(57)【要約】  一台の結像ユニットのみでもそれぞれのマーカーの３次元座標を算出できるようにして、製作費用の低減と共に装備のコンパクト化を実現することにより、手術空間の制約を最小化できるトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法を開示する。前記トラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、それぞれのマーカーから放出される光が少なくとも一対のレンズを備えたレンズアレイユニットを通過して結像ユニットに各マーカー毎に前記レンズアレイユニットに備えられたレンズの数に相応する数のマーカー画像が結像されることにより、一台の結像ユニットのみでも三角法を通じて前記マーカーの３次元座標を算出して目的物の空間位置及び方向を算出して確認できるため、トラッキングシステムの製作費用の節減とともに装備の小型・軽量化を達成することができ、従来のトラッキングシステムに比較して手術空間の制約を相対的に少なく受けるという効果がある。
2016515837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的物に取り付けられて光を放出する少なくとも３つのマーカーと、
前記マーカーから放出される光を通過させる少なくとも２つのレンズが所定間隔で配列されたレンズアレイユニットと、
前記マーカーから放出されて前記レンズアレイユニットの各レンズを通過した光を受光してマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数の像を結像させる結像ユニットと、前記結像ユニットにマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数だけ結像されたマーカー画像を用いて前記それぞれのマーカーの３次元座標を算出した後、前記マーカーの３次元座標と既に格納済の互いに隣り合うマーカー間の幾何学的情報とを比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出するプロセッサと、
を含むトラッキングシステム。
【請求項２】
前記マーカーは自ら光を放出するアクティブマーカーであることを特徴とする請求項１に記載のトラッキングシステム。
【請求項３】
前記レンズアレイユニット側から前記マーカーに光を放出する少なくとも１つの光源をさらに含み、前記マーカーは前記光源から放出された光を前記レンズアレイユニット側に反射させるパッシブマーカーであることを特徴とする請求項１に記載のトラッキングシステム。
【請求項４】
前記結像ユニットは、前記マーカーから放出されて前記レンズアレイユニットの各レンズを通過した光を受光してマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する少なくとも２つの像を結像させるカメラであることを特徴とする請求項１に記載のトラッキングシステム。
【請求項５】
前記マーカー間の幾何学的情報は、前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線の長さ情報と、前記互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報であることを特徴とする請求項１に記載のトラッキングシステム。
【請求項６】
目的物に取り付けられた少なくとも３つのマーカーから光を放出する段階と、
前記マーカーから放出された光がレンズアレイユニットの少なくとも２つのレンズを通過して結像ユニットに前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数の像を結像させる段階と、
前記結像ユニットにマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数だけ結像されたマーカー画像を用いてプロセッサを通じて前記それぞれのマーカーの３次元座標を算出する段階と、
前記それぞれのマーカーの３次元座標と前記プロセッサに既に格納済の互いに隣り合うマーカー間の幾何学的情報とを比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出する段階と
を含むトラッキング方法。
【請求項７】
前記マーカー間の幾何学的情報は、前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線の長さ情報と、前記互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報であることを特徴とする請求項６に記載のトラッキング方法。
【請求項８】
前記マーカーの３次元座標を算出する段階は、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されたマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数のマーカー画像の２次元座標を算出する段階と、
前記マーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数のマーカー画像の２次元座標を用いて前記プロセッサを通じて前記マーカーの３次元座標を算出する段階と
を含むことを特徴とする請求項６に記載のトラッキング方法。
【請求項９】
前記光を放出する段階は、前記マーカーが自ら発生させる光を前記レンズアレイユニット側に放出することを特徴とする請求項６に記載のトラッキング方法。
【請求項１０】
前記光を放出する段階は、少なくとも１つの光源から放出される光を前記マーカーを通じてレンズアレイユニット側に反射させて放出することを特徴とする請求項６に記載のトラッキング方法。
【請求項１１】
前記光源の空間位置及び方向は、前記プロセッサに予め格納されていることを特徴とする請求項１０に記載のトラッキング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法に関し、より具体的には、患部や手術器具のような目的物に取り付けられたマーカーの座標を追跡して目的物の空間位置情報及び方向情報を検出する手術用トラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では腹腔鏡手術や耳鼻咽喉科の手術を行うとき、患者の苦痛をさらに減らして素早く患者が回復できるようにするためのロボット手術が研究及び導入されている。
【０００３】
かかるロボット手術の際には手術の危険を最小化してさらに精密な手術が行われるようにするために、患部や手術器具のような目的物の空間位置及び方向を正確に追跡して検出した後、前記手術器具を患者の患部へ正確に操縦（NAVIGATE）できるナビゲーションが用いられる。
【０００４】
上記のような手術用ナビゲーションには、上述したように患部や手術器具のような目的物の空間位置及び方向を正確に追跡して検出することができるトラッキングシステムが含まれる。
【０００５】
