(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の物体の場所を決定するシステムであって、
第１の組のセンサ及び第１の座標系を有する第１のサブシステムであって、前記第１の組のセンサが前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の位置及び方向を示す第１のデータ信号を生成する、第１のサブシステムを備え、
前記第１のサブシステムが、前記第１のデータ信号に応答して、前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の場所を示す第１のサブシステム場所信号を生成し、
前記第１のデータ信号がまた、第２のサブシステムに与えられ、
前記第２のサブシステムが、第２の組のセンサ及び第２の座標系を有し、
前記第２の組のセンサが、前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の位置及び方向を示す第２のデータ信号を生成し、
前記第２のサブシステムが、前記第２のデータ信号に応答して、前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の場所を示す第２のサブシステム場所信号を生成し、
前記第２のデータ信号がまた、前記第１のサブシステムに与えられ、
前記システムが更に、
前記第２のサブシステムの前記第２の座標系内における前記第１のサブシステムの場所を示す結合場所信号を生成する結合装置と、
前記結合場所信号と、前記サブシステム場所信号のうちの少なくとも１つとに応答して、前記第１のサブシステムの前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の場所を特定するプロセッサと、を備え、
前記第１のサブシステムが、前記第２のデータ信号を用いて、前記第１のサブシステム場所信号の強固さ及び精度を増強し、
前記第２のサブシステムが、前記第１のデータ信号を用いて、前記第２のサブシステム場所信号の強固さ及び精度を増強する、システム。
【請求項２】
前記第１のサブシステムが光学式サブシステムであり、前記第２のサブシステムが磁気サブシステムである請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記光学的サブシステムが、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光源からのエネルギを検出するよう構成された光学式センサと、を備え、
前記光学式センサが、前記第１の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記光学式センサが、前記少なくとも１つの光源からの検出されたエネルギを表す前記第１のデータ信号を生成する
請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記磁気サブシステムが、磁気式送信機と、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの磁気センサと、を備え、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からのエネルギを検出するよう構成され、
前記磁気式送信機が、前記第２の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からの検出されたエネルギを表す前記第２のデータ信号を生成する
請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記結合装置が、前記第１の座標系と固定した空間的関係にある磁気サブシステム・センサを備え、
前記磁気サブシステム・センサが、前記磁気式送信機からの検出されたエネルギを表す前記結合場所信号を生成する
請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のサブシステムが磁気サブシステムであり、前記第２のサブシステムが光学式サブシステムである請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記磁気サブシステムが、磁気式送信機と、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの磁気センサと、を備え、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からのエネルギを検出するよう構成され、
前記磁気式送信機が、前記第１の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からの検出されたエネルギを表す前記第１のデータ信号を生成する
請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記光学的サブシステムが、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光源からのエネルギを検出するよう構成された光学式センサと、を備え、
前記光学式センサが、前記第２の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記光学式センサが、前記少なくとも１つの光源からの検出されたエネルギを表す前記第２のデータ信号を生成する
請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記結合装置が、前記第１の座標系と固定した空間的関係にある光学式サブシステム光源を備え、
前記光学式センサが更に、前記光学式サブシステム光源からのエネルギを検出するよう構成され、
前記光学式センサが、前記光学式サブシステム光源からの検出されたエネルギを表す前記結合場所信号を生成する
請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記サブシステム場所信号のそれぞれが、前記第１及び第２の座標系内における前記１つ以上の物体の位置を示す位置信号を含む請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記サブシステム場所信号のそれぞれが、前記第１及び第２の座標系内における前記１つ以上の物体の方向を示す方向信号を含む請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
１つ以上の物体の場所を決定するシステムであって、
第１の組のセンサ及び第１の座標系を有する第１のサブシステムであって、前記第１の組のセンサが前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の位置及び方向を示す第１のデータ信号を生成する、第１のサブシステムを備え、
前記第１のサブシステムが、前記第１のデータ信号に応答して、前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の場所を示す第１のサブシステム場所信号を生成し、
前記第１のデータ信号がまた、第２のサブシステムに与えられ、
前記第２のサブシステムが、第２の組のセンサ及び第２の座標系を有し、
前記第２の組のセンサが、前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の位置及び方向を示す第２のデータ信号を生成し、
前記第２のサブシステムが、前記第２のデータ信号に応答して、前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の場所を示す第２のサブシステム場所信号を生成し、
前記第２のデータ信号がまた、前記第１のサブシステムに与えられ、
前記システムが更に、
前記第２のサブシステムの前記第２の座標系内における前記第１のサブシステムの場所を示す結合場所信号を生成する結合装置と、
