結果の８つの組み合せを導き出すことができ、そのうち、システムの制限と最後に計算された場所からの連続性を考慮すると、１つのデータポイントのみ意味がある。
【０１９７】
式（６）を使用して距離Ｐを計算する。
【０１９８】
代替的に、上記のように複数のソレノイドを備えたシステムに対して、３Ｄソレノイドアセンブリ内の３つのソレノイドの磁気モーメントは、式（１）を修正して距離を計算できる。計算の基本原理は、励磁コイルアセンブリによって発生された磁場を正確に検出できることに基づいている。励磁コイルアセンブリと３Ｄ磁気センサーの間の距離が励磁コイルアセンブリの寸法よりもはるかに大きい場合、励磁コイルアセンブリによって発生される磁場は、永久磁気双極子によって発生されるものと同等であると仮定することができる。励磁コイルＭｘ、Ｍｙ及びＭｚの磁気モーメントの関係は、Ｍｘ：Ｍｙ：Ｍｚ=mｘ：mｙ：１である。
【０１９９】
そして、Ｍｚ=Ｍの場合に、式１は、次の式（６）に変更される。
【数１３】
2021527801.tif 000015
【０２００】
そのうち、ｐ、A、Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚは、式（１）での符号と同じ意味を有する。従って、３Ｄソレノイドアセンブリの３Ｄ座標内の位置に関連する式（５）は、公式グループ（７）に変更される。
【数１４】
2021527801.tif 000016
リモートオブジェクトの方向を確定する
【０２０１】
リモートオブジェクトの位置が確定された後、次の手順を使用しての方向を確定できる。本発明の範囲において、リモートオブジェクトの方向の確定は、その磁気軸に対するリモートオブジェクトの回転角度を確定することを意味する。さらに、リモートオブジェクトの回転角は、リモートオブジェクト内の３Ｄ磁気センサーの回転角と同じであり、それによって表されるものとして定義される。３Ｄ磁気センサーの回転角度は、３つの磁気軸ｘ’、ｙ’、及びｚ’に関して定義される。
【０２０２】
まず、３Ｄソレノイドアセンブリの座標における各サイテーションコイル（Ｂｘ、Ｂｙ及びＢｚ）の磁場を計算する。計算は、磁気双極子モデルに基づいている。
【数１５】
2021527801.tif 000017
３つの励磁コイル（Ｘ、Ｙ、及びＺ）について、コンポーネントとして次のように、各ｘ、ｙ、ｚ方向に沿って、３Ｄソレノイドアセンブリでの位置を計算した。
【数１６】
2021527801.tif 000018
【数１７】
2021527801.tif 000019
【数１８】
2021527801.tif 000020
ここで、前記磁場は、（Ｂｘｘ，Ｂｘｙ，Ｂｘｚ）、（Ｂｙｘ，Ｂｙｙ，Ｂｙｚ）、（Ｂｚｘ，Ｂｚｙ，Ｂｚｚ）である。３つの励磁コイルＸ、Ｙ、及びＺの磁気センサーの対応する測定値は、次のとおりである。
【数１９】
2021527801.tif 000021
【０２０３】
磁気センサーが３Ｄソレノイドアセンブリ座標で回転しない場合、磁気コイル励起アセンブリで定義されたｘ、ｙ、ｚ軸と、リモートオブジェクトの磁気センサーによって測定されたｘ’、ｙ’、ｚ’軸は、それぞれ同じ方向に沿って互いに平行である。ただし、回転がある場合、リモートオブジェクトの磁気センサーによって測定された軸と電磁コイル励起アセンブリの中の軸は、回転行列と関係を確立する。例えば、軸ｚ’と軸ｚは、式（１６）に示す関係を具備する。
【数２０】
2021527801.tif 000022
【０２０４】
図６は、回転角を示している。ｘ、ｙ、ｚは、コイルの座標またはグローバル座標と呼ばれる。ｘ’、ｙ’、ｚ’は、磁気センサーの座標であり、またはローカル座標と呼ばれる。αは、Ｘ軸を中心とした回転であり、ピッチと呼ばれる。βは、Ｙ軸を中心とした回転であり、ヨーと呼ばれる。γは、Ｚ軸を中心とした回転であり、ロールと呼ばれる。
【０２０５】
軸の回転
まず、各軸+Ｘ、+Ｙ、及び+Ｚを中心とした回転を見る。３つの軸が３つの異なる方法で平面に投影されるため、回転させたい軸はあなたの方を向いている。正回転方向は、反時計回り（右手ルール）となる。
左（Ｘ）軸を中心に回転する（ピッチ）
【数２１】
2021527801.tif 000023
左（X）軸を中心に回転する。
上（Ｙ）軸と前軸（Ｚ）の初期値は、（０，１，０）と（０，０，１）である。左（Ｘ）軸をA度回転させると、新しい上軸（Ｙ'）は、（０，ｃｏｓA，ｓｉｎA）になり、前軸（Ｚ'）は、（０，−ｓｉｎA、ｃｏｓA）になる。新しい軸は、３×３回転行列のカラムコンポーネントとして挿入される。すると、回転行列は、次のようになる。
【数２２】
2021527801.tif 000024
上（Ｙ）軸を中心とした回転（ヨー、ヘディング）
【数２３】