上記のようなトラッキングシステムは、通常、患部や手術器具のような目的物に取り付けられるマーカーと、前記マーカーによって放出される光を結像させる第１及び第２結像ユニットと、前記第１及び第２結像ユニットと連結されて前記マーカーの３次元座標を算出した後、既に格納済の前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線等の情報と、互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報を前記マーカーの３次元座標と比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出するプロセッサを含む。
【０００６】
ここで、前記マーカーの３次元座標をプロセッサを通じて算出するためには、通常、１つのマーカーから放出されて第１結像ユニットに結像された前記マーカーの座標と、前記第２結像ユニットに結像された前記マーカーの座標が同一であるという仮定下で、三角法を通じて前記プロセッサによって検出されることによりそれぞれのマーカーの３次元座標がプロセッサを通じて算出されるためには必ず２台のディテクターが必要であった。
【０００７】
よって、従来の一般的なトラッキングシステムは、相異する位置でそれぞれのマーカーから放出される光を結像させるための２台の結像ユニットを備えなければならないため、製作費用の上昇とともにシステム全体のサイズが大きくなってしまい、手術空間の制約を大きく受けるという問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、一台の結像ユニットのみでもそれぞれのマーカーの３次元座標を算出できるようにして製作費用の低減とともに装備のコンパクト化を実現し、手術空間の制約を最小化することができるトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施例によるトラッキングシステムは、目的物に取り付けられて光を放出する少なくとも３つのマーカーと、前記マーカーから放出される光を通過させる少なくとも２つのレンズが所定間隔で配列されたレンズアレイユニットと、前記マーカーから放出されて前記レンズアレイユニットの各レンズを通過した光を受光してマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数の像を結像させる結像ユニットと、前記結像ユニットにマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数だけ結像されたマーカー画像を用いて前記それぞれのマーカーの３次元座標を算出した後、前記マーカーの３次元座標と既に格納済の互いに隣り合うマーカー間の幾何学的情報とを比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出するプロセッサを含む。
【００１０】
一実施例によれば、前記マーカーは自ら光を放出するアクティブマーカーであり得る。
【００１１】
一方、前記レンズアレイユニット側から前記マーカーに光を放出する少なくとも１つの光源をさらに含むことができ、この場合、前記マーカーは前記光源から放出された光を前記レンズアレイユニット側に反射させるパッシブマーカーであり得る。
【００１２】
一実施例によれば、前記結像ユニットは、前記マーカーから放出されて前記レンズアレイユニットの各レンズを通過した光を受光してマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する少なくとも２つの像を結像させるカメラであり得る。
【００１３】
一実施例によれば、前記マーカー間の幾何学的情報は、前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線の長さ情報と、前記互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報であり得る。
【００１４】
本発明の一実施例によるトラッキング方法は、目的物に取り付けられた少なくとも３つのマーカーから光を放出する段階と、前記マーカーから放出された光がレンズアレイユニットの少なくとも２つのレンズを通過して結像ユニットに前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数の像を結像させる段階と、前記結像ユニットにマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数だけ結像されたマーカー画像を用いてプロセッサを通じて前記それぞれのマーカーの３次元座標を算出する段階と、前記それぞれのマーカーの３次元座標と前記プロセッサに既に格納済の互いに隣り合うマーカー間の幾何学的情報とを比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出する段階とを含むことができる。
【００１５】
一実施例によれば、前記マーカー間の幾何学的情報は、前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線の長さ情報と、前記互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報であり得る。
【００１６】
一方、前記マーカーの３次元座標を算出する段階は、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されたマーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数のマーカー画像の２次元座標を算出する段階と、前記マーカー毎に前記レンズアレイユニットのレンズ数に相応する数のマーカー画像の２次元座標を用いて前記プロセッサを通じて前記マーカーの３次元座標を算出する段階とを含むことができる。
【００１７】
一実施例によれば、前記光を放出する段階は、前記マーカーが自ら発生させる光を前記レンズアレイユニット側に放出することができる。
【００１８】
これとは異なって、前記光を放出する段階は、少なくとも１つの光源から放出される光を前記マーカーを通じてレンズアレイユニット側に反射させて放出することもできる。
【００１９】
一方、前記光源の空間位置及び方向は、前記プロセッサに予め格納されている。
【発明の効果】
【００２０】
このように本発明の一実施例によるトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、それぞれのマーカーから放出される光が少なくとも一対のレンズを備えたレンズアレイユニットを通過して結像ユニットに各マーカー毎に前記レンズアレイユニットに備えられたレンズの数に相応する数のマーカー画像が結像されることにより、一台の結像ユニットのみでも三角法を通じて前記マーカーの３次元座標を算出して目的物の空間位置及び方向を算出して確認することができる。
【００２１】
また、レンズの配列方法及び倍率に影響を受けないため、トラッキングシステムの製作費用の節減とともに小型・軽量化を達成することができ、従来のトラッキングシステムに比べて手術空間の制約を相対的に少なく受けるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例によるトラッキングシステムの概略図である。