前記結合場所信号と、前記サブシステム場所信号のうちの少なくとも１つとに応答して、前記第２のサブシステムの前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の場所を特定するプロセッサと、を備え、
前記第１のサブシステムが、前記第２のデータ信号を用いて、前記第１のサブシステム場所信号の強固さ及び精度を増強し、
前記第２のサブシステムが、前記第１のデータ信号を用いて、前記第２のサブシステム場所信号の強固さ及び精度を増強する、システム。
【請求項１３】
前記第１のサブシステムが光学式サブシステムであり、前記第２のサブシステムが磁気サブシステムである請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記光学的サブシステムが、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光源からのエネルギを検出するよう構成された光学式センサと、を備え、
前記光学式センサが、前記第１の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記光学式センサが、前記少なくとも１つの光源からの検出されたエネルギを表す前記第１のデータ信号を生成する
請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記磁気サブシステムが、磁気式送信機と、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの磁気センサと、を備え、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からのエネルギを検出するよう構成され、
前記磁気式送信機が、前記第２の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からの検出されたエネルギを表す前記第２のデータ信号を生成する
請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記結合装置が、前記第１の座標系と固定した空間的関係にある磁気サブシステム・センサを備え、
前記磁気サブシステム・センサが、前記磁気式送信機からの検出されたエネルギを表す前記結合場所信号を生成する
請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１のサブシステムが磁気サブシステムであり、前記第２のサブシステムが光学式サブシステムである請求項１２記載のシステム。
【請求項１８】
前記磁気サブシステムが、磁気式送信機と、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの磁気センサと、を備え、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からのエネルギを検出するよう構成され、
前記磁気式送信機が、前記第１の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記少なくとも１つの磁気センサが、前記磁気式送信機からの検出されたエネルギを表す前記第１のデータ信号を生成する
請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記光学的サブシステムが、前記１つ以上の物体に近接して配置された少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光源からのエネルギを検出するよう構成された光学式センサと、を備え、
前記光学式センサが、前記第２の座標系と固定した空間的関係にあり、
前記光学式センサが、前記少なくとも１つの光源からの検出されたエネルギを表す前記第２のデータ信号を生成する
請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記結合装置が、前記第１の座標系と固定した空間的関係にある光学式サブシステム光源を備え、
前記光学式センサが更に、前記光学式サブシステム光源からのエネルギを検出するよう構成され、
前記光学式センサが、前記光学式サブシステム光源からの検出されたエネルギを表す前記結合場所信号を生成する
請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
１つ以上の物体の場所を決定するシステムであって、
第１の組のセンサ及び第１の座標系を有する第１のサブシステムであって、前記第１の組のセンサが前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の位置及び方向を示す第１のデータ信号を生成する、第１のサブシステムを備え、
前記第１のサブシステムが、前記第１のデータ信号に応答して、前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の場所を示す第１のサブシステム場所信号を生成し、
前記第１のデータ信号がまた、第２のサブシステムに与えられ、
前記第２のサブシステムが、第２の組のセンサ及び第２の座標系を有し、
前記第２の組のセンサが、前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の位置及び方向を示す第２のデータ信号を生成し、
前記第２のサブシステムが、前記第２のデータ信号に応答して、前記第２の座標系内における同一の前記１つ以上の物体の場所を示す第２のサブシステム場所信号を生成し、
前記第２のデータ信号がまた、前記第１のサブシステムに与えられ、
前記システムが更に、
前記第１及び第２のサブシステムのうちの一方のサブシステムの座標系内における前記前記第１及び第２のサブシステムのうちの他方のサブシステムの場所を示す結合場所信号を生成する結合装置と、
前記結合場所信号と、前記サブシステム場所信号のうちの少なくとも１つとに応答して、前記第１のサブシステムの前記第１の座標系内における前記１つ以上の物体の場所を特定するプロセッサと、を備え、
前記第１のサブシステムが、前記第２のデータ信号を用いて、前記第１のサブシステム場所信号の強固さ及び精度を増強し、
前記第２のサブシステムが、前記第１のデータ信号を用いて、前記第２のサブシステム場所信号の強固さ及び精度を増強する、システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的には、３次元（３Ｄ）ボディまたは物体の空間的な位置および角度方向（すなわち、姿勢）を決定することができるシステムに関し、より詳細には、物体の剛性率または可視性と無関係に、特定の体積内でリアルタイムに物体を追跡することができるシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
当技術分野では知られているように、短い時間で物体の空間的な位置および角度方向を決定して、その移動をリアルタイムで追跡するすることができる様々なシステムが開発されている。これらのシステムは一般に、特定の物理的な現象を利用するので、様々な能力と制限を有する。あるシステムは、光学式システムである。そのような光学式システムは、電荷結合装置（ＣＣＤ）のような感知アレイで放射された電磁エネルギー（例えば、アクティブマーカから放射される光または赤外線エネルギー、または受動的なマーカで反射される光または赤外線エネルギー）のソースを感知することで動作する。そのような光学式システムは、大きな動作体積（一般には、部屋の大きさ）にわたって高いサンプリング周波数で非常に正確な空間的測定および角度測定を可能にするが、最小限の数のマーカが常にＣＣＤセンサの視野の中にあることが必要である。この見通し線の制限は、三角測量の手法を用いて見えるマーカの測定位置から見えない点の位置を決定することで、ある程度は対処することができる。例えば、器具またはプローブ（手術用のプローブのような）のチップ先端部を追跡することができるように、その器具またはプローブにマーカを付けることができる。しかし、そのようなプローブは、剛体でなければならない。この方法は、カテーテルのようなフレキシブルなプローブに適用することはできない。