2021527801.tif 000025
上（Ｙ）軸を中心とした回転
今、Ｂ角度であなたに面する上方向のベクトルを中心に回転する。左（Ｘ）軸は、（１，０，０）からＸ'（ｃｏｓＢ，０，−ｓｉｎＢ）に変換される。そして、前軸（Ｚ）は、（０，０，１）からＺ'（ｓｉｎＢ，０，ｃｏｓＢ）になる。
【数２４】
2021527801.tif 000026
前（Ｚ）軸を中心とした回転（ロール）
【数２５】
2021527801.tif 000027
前（Ｚ）軸を中心とした回転
Ｃ角度で前軸（Ｚ）を回転させると、元の左（Ｘ）軸（１，０，０）は、Ｘ'（ｃｏｓＣ，ｓｉｎＣ，０）になり、上（Ｙ）軸（０，１，０）は、Ｙ'（−ｓｉｎＣ，ｃｏｓＣ，０）になる。
【数２６】
2021527801.tif 000028
軸の角度
上記の３つのマトリックスを乗算することにより、これらの個々の軸の回転を１つのマトリックスに組み合わせることができる。マトリックス乗算は交換できないため、マトリックス乗算の次数が異なると、結果も異なることに注意されたい。ＲｘＲｙＲｚ、ＲｘＲｚＲｙ、ＲｙＲｘＲｚ、ＲｙＲｚＲｘ、ＲｚＲｘＲｙ、ＲｚＲｙＲｘという６つの異なる組み合わせが可能である。
複合回転行列の左列は、回転された後の左軸とし、前記中間列は、前記上軸とし、前記右列は、前記前軸となる。
【数２７】
2021527801.tif 000029
【０２０６】
ここで、Ｒは、回転行列であり、Ｂｚは、ｚ方向に沿った３Ｄ励磁コイルアセンブリの磁場ベクトル（図６）であり、Ｂｚ’は、リモートオブジェクト座標で磁気センサーによって測定される磁場ベクトルである。さらに、回転行列Ｒは、式１７のように記述される。
【数２８】
2021527801.tif 000030
【０２０７】
そのうち、α、β、及びγは回転角である。
【数２９】
2021527801.tif 000031
【０２０８】
理論的には、式（１５）及び（１６）を使用して、α、β、及びγの値を計算できる。しかし、それは複数の非線形方程式を解くことを含んでいるかもしれなく、効果はあまり良くない。または、計算を簡単にすることができ、磁気センサーポイントにおける３Ｄ励磁コイルアセンブリの磁場をｚ方向に沿うように、Ｘ、Ｙ及びＺ励磁コイルの磁場の線形結合を数学的に使用することができる。また、Ｘ、Ｙ及びＺ励磁コイルの磁場の線形結合を数学的に使用して、磁気センサーポイントでの３Ｄ励磁コイルアセンブリの磁場がｙ方向に沿っているようにすることもできる。
【０２０９】
Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれｘ、ｙ、ｚ軸に沿ったＸ、Ｙ、Ｚコイルを示す。
【数３０】
2021527801.tif 000032
【０２１０】
そのうち、（上側に矢印付きの）Bextは、３Ｄソレノイド座標の磁場であり、且つｘ、Ｂｘまたはｙ、Ｂｙまたはｚ、Ｂｚに沿って配置される。（上側に矢印付きの）Bintは、磁気センサー座標における磁場であり、且つｘ、Ｂｘ’、またはｙ、Ｂｙ’、またはｚ、Ｂｚ’に沿ったソレノイドに対応する。
【０２１１】
（１８）の線形の組み合わせにより、式（１７）の計算が簡略化される。さらに、式（２１）、（２２）で説明したように、式（１９）、（２０）を使用して、回転角度α及びβをより簡単に取得する計算が導き出される。
【数３１】
2021527801.tif 000033
【数３２】
2021527801.tif 000034
【０２１２】
そのうち、（上側に矢印付きの）Bcoil，Bsensorは、それぞれ３Ｄ励磁コイルアセンブリ座標と磁気センサー座標との磁場である。磁気センサーの方向の角度は、次の通りである。
【数３３】
2021527801.tif 000035
【数３４】
2021527801.tif 000036
【０２１３】
それに応じて、式（２３）で説明されているように、同様の手順をｙ軸に沿った３Ｄソレノイドアセンブリの磁場に適用できる。その結果、式（２５）で説明されているように、回転角γを取得するための計算は、より簡単になる。
【数３５】
2021527801.tif 000037
【数３６】
2021527801.tif 000038
【数３７】
2021527801.tif 000039
【０２１４】
要約すると、式（２１）、（２２）及び（２５）により、リモートオブジェクト内の３Ｄ磁気センサーの回転角を確定することができる。
【０２１５】
１つの三次元磁気励磁コイルアセンブリを使用してリモートオブジェクトの位置及び方向を確定するためのシステム及び方法は、上記で開示されている。別の実装では、同じ動作原理の下で、３つの三次元磁気コイルシステムを使用して、より正確な方法でリモートオブジェクトの位置を協調的に確定することができる。リモートオブジェクトを取り囲む異なる場所に３つの三次元磁気コイルアセンブリシステムを有する先進的なシステムは、各三次元磁気コイルアセンブリ間の距離を協調的に確定することができる。