【０００３】
他の種類のシステムは、非光学式システムである。そのようなシステムには、磁気式システム、機械式システム、および超音波システムがある。例えば、ＮｏｗａｃｋｉおよびＨｏｒｂａｌの米国特許第５，１９７，４７６号および第５，２９５，４８３号は、人体中の腎石のような結石を検出する超音波スキャナまたはプローブそれ自体の位置を追跡するために光学カメラを使用することを開示している。しかし、超音波スキャナは、追跡される物体の姿勢を決定することはできない。磁気式システムには、光学式システムに固有な見通し線の問題はない。しかし、磁気式システムは、その磁界を乱す無関係な物体の影響をひどく受け、さらに一般に余り正確でない。機械式システムは、多関節ア−ムのような機械的装置を使用するので、見通し線の問題および磁気的な外乱の問題がない。しかし、そのようなシステムは、ある特定のレベルの精度を得るには相当に高価になる。その精度は、重力作用で誘起される力およびトルクから生じる乱れの影響を受ける。そのために、機械式システムは、その移動範囲が及ぶ一般に比較的小さな動作体積に限定される。また、機械式システムは、その移動が動作体積内にある他の物体との可能な衝突で制約されるので、他の装置よりも扱い難い。
【０００４】
同じく当技術分野では知られているように、光学式装置を、非光学式装置と共に使用して、光学式装置の見通し線の制限を克服することができる。しかし、そのような結合では、都合の悪いことに、測定された位置データは別々の基準フレームで報告されることになるので、ユーザは、それらの装置を較正して２つの基準フレーム間の必要な変換を決定してデータを一致させる必要がある。Ｂｉｒｋｆｅｌｌｎｅｒ，ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｎｃｅｐｔｓ  ａｎｄ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ＣＡＳ，Ｌｅｃｔｕｒｅ  Ｎｏｔｅｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ：  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ−ＭＩＣＣＡＩ  ’９８，  Ｖｏｌ．１４９６（１９９８），ｐｐ．３４２−３５１には、光学式追跡システムと直流パルス電磁追跡システムとで構成されたそのようなシステムが記載されている。それには、また、光学式システムの基準フレームに対して磁気式システムの局部基準フレームを較正し記録する手順も記載されている。そのシステムは、非常に長い較正と記録の手順が行われた後で、磁界源が固定されたままであることを必要とするので、磁界源を欲するままに他の都合の良いまたは適当な位置に動かすことができない。また、そのシステムでは、光学式システムの見通し線に障害物があるために光位置データが利用できない時にだけ、磁気式サブシステムからの位置データが報告されるので、それは基本的には非光学式システムで補われている光学式システムである。
【０００５】
Ｈａｎｓｅｎの米国特許第５，８３１，２６０号は、磁気式サブシステムと光学式サブシステムを有するハイブリッド移動追跡装置を教示している。このシステムは、移動取込みのために使用され、その移動を検出するように追跡される人に効果的に配置されたセンサアセンブリ（磁界センサと発光ダイオード（ＬＥＤ）光源の両方を有する）を使用する。通常の動作では、光学式サブシステムは、本質的に精度がより高いために、３Ｄの位置データを供給し、磁気式サブシステムは方向データを供給する。光源が見えない場合は、磁気式サブシステムが位置データも供給する。Ｈａｎｓｅｎのシステムは、Ｂｉｒｋｆｅｌｌｎｅｔ等によって記述されたシステムに似ており、主には市販されている光学式システムと市販されている磁気式サブシステムの結合であり、さらに市販されているソフトウエアを使用してサブシステム間で測定値を変換している（ただし、光学式サブシステムを使用して磁気式サブシステムの劣る信号対雑音比を補償するというようないくらの統合化はある）。したがって、Ｈａｎｓｅｎのシステムには、そのようなシステムに内在する同じ欠陥があり、固定磁気トランスミッタおよび固定光センサを必要とし、ユーザは、最初に、非常に長い較正と記録の手順によってそれらの固定基準フレームを記録しなけれならない。そのために、サブシステムの相互の位置を都合よく望み通りに簡単に変えることができない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような従来の問題を解消し得る、１つ以上の物体の空間的な位置および／または方向を決定するシステムを提供し、具体的には、物体の剛性率または可視性と無関係に、特定の体積内でリアルタイムに物体を追跡することができるシステムを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のシステムは、光学式サブシステムおよび非光学式サブシステムを含む。光学式サブシステムは、物体の１つ以上に取り付けられた光学式サブシステム光源と、その光学式サブシステム光源からのエネルギーを検出するように構成されている光学式サブシステムセンサとを含む。光学式サブシステムは、光学式サブシステムセンサと固定された関係にある光学式サブシステム座標系を有する。光学式サブシステムセンサは、光学式サブシステム光源の検出されたエネルギーに応答して、光学式サブシステム座標系に関して位置および／または方向の信号を生成する。非光学式サブシステムは、非光学式サブシステム座標系を有し、非光学式サブシステム座標系に関して１つ以上の物体の位置および／または方向の信号を生成するように構成されている。光学式または非光学式サブシステムの選ばれた一方の位置および／または方向を、光学式または非光学式サブシステムの他方の座標系に関して表す位置および／または方向の信号を生成する結合装置が設けられる。プロセッサは、結合装置および光学式サブシステムおよび／または非光学式サブシステムで生成された信号に応答して、光学式または非光学式サブシステムの選ばれた一方の座標系に関して１つ以上の物体の位置および／または方向を決定する。
【０００８】
本発明の一実施形態では、結合装置は、非光学式サブシステム座標系に対して固定された関係を有する非光学式サブシステム光源を含む。光学式サブシステムセンサは、非光学式サブシステム光源からのエネルギーを検出し、そのような非光学式サブシステム光源の検出されたエネルギーに応答して光学式サブシステム座標系に関して位置および／または方向の信号を生成するように構成されている。プロセッサは、光学式および／または非光学式サブシステムで生成される信号に応答して、光学式サブシステム座標系に関して１つ以上の物体の位置および／または方向を決定する。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、結合装置は、光学式サブシステム座標系に対して固定された関係を有する非光学式サブシステムセンサを含む。非光学式サブシステムセンサは、非光学式サブシステム座標系に関して光学式サブシステム光源の位置および／または方向の信号を生成するように構成されている。プロセッサは、光学式サブシステムセンサおよび／または非光学式システムセンサで生成された信号に応答して、非光学式システムの座標系に関して、１つ以上の物体の位置および／または方向を決定する。
【００１０】
そのような装置に関して、プロセッサと共に動作する光学式／非光学式ハイブリッド追跡システムが提供される。そのシステムは、物体が見える時と見えない時の両方で、システムの動作体積全体にわたって、特定の３Ｄ物体の位置および姿勢を測定し追跡することができる。さらに、追跡される物体は、剛性体である必要はない。カテーテルのような非剛性体を使用することができる。見えない非剛性体を追跡する本発明の能力は、現在の光学式システムに優る重要な利点である。非光学式装置が光学式装置に結合されることから生じる、非光学式装置に付与される他の利点は、非光学式装置の詳細に依存する。
【００１１】
また、ハイブリッドシステムは、使用時に較正および座標系の位置合わせを必要としないという利点も有する。さらに、ハイブリッドシステムは、配列の柔軟性をも保持しており、固定された相対的な間隔を維持するようにサブシステム構成要素を所定の位置に厳密に固定する必要はない。例えば、光学式サブシステムの動作体積内で、最適位置を利用するためにまたは性能に影響する外乱を避けるために望み通りに非光学式サブシステムの位置を変えることもできる。
【００１２】
ハイブリッドシステムに内在する測定の重複は、サブシステム構成要素に優る利点をハイブリッドシステムに与える。位置追跡システムが一般に持つ精度は、様々な要素に依存して動作体積全体にわたって相当に変化する。精度の空間依存性は、光学式装置と非光学式装置の間で相当に異なり、一般に、空間の特定の領域に対しては前者が後者よりも実質的に正確である。測定された精度のマッピングをガイドとして使用して、特定の動作サブスペースに対して２つの有効な測定値のうちより正確なものを選択するハイブリッドシステムを設計することができる。または、適当な重み付け平均を使用して、所望の精度レベルを含む全体的な領域を、光学式サブシステムおよび非光学式サブシステムだけから得られる同等の領域に比べて拡大するハイブリッドシステムを設計することができる。
【００１３】
本発明の一実施形態では、非光学式サブシステムは磁気式追跡システムであり、本発明の他の実施形態では、非光学式サブシステムは、機械式追跡システムである。
【００１４】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を添付の図面および下記の記述で示す。本発明の他の特徴、目的および利点は、その記述および図面から、さらに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
これから図１、２、３を参照し、また図４を参照して、１つ以上の物体の空間的な位置および／または方向を決定するシステムの２つの実施形態を示す。各実施形態において、システム１０、１０’は、非光学式サブシステム１２、１２’および光学式サブシステム１４、１４’をそれぞれ含んでいる。システム１０（図１、２、３）で、非光学式サブシステム１２は磁気式追跡システムであり、システム１０’（図４）で、非光学式サブシステム１２’は機械式追跡システムである。両方のシステム１０および１０’において、光学式システム１４、１４’のそれぞれは、物体の１つに、ここでは物体１８に、取り付けられた光学式サブシステム光源、ここでは３個の光源１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および光学式サブシステム光源１６ａ、１６ｂ、１６ｃからのエネルギーを検出するように構成されているセンサ２０を含む。光学式サブシステム１４は、センサ２０に対して固定された関係にある光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOを有する。センサ２０は、光学式サブシステム光源１６ａ、１６ｂ、１６ｃからの検出されたエネルギーに応答して、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOを基準として位置および／または方向の信号を生成する。
【００１６】
非光学式サブシステム１２、１２’各々は、図に示すようにそれぞれ非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMおよびＸA、ＹA、ＺAを有し、各々は、それぞれ別の１つの物体２２、２２’の位置および方向の信号を、それぞれ非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMおよびＸA、ＹA、ＺAを基準として生成するように構成されている。また、非光学式サブシステム１２、１２’は、非光学式サブシステム光源を含み、ここでは、図示のように、それぞれ非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMおよびＸA、ＹA、ＺAに対して固定された関係を有する複数の結合マーカ２４、２４’を含む。光学式サブシステム１４、１４’のセンサ２０、２０’は、それぞれ非光学式サブシステム光源２４、２４’からのエネルギーを検出し、非光学式サブシステムの検出されたエネルギーに応答して光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOを基準として位置および／または方向の信号を生成するように構成されている。このようにして、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOを基準として、非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMおよびＸA、ＹA、ＺAの空間的な位置が、非光学式サブシステム光源２４で生成された光エネルギーのセンサ２０による検出および処理によって決定される。ここで、そのセンサ２０は、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOに対して固定された関係にある。ここではホストコンピュータであるプロセッサ２６、２６’は、センサ２０、２０’で生成された信号に応答し、物体１８、２２および１８’、２２’の位置および／または方向を、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOを基準として決定する。
【００１７】
このようにして、上記から、図１、２、３および図４において、光源２４、２４’およびセンサ３４、３４’それぞれは、光学式または非光学式サブシステムの選ばれた一方、ここではそれぞれ非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMおよびＸA、ＹA、ＺA、の位置および／または方向を、光学式または非光学式サブシステムの他方の選ばれたものの座標系、ここでは光学式座標系ＸO、ＹO、ＺO、を基準として表す位置および／または方向の信号を生成する結合装置を形成する。
【００１８】
両方の実施形態で、ハイブリッドシステム１０、１０’は、光学式サブシステム１４に結合された単一の非光学式サブシステム１２、１２’を含む。これは説明のためだけのものであり、理解されることであるが、そのようなハイブリッドシステムはもっと一般的であり、２以上のタイプの非光学式サブシステムを有するハイブリッドシステムを、適当な方法で光学式サブシステムに同様に適切に結合することができる。
【００１９】
これから、より詳細に図１、２、３を参照して、光学式／非光学式ハイブリッド追跡システム１０を示す。ここで、非光学式サブシステム１２は、上に言及したように、磁気式位置追跡システムである。非光学式サブシステム１２は、プロセッサ２６を介して、また上に言及したように、非光学式サブシステム光源２４とセンサ２０の間の光リンクを介して、追跡システムの光学式サブシステム１４に結合されている。磁気式追跡システムはよく知られており、いくつかの変形態が開発されている。説明のために、追跡システム１０の、ここでは非光学式の、この場合は磁気式のサブシステム１２は、図示しない適当に配列された電磁誘導コイルで構成される磁界発生器２８を含み、この電磁誘導コイルが空間的な磁気基準フレームとして働く（すなわち、非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMに対して固定されている）。非光学式サブシステム１２は、追跡される物体２２に取り付けられた小さな移動可能な誘導センサコイル３０を含む。理解すべきことであるが、他の変形態を容易に含むことができる。また、非光学式サブシステム１２は、磁気システム制御ユニット３２を含み、その制御ユニット３２は、図示のように、プロセッサ２６、磁界発生器２８およびコイル３０に結合されている。