【０２１６】
一実施形態では、３セットの３Ｄ励磁コイルアセンブリが、ターゲットエリアの周囲に配置される。一例では、３セットの３Ｄ励磁コイルアセンブリが、３つの異なる場所で患者さんの体を囲んで配置されている。一例では、第１の三次元磁気励起アセンブリは、（ｘ１，ｙ１，ｚ１）に配置されると仮定して、第２の三次元磁気励起アセンブリは、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）に配置され、第３の三次元磁気励起アセンブリは、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）に配置される。第１の三次元磁気励起アセンブリから第２の三次元磁気励起アセンブリまでの距離はＬ１である。第２の三次元磁気励起アセンブリから第３の三次元磁気励起アセンブリまでの距離はＬ２である。第１の三次元磁気励起アセンブリから第３の三次元磁気励起アセンブリまでの距離はＬ３である。
【０２１７】
次に、位置を計算するための式は、次のとおりである。
【数３８】
2021527801.tif 000040
そのうち、
【数３９】
2021527801.tif 000041
そのうち、
【数４０】
2021527801.tif 000042
【数４１】
2021527801.tif 000043
式（２６）−（２７）は、磁気センサーの（ｘ，ｙ，ｚ）位置を示している。
【０２１８】
本発明の代替実施形態では、基準位置を使用して、位置確定期間中に三次元アセンブリが移動したかどうかをさらに識別する。
【０２１９】
一例では、図３に示すように、１つの３Ｄ磁気励起アセンブリがウエストのまわりで人体のまわりで着用されるとき、基準磁気センサーは人体、特に後部腰椎にテープで固定される。人体内部のリモート小型化検査装置の長く繰り返される位置確定プロセス中に、三次元励磁コイルアセンブリの位置が外れる可能性がある。三次元励磁コイルアセンブリとリモート小型化検査装置との間の距離、及び三次元励磁コイルアセンブリと基準位置との間の距離の両方を測定するステップを含む方法は、三次元励磁コイルアセンブリの動きによるエラーを取り除くことができる。この方法は、以下のステップを含む。第１に、三次元励磁コイルアセンブリからリモートオブジェクトまでの距離Ｐを確定する。ここで、Ｐはベクトルである。第２に、三次元励磁コイルアセンブリから基準位置までの距離Ｑを確定する。ここで、Ｑは、ベクトルである。次に、Ｐ（ベクトル）からＱ（ベクトル）までの距離を計算して、三次元励磁コイルアセンブリの動きによるエラーを取り除く。距離Ｐと距離Ｑの測定は、同時に行われる。
【０２２０】
医療用途に用いるリモート小型化検査装置は、以下の１つまたは複数を備えることができる。医療診断ツール、医療治療ツールまたは手術ツール。医療診断ツールは、リモート小型化検査装置が置かれている地域の身体状態を検査するのに役立つ装置である。これらのツールには、画像を撮影したり、温度、圧力、ＰＨなどを測定したりするセンサーを含めることができる。本発明の幾つかのバージョンでは、医療診断ツールは、そのエリアから物理的サンプルを収集し、さらなるテストのためにサンプルを体外に送達するデバイスを含み得る。医療治療ツールは、既存の病状を治療することを目的とした治療装置を指す。例えば、これらのツールは、薬物送達ユニット、光線力学療法のための医療用光源または低体温療法のための制御された熱源を含むことができる。医療外科用ツールには、生体内で外科手術を行うことができるデバイスが含まれる。
【０２２１】
本発明の装置、システム、及び方法は、リモートオブジェクトの配向及び動き制御を改善し、リモートプローブの電力需要を低減することを含む１つまたは複数の利点を提供するがこれらに限定されない。本発明は、特定の例示的な実施形態を参照して説明されてきたが、本明細書に記載されたものは、限定的な意味で解釈されることを意図するものではない。例えば、本発明を逸脱することなく、示されまたは説明された実施形態における特徴または材料の変化または組み合せを特定の場合に使用することができる。本明細書では、特定の例に従って、好ましい実施形態を説明しているが、本発明の例示的な実施形態及び他の利点及び実施形態の修正及び組み合せは、当業者にとっては明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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