【００２０】
より詳細には、磁界発生器２８は、磁気座標基準フレーム（ＸM、ＹM、ＺM）を定義する。発生器２８は、ソース磁界を生成するように適当に配列された多数のコイルを含む。小さなセンサコイル３０は、ここではフレキシブル要素（カテーテルに挿入できるような装置）である物体２２に取り付けられている。コイル３０の位置および角度方向（すなわち、姿勢）は、磁界発生器２８で生成されるソース磁界に対するコイルの磁気結合から求められる。磁気式システム制御ユニット３２は、磁界発生器２８を管理し、磁気センサから、ここではコイル３０から、信号を受け取る。
【００２１】
留意すべきことであるが、磁界発生器２８は、一連または一組の、ここでは６個の、異なる空間磁界の形状または分布を生成し、その各々の分布をセンサコイル３０が検出する。各一連の分布によって、コイル３０で一連の信号が生成されるようになる。その一連の信号を処理することで、コイル３０の姿勢を決定することができるようになる。したがって、磁界発生器２８に対して固定された関係にある磁気（非光学式）座標基準フレームＸM、ＹM、ＺMを基準として、コイル３０が取り付けられている物体２２の姿勢を決定することができるようになる。上に言及したように、複数の非光学式サブシステム光源２４（すなわち、放射源）は、磁界発生器２８に取り付けられており、すなわち固定されているので、磁気（非光学式）座標基準フレームＸM、ＹM、ＺMに対して固定された関係にある。
【００２２】
同じ様に、光学式サブシステム１４のような光学式追跡システムはよく知られており、いくつかの変形態が開発されている。再び、説明のために、ここでは光学式サブシステム１４は赤外線システムであり、その赤外線システムは、ここでは２個の２次元電荷結合装置（ＣＣＤ）である光センサ２０を含む。光学式サブシステム光源１６ａ、１６ｂ、１６ｃ（例えば、ソースまたはアクティブ発光ダイオード（ＬＥＤ）の受動的な反射器である可能性がある光マーカ）が、物体１８に取り付けられる。理解すべきことであるが、他の変形態も同様に十分に適している。
【００２３】
より詳細には、光学式サブシステム１４は、光位置センサ２０、ここでは２個の２次元ＣＣＤ３４、を含む。光学式サブシステム光源１６ａ、１６ｂ、１６ｃ並びに非光学式サブシステム光源２４は、反射型光源（すなわち、受動的なマーカ）であり、ここでは指向性赤外線エネルギー源ＬＥＤ３６が受動的マーカ１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび２４を照射するために使用される。赤外線エネルギー源３６は、図に示すように、ＣＣＤ３４のまわりに環状に配列される。光位置センサ２０は、光座標基準フレームＸO、ＹO、ＺOを定義する（すなわち、光座標基準フレームＸO、ＹO、ＺOに対して固定されている）。光位置センサ２０は、光データの収集および指向性エネルギー源３６の点灯であるタイミングを管理する光学式サブシステム制御ユニット４０に結合されている。留意すべきであるが、もし光学式サブシステム光源１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび２４にアクティブマーカが使用されていれば、光学式サブシステム制御ユニット４０は、光データの収集およびアクティブマーカ１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび２４の点灯であるタイミングを管理する。また、ユニット４０は、光学式追跡に必要な他の作業に備える。
【００２４】
非光学式および光学式（磁気式）サブシステム１２、１４は、プロセッサ２６への接続を介して互いにリンクされており、プロセッサ２６は、２つのサブシステムの動作を同期させ、さらに全体的なデータ収集を管理する。システム全体１０に共通な基準フレームを形成するために、光学式サブシステム１２に対して磁界発生器を剛性体として定義するのに十分に適切な配列で、図示のように最小で３個のアクティブＬＥＤ光マーカ２４が磁界発生器２８に取り付けられている（理解されることであるが、基準マーカすなわち光源の数を増やすと、それだけ精度は良くなり、適応性は大きくなる）。非光学式（磁気式）サブシステム座標系（すなわち、基準フレーム）ＸM、ＹM、ＺMにおける非光学式サブシステム光源２４の座標は、製造時に、システム１０が較正される時に、正確に決定される。その決定には様々な方法を使用することができる。例えば、非光学式および光学式サブシステム自体の基準フレーム内で非光学式（磁気式）および光学式サブシステム１２、１４によって、または適当な配列で組み合わされた光マーカと磁気センサで構成されるハイブリッドツールを使用することによって、個々に得られた適当な大きさの組の３次元（３Ｄ）測定値をある３次元較正標準に対して数値適合させることが使用される。
【００２５】
非光学式サブシステム光源２４（すなわち、磁界基準マーカ）の位置は非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMを基準として知られているので、ハイブリッドシステム全体１０で追跡される物体２２の位置および姿勢は、共通な基準フレームで報告することができる。ここでは共通な基準フレームは、光位置センサ２０に対して固定されている光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOである。
【００２６】
理解すべきことであるが、非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMを基準として磁気センサ３０ａを光位置センサ２０に固定させることで、非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMを光学式サブシステム基準フレームＸO，ＹO、ＺOにも結合することができる。
【００２７】
磁気式サブシステム基準フレームＸM、ＹM、ＺMが共通基準フレームとして選ばれる場合は、変換ＴＯＭにより、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOでの測定値を等価な非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMに変換する。そのような変換方法はよく知られており、完全に一般的である。共通基準フレームはサブシステム（基準フレーム）ＸO、ＹO、ＺOかＸM、ＹM、ＺMかいずれかに限定される必要はなく、任意の都合の良いフレームが可能である。この実施形態では、変換はプロセッサ２６で行われるが、こうでなくてもよい。また、磁気式および光学式システム制御ユニット３２、４０を、互いにリンクして、位置決定および変換の前に直接にデータを交換することもできる。どちらのやり方でも、２つのサブシステム１２、１４からの結合されたデータにより、そうでなければ得られない利点が得られる。例えば、光学的に測定された位置を使用して、磁気位置決定アルゴリズムを初期設定し、相当に計算時間を短縮することができる。
【００２８】
この実施形態における非光学式サブシステム光源２４を有する磁界発生器２８を光学式に追跡することは、磁性物体および導電性物体による干渉を避けるために、または磁気式サブシステムの最良の性能を得るために、追跡体積に対して磁界発生器２８の位置を最適となるように変えることができるという利点がある。留意すべきであるが、磁界発生器２８の位置を変える間、追跡手順を中断する必要はない。
【００２９】
次に図２を参照して、光学式・磁気式ハイブリッドプローブ４１を図１のシステム１０で示す（ここで、同様な要素は、図１で使用されたのと同じ数字表示で示す）。そのようなプローブ４１は、その先端位置に設けられた磁気センサ、ここではコイル３０ｂ、並びにセンサ２０（図１）で検出可能な３個の見える光学式サブシステムアクティブ光源４３を有する。ここでセンサ２０は、プローブを剛性体として定義し、同時に磁気センサ３０ｂを有する先端位置を追跡するために使用することができる。そのようなプローブ４１は、例えば磁気測定に影響を及ぼす可能性のある起り得る磁気的な外乱を検出するために、基準として使用することができる。
【００３０】
この実施形態はただ一つの磁界発生器２８を示すが、複数の磁界発生器を使用し、各々の磁界発生器を別個にそれ自体の非光学式サブシステム光源２４（図１）すなわち光マーカの組を用いて追跡することで、より大きな適応性および拡張を達成することができる。最も容易な方法は、個々の磁界発生器２８を光学的に追跡することである。ここで、磁界発生器２８は、光学式サブシシステム１２の動作体積全体にわたって適当に都合よく位置付けられており、磁気式サブシステムの動作体積を非常に拡大することができる。これは、特定の測定状況に固有な制約に最適に対応するように最適に配列された専用の磁界発生器に等しい。例えば、手術の用途では、磁気センサを含むカテーテルの動作範囲を非常に拡大するように、コイルを患者の体に適当に配列することができる。
【００３１】
上で言及したように、磁界発生器２８に貼られた非光学式サブシステム光源２４を使用したこの実施形態の光学式サブシステム１４と磁気式サブシステム１２の間の結合（図１）は、図１Ｂ（ここで、同様な要素は図１で使用されたのと同じ数字表示で示される）に示すようにコイル３０Ａのような磁気センサを光センサ２０自体にも貼ることで強化することができる。それによって、個々の非光学式（磁気式）サブシステム座標系（ＸM、ＹM、ＺM）と光学式サブシステム座標系（ＸO，ＹO、ＺO）との位置合わせが、２つの間に直接的な見通し線が存在しないときでも可能になる。これは、光センサ２０が磁界と干渉しない材料で作られた適当な遮蔽ケーシング中に収納されていることを必要とし、または電気伝導性材料または磁性材料からの影響が他の手段で補償されることを必要とする。
【００３２】
このようにして、上記から、図３において、コイル３０Ａは、光学式サブシステム座標系に対して固定された関係にあり、非光学式サブシステム座標系を基準にして、光学式サブシステムセンサ２０の位置および／または方向の信号を生成するようになっている。したがって、ここでコイル３０Ａは、光学式または非光学式サブシステムの選ばれた一方の、ここでは光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOの位置および／または方向を、光学式または非光学式サブシステムの他方の座標系を基準として表す、ここでは非光学式サブシステム座標系ＸM、ＹM、ＺMを基準として表す位置および／または方向の信号を生成する結合装置を形成する。
【００３３】
次に図４を参照して、光学式／非光学式ハイブリッド追跡システム１０’を示す。留意すべきことであるが、ここで使用され、かつ図１のシステム１０で使用される同様の要素は同じ数字表示で示す。上で言及したように、非光学式サブシステム１２’は機械式追跡サブシステム、ここでは多関節アーム５０’である。アーム５０’は、アーム５０’に貼られた非光学式サブシステム光源２４’および光位置センサ２０’によるソース２４’からの光の検出を介して、追跡システム１０’の光学式サブシステム１４’に結合されている。機械式多関節アームシステムはよく知られており、いくつかの変形態が開発されている。小型アームは、光学式システムよりも優れた精度を持つが、一般的な光学式システムの動作体積よりも遥かに小さな動作体積に限定される。ここで、再び、光学式サブシステム１４’は、赤外線領域で動作し、今度は３個の１次元ＣＣＤ３４で構成される光センサ２０’から成る。他の変形態も同様に十分適している。図１に関連して既に考察した磁気式／光学式の実施形態と異なり、この実施形態は、多関節アームに固有な基本的な制限のために、非剛性体を取り扱わないが、非光学式装置を適当な光学式装置に結合することによる非光学式装置の拡張の例を示す。
【００３４】
したがって、図４に示すように、多関節アーム５０’は非光学式（アーム）サブシステム座標系（基準フレーム）ＸA、ＹA、ＺAを定義する。アーム５０’は、上で言及したように、アームの移動動作体積内で先端操作器２２’を望み通りに位置付けることができるように、回転し移動する複数の機械的に連結され堅く接続された剛性セグメントを含む。各セグメントの位置および方向は、アームの局部的な基準フレーム（すなわち、非光学式サブシステム座標系ＸA、ＹA、ＺA）を基準として、先端操作器２２’の位置を与えるように正確に決定され組み合わされている。アーム制御ユニット３２’は、アームからのデータ収集を管理し、プロセッサ２６’に対してユニットをインタフェースする。
【００３５】
光学式サブシステム１４’は、３個の一次元ＣＣＤ３４で構成される位置センサ２０’を含む。位置センサ２０’は、光学式サブシステム座標基準フレーム（ＸO、ＹO、ＺO）を定義する。３個の見えるアクティブＬＥＤマーカ１６ａ’、１６ｂ’、１６ｃ’を有する例の剛性プローブ１８’は、制御ユニット４０’に結合されている。光位置センサ２０’は、制御ユニット４０’に取り付けられており、その制御ユニット４０’は、光データの収集およびアクティブマーカＬＥＤの発光であるタイミング、並びに光学式追跡に必要な他の作業を管理する。
【００３６】
非光学式（機械式）および光学式サブシステム１２’、１４’は、２つのサブシステムの動作を同期させ、全体的なデータ収集を管理するプロセッサ２６’への接続を介して、および光位置センサ２０’による非光学式サブシステム光源２４’からの光の検出を介して、相互にリンクされており、システム全体１０’に共通な基準フレーム、ここではセンサ２０’に対して固定された光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOを与えている。より詳細には、多関節アーム５０’は、複数のアクティブＬＥＤ光マーカ（すなわち、光学式サブシステム１４’に対してアーム５０’を剛性体として定義するのに十分に適した配列で、アーム５０’に取り付けられている非光学式サブシステム光源２４’）を有する。プロセッサ２６’は、アームの基準フレーム（すなわち、非光学式サブシステム座標系ＸA、ＹA、ＺA）から光学式サブシステム１４’の基準フレーム（すなわち、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺO）への変換を取り扱う。このようにして、光学式サブシステム１４’の動作体積内のどこにでもアーム５０’の位置を変えることができる。このようにして、アームの有効動作体積は非常に拡大される。非光学式サブシステム座標系ＸA、ＹA、ＺAを基準とした非光学式サブシステム光源２４’の位置は、製造時に、システム１０’を較正する時に、正確に決定される。
【００３７】
多関節アーム基準マーカ（すなわち、非光学式サブシステム光源２４’）の位置は知られているので、アームの先端操作器２２’の位置は、共通基準フレームで、ここでは光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺOで報告される。局部アーム座標を光学式サブシステムの基準フレーム（すなわち、光学式サブシステム座標系ＸO、ＹO、ＺO）に変換する変換方法は、よく知られており、完全に一般的である。再び、共通基準フレームは、サブシステム基準フレームのどれかに限定される必要はなく、任意の都合のよいフレームにすることができる。この実施形態では、変換はプロセッサ２６’で行われたが、２つのサブシステム制御ユニット３２’、４０’が直接データを交換することができるように接続されている場合は、この必要はない。
【００３８】
磁気式／光学式ハイブリッドシステムの工場での較正の例を、図５の流れ図で説明する。様々な他の位置測定装置を標準として使用できるので、このプロセスは一部に非常に適応性がある。したがって、図５で示したプロセスの多くの他の変形も作業に十分に適している。標準装置は、２つのサブシステムの装置のどちらかよりも、それぞれの動作体積にわたって実質的に正確であることが必要である。この例では、座標測定機械（ＣＭＭ）が標準であると想定する。図５のステップ１０１で述べるように、光学式サブシステムが最初に較正される。これは当該技術分野でよく知られており、一般には、光センサ２０の動作体積全体にわたって適当な格子状に光マーカを正確に位置付けし、センサＣＣＤデータを測定することを含む。次に、センサデータおよびＣＭＭ位置データは、センサの動作パラメータおよび局部的な基準フレーム（ＸO、ＹO、ＺO）を決定するために使用される。動作パラメータおよび局部的な基準フレームは後で、センサの通常の動作中にセンサデータを対応する３Ｄ位置データに変換するために使用される。センサパラメータが決定された後で、較正中に収集されたセンサデータは、３Ｄ位置に変換し、標準３Ｄ位置と比較することができる。その差は、センサの空間的な誤差分布のマッピングを形成するために使用される。センサの空間的な誤差分布は、後で、ハイブリッドシステムの３Ｄ位置決定アルゴリズムで使用するために記録することができる。
【００３９】
図５のステップ１０２で述べるように、次に磁界発生器２８が光学式サブシステム基準フレーム（ＸO、ＹO、ＺO）に剛性体として定義される。さらにまた、これは当該技術分野で公知のやり方であり、一般に、磁界発生器２８に貼られた基準ＬＥＤマーカ２４の相互に対する３Ｄ位置を測定することを含む。マーカ位置は、後で、局部座標系を定義するために使用することができる。局部座標系の原点および方向は剛性体内に都合のよいように位置付けることができる。この場合には、それが決定された後で、局部剛性体座標系を局部磁気式サブシステムの基準フレーム（ＸM、ＹM、ＺM）と位置合わせするのが好ましい。
【００４０】
次にステップ１０３で、磁気式サブシステムが較正される。磁界発生器２８および光センサ２０は、各々の動作体積がＣＭＭ動作体積内にあり、かつ磁界発生器の基準マーカ２４と光センサ２０の間にはっきりした見通し線があるように位置付けされる。磁界発生器２８の位置および姿勢は、光センサで測定され記録される。光測定値と磁気測定値が一致するように事実上のマーカとして定義された磁気センサを有する光学式／磁気式ハイブリッド感知ツール４１が、ＣＭＭ先端操作器に貼り付けられ、磁気式サブシステムの動作体積全体にわたって適当な格子状に正確に位置付けされる。一方で、各磁気センサ位置に対応する磁気センサデータおよび光センサデータが記録される。それから、磁気センサデータおよびＣＭＭ３Ｄ位置データは、磁気式サブシステムの動作パラメータおよび局部基準フレーム（ＸM、ＹM、ＺM）を決定するために使用され、その動作パラメータおよび局部基準フレーム（ＸM、ＹM、ＺM）は、後で、通常動作中に磁気センサデータを対応する３Ｄ位置データに変換するために使用される。光学式サブシステムの較正と同じ様に、磁気サブシステムのパラメータが決定された後で、較正中に収集された磁気センサデータは、３Ｄ位置に変換し標準３Ｄ位置と比較することができる。その差は、磁気式サブシステムの空間誤差分布のマッピングを形成するために使用することができる。両方のサブシステムを較正するためにＣＭＭを使用したが、光学式サブシステムが磁気式サブシステムよりも十分に正確である場合は、光学式サブシステム自体を磁気式サブシステムを較正するために使用することができることに留意されたい。
【００４１】
ハイブリッドツール位置に対応する光学式および磁気式３Ｄデータは、基準マーカ２４で定義される磁界発生器の位置および剛性体データと共に、光学式サブシステム局部基準フレームと磁気式サブシステム局部基準フレーム、すなわちそれぞれ（ＸO、ＹO、ＺO）と（ＸM、ＹM、ＺM）、の間の必要な変換を計算するために使用することができる。次に、ハイブリッドシステムの全体的な基準フレームは、ステップ１０４で決定することができる。これらの変換を決定するために使用される計算は、当該技術分野ではよく知られている。これらの変換は、システムの設計に依存して、システム制御ユニット３２および４０かホストコンピュータ２６かいずれかに格納し、磁界発生器２８またはセンサ２０の位置を変えた時はいつでも、必要に応じて更新することができる。
【００４２】
図２で説明した光学式／磁気式ハイブリッドシステムに対応する測定プロセスの例を図６、７、および８の流れ図に示す。この例では、いくつかの異なる物体をハイブリッドシステムで追跡する。これらの物体のいくつかは、光マーカと磁気センサの両方（ハイブリッドツール４１のような）を含み、一方で、他の物体は、（光プローブ１８のような）光マーカか（磁気センサ３０のような）磁気センサだけを含む。図６のステップ２０１に説明するように、磁界発生器２８は、基準マーカＬＥＤ２４が光センサに見えるように、光センサ２０の動作体積内に都合よく位置付けられている。
【００４３】
追跡される各物体の測定プロセスは、図６のステップ２０２、２０３で始まる。ここで光センサ２０が、磁界発生器２８の位置を決定し、したがって、光学式サブシステム局部基準フレーム（ＸO、ＹO、ＺO）を基準にして、磁気式サブシステム局部基準フレームの位置（ＸM、ＹM、ＺM）を決定する。磁界発生器２８が光センサに対して移動した場合は、サブシステムの局部基準フレームと全体的な基準フレームの間の変換は、新しい位置および方向（図６、ステップ２０４および２０５）を反映するように全て更新される。そうでない場合は、物体の位置および姿勢の決定が始まる（ステップ２０６）。
【００４４】
システムは、最初に、光データか磁気データ、または両方が利用できるかどうかを決定する。追跡されている物体が（光プローブ１８か磁気センサ３０のような）一種類のトランスジューサだけを有するために、または（ハイブリッドツール４１の光マーカ４３が見えないか、または磁気センサ３０ｂが範囲外にあるような）一種類のデータが無効であるために、または（光データおよび磁気データの収集周波数が異なるかもしれない）一種類のデータが利用できないだけのために、一つの種類のデータだけが存在する場合は、測定プロセスは適当なサブシステムに分岐する（図７、ステップ２０７）。光データに関して、光学式サブシステムは、局部基準フレーム中の光センサから物体の位置および姿勢を決定し、それから、そのデータを全体的な基準フレームに変換する（図７、ステップ２０８および２０９）。一方で、磁気データに関して、磁気サブシステムはサブシステムの局部基準フレーム中の磁気センサから物体の位置および姿勢を決定し、それから、そのデータを全体的な基準フレームに変換する（図７、ステップ２１０および２１１）。
【００４５】
両方の種類のデータが利用できる場合は、物体の位置および姿勢は各サブシステムの局部基準フレーム中で各サブシステムにより決定され、通常の方法で全体的な基準フレームに変換される。ただし、サブシステムが互いの間でもデータを交換して、その決定アルゴリズムを初期設定して位置および方向の計算を支援し、またはさらに計算された位置および方向をさらに正確にすることもできるということは除く（図８、ステップ２１２から２１６）。また、各測定の不確実性は、工場での較正中に決定されたサブシステムの誤差マップからから推定される。それから、冗長測定値が推定された不確実性に従って組み合わされて、ユーザに報告される最終的な位置および姿勢が与えられる（図８、ステップ２１７）。冗長測定値を組み合わせる様々な方法が可能であり、その方法には、より正確なもののただ単なる選択、または不確実性の逆数に従った重み付け平均が含まれる。それぞれの不確実性によるサブシステムの測定値間の閾値差によって異常な測定を認め区別するために、より高度なアルゴリズムを使用することもできる。その結果、例えば、センサの近くに金属物体が存在することで乱された磁気測定値は、光学的な測定値との大きな差で識別されて、無視される。
【００４６】
上に説明した２つの実施形態の前記の説明を考慮すると、光学式／非光学式ハイブリッドシステム１０、１０’は、剛性および非剛性の３次元（３Ｄ）物体の空間の位置および方向を追跡するために提供されることが認められるであろう。システム１０、１０’の光学式サブシステム１４、１４’は、適当な形の光センサ（一般には、３個またはそれより多い１次元電荷結合装置（ＣＣＤ）、または２個またはそれより多い２次元ＣＣＤ）、複数の光学式サブシステム光源（一般には、アクティブ発光ダイオード（ＬＥＤ）のマーカ、または受動的な反射マーカ）およびサブシステムの様々な動作態様を管理するための電子システム制御ユニットを有する。ハイブリッドシステムは、適当な非光学式サブシステム、または見通し線の制限を受けないという意味で光学式サブシステムに対して相補的なサブシステムを含む。非光学式サブシステムは、磁気式追跡装置、多関節機械式アーム、および光ファイバ装置を含むが、これらに限定されない。非光学式サブシステムは、光学式サブシステムと非光学式サブシステムの座標基準フレームの間の座標変換を可能にする剛性体を形成するために、装置の適当な部分の知られている位置に適当に貼られた少なくとも３個の非光学式サブシステム光源を複数含むことができる。ハイブリッドシステムは、プロセッサインタフェースおよびデータ管理プログラムを含む。データ管理プログラムは、光学式および非光学式サブシステムの動作を同期させ、サブシステム測定座標のハイブリッドシステム基準フレームへの必要な変換を行い、さらに２以上のサブシステムからの冗長測定値がある場合には、最適な測定値を適当に選択し決定する。
【００４７】
さらに、留意すべきことであるが、サブシステム固有の最適位置をより適切に利用し、さらにサブシステムに固有な外乱の有害な影響を少なくするようにサブシステムの位置を相対的に変えることができるような光学式および非光学式サブシステムの間の結合が一般的である。さらに、非光学式サブシステムに貼られた基準光マーカは、製造時に正確に決定され、較正およびサブシステム座標位置合わせを使用時に行う必要がないようにする。前記の較正に使用される方法は、光学式および非光学式サブシステムの詳細に依存している。これらには、サブシステムを用いてそのサブシステムの基準フレーム内で個々に得られた多くの組の３Ｄ位置測定値を較正標準に対して数値適合させることおよび光学式／非光学式ハイブリッド較正ツールを使用することが含まれる。
【００４８】
さらに、適当な較正手順を使用して物体の位置および方向（サブシステム局部基準フレーム内で）を決定する個々のサブシステム制御ユニットは、互いに直接接続され、前記の位置および方向の値をリアルタイムで交換して、ハイブリッドシステム共通の全体的な基準フレームへの変換を行うことができる。サブシステム間のそのような直接接続の代わりに、プロセッサで前記の変換が計算され使用される。光学式および非光学式サブシステムは、サブシステムからの冗長測定値がある場合に最適測定値を適当に選択しまたは決定する基盤を与えるために、製造時に空間的な位置の関数としてマップされた３Ｄ位置および方向の精度を有する。
【００４９】
磁気式の非光学式サブシステムに関して、留意すべきことであるが、磁気式サブシステムは１つ以上の磁界発生器およびいくつかの磁気センサを含み、その磁気センサの１つ以上は、磁気サブシステムの基準フレーム内の光学式サブシステムの基準フレームを決定することができるように、光学式サブシステムに貼られている。それによって、前記の２つの基準フレームの間に見通し線がない時でも、前記の２つの基準フレームの位置合わせをすることができるようになる。
【００５０】
磁気式の非光学式サブシステムに関して、また留意すべきことであるが、磁気サブシステムはいくつかの分離した個別の電磁誘導磁界発生器コイルを含むことができ、各々のコイルは、コイルを剛性体として前記の光学式サブシステムの基準フレーム内に定義するようにコイルに貼られた少なくとも３個の光マーカを有することができる。その結果、個々のコイルは、前記の光学式サブシステムの動作体積内のどこにでも置くことができ、光センサで追跡することができる。それによって、単一磁界発生器ユニット内に設けられた発生器コイルの固定アレイで可能になるよりももっと大きくもっと不規則な部分体積の形状および形態にわたって、磁気センサを追跡することができるように磁気サブシステムを最適に適応させることができるようになる。
【００５１】
さらに磁気式の非光学式サブシステムに関して、また当業者は理解すべきことであるが、磁気サブシステムは、受動的な磁気センサを有するアクティブ磁界発生器に限定される必要はなく、その相補形、すなわち、磁界を発生するアクティブ磁気「センサ」で構成された磁気式サブシステムもまた適している。ここで磁界は基準フレーム内の受動的な「磁界発生器」で検出される。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明した。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに様々な修正ができる。したがって、特許請求の範囲内には、他の実施形態がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元（３Ｄ）ボディまたは物体の空間的な位置および角度方向（すなわち、姿勢）を決定するように構成されている光学式／非光学式、ここでは磁気式、ハイブリッドシステムの模式図である。
【図２】本発明による３次元（３Ｄ）ボディまたは物体の空間的な位置および角度方向（すなわち、姿勢）を決定するように構成されている光学式／非光学式、ここでは磁気式、ハイブリッドシステムの他の実施形態の模式図である。
【図３】本発明による３次元（３Ｄ）ボディまたは物体の空間的な位置および角度方向（すなわち、姿勢）を決定するように構成されている光学式／非光学式、ここでは磁気式、ハイブリッドシステムのさらに他の実施形態の模式図である。
【図４】本発明の他の実施形態による３次元（３Ｄ）ボディまたは物体の空間的な位置および角度方向（すなわち、姿勢）を決定するように構成されている光学式／非光学式ハイブリッドシステムの模式図である。
【図５】図２の光学式／非光学式ハイブリッドシステムの較正を記述するプロセス流れ図である。
【図６】図２の光学式／磁気式ハイブリッドシステムの基本的な動作を記述するプロセス流れ図を示す。
【図７】図２の光学式／磁気式ハイブリッドシステムの基本的な動作を記述するプロセス流れ図を示す。
【図８】図２の光学式／磁気式ハイブリッドシステムの基本的な動作を記述するプロセス流れ図を示す。
【符号の説明】
１０、１０’  ハイブリッドシステム
１２、１２’  非光学式サブシステム
１４、１４’  光学式サブシステム
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ  光学式サブシステム光源
１８、２２、２２’  物体
２０、２０’、光位置センサ
２４、２４’  結合マーカ（非光学式サブシステム光源）
２６、２６’  プロセッサ
２８、２８’  磁界発生器
３２、３２’  磁気式制御ユニット
４０、４０’  光学式制御ユニット
ＸO、ＹO、ＺO  光学式サブシステム座標系
ＸM、ＹM、ＺMおよびＸA、ＹA、ＺA  非光学式サブシステム座標系
【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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