【図２】マーカーが目的物に取り付けられた例示図である。
【図３】レンズの同一光路上においてマーカーの位置が変わる時にマーカーの画像が結像される位置の変化を説明するための例示図である。
【図４】本発明の一実施例によるトラッキング方法を説明するためのブロック図である。
【図５】マーカーの３次元座標を算出する過程を説明するためのブロック図である。
【図６】結像ユニットのイメージセンサを第１及び第２マーカー画像の座標系に仮想分割した例示図である。
【図７】画像における２次元座標と実際のマーカーの３次元座標との関係を説明するための図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、多様な変更を加えることができ、また、様々な形態を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態について限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。
【００２４】
第１、第２等の用語は多様な構成要素を説明するのに用いられるが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱せずに第１の構成要素は第２の構成要素と呼ばれることができて、同様に第２の構成要素は第１の構成要素と呼ばれることができる。
【００２５】
本出願で使用する用語は単に特定の実施例を説明するために使用しており、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」等の用語は明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
【００２６】
異なって定義しない限り、技術的であったり科学的である用語を含めてここで使用される全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般に理解されるものと同一の意味を有する。
【００２７】
一般に使用される辞典に定義されている用語は関連技術の文脈上の意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的であったり過度に形式的な意味と解釈されない。
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の望ましい実施例をより詳細に説明する。
【００２９】
本発明の一実施例によるトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、患部や手術器具のような目的物に少なくとも３つのマーカーを取り付けた後、前記マーカーの３次元座標を算出してプロセッサに既に格納済の互いに隣り合うマーカー間の幾何学的情報と、前記マーカーの３次元座標とをプロセッサを通じて比較して前記患部や手術器具のような目的物の空間位置及び方向を算出できるようにするものであって、その詳細な構成については図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施例によるトラッキングシステムの概略図、図２はマーカーが目的物に取り付けられた例示図、図３はレンズの同一光路上においてマーカーの位置が変わる時にマーカーの画像が結像される位置の変化を説明するための例示図である。
【００３１】
図１〜図３を参照すると、本発明の一実施例によるトラッキングシステム１００は少なくとも３つのマーカー１１０、１１１、１１２、レンズアレイユニット（lens array unit）１２０、結像ユニット１３０及びプロセッサ（processor）１４０を含むことができ、ここで、レンズアレイユニット１２０は結像ユニット１３０に装着されて含まれることもできる。
【００３２】
前記少なくとも３つのマーカー１１０、１１１、１１２は患部や手術器具のような目的物２００に取り付けられる。ここで、前記少なくとも３つのマーカー１１０、１１１、１１２は、互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２間に一定の間隔で離隔され、互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を仮想に連結して各マーカー毎に隣り合う一対の直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が一定の角度Ａ１、Ａ２、Ａ３をなすように配置されて前記患部や手術器具のような目的物２００に取り付けられる。
【００３３】
ここで、前記互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２間の幾何学的情報、すなわち、互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を連結する直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ情報と、互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を連結する隣り合う一対の直線がなす角度Ａ１、Ａ２、Ａ３情報は、前記プロセッサ１４０に実装されたメモリ（memory）１４１に予め格納されている。
【００３４】
例えば、前記マーカー１１０、１１１、１１２は、３つが患部や手術器具のような目的物２００に三角形状に取り付けられ得、前記３つのマーカー１１０、１１１、１１２を頂点とする三角形の辺をなすそれぞれの直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ情報と、前記マーカー１１０、１１１、１１２を連結する互いに隣り合う一対の直線がなす角度Ａ１、Ａ２、Ａ３情報は、前記プロセッサ１４０に含まれたメモリ１４１に予め格納され得る。
【００３５】
一方、前記マーカー１１０、１１１、１１２は、自ら光を放出するアクティブ（active）マーカーであり得る。上述したように前記マーカー１１０、１１１、１１２をアクティブマーカーとして使用する場合には、別途の光源を使用する必要がない。
【００３６】
これとは異なって、前記マーカー１１０、１１１、１１２は少なくとも１つの光源１５０から放出される光を反射させるパッシブ（passive）マーカーであり得る。
【００３７】
上述したように前記マーカー１１０、１１１、１１２をパッシブマーカーとして使用する場合には、前記マーカー１１０、１１１、１１２に光を放出する少なくとも１つの光源１５０を前記レンズアレイユニット１２０の周辺に配置することができる。例えば、一対の光源１５０が前記レンズアレイユニット１２０の両側に配置され得る。ここで、前記光源１５０の空間位置及び方向はプロセッサ１４０に実装されたメモリ１４１に予め格納されている。
【００３８】
前記レンズアレイユニット１２０は、結像ユニット１３０の前方部に配置される。このような前記レンズアレイユニット１２０は、前記マーカー１１０、１１１、１１２から放出される光を通過させる少なくとも一対のレンズ１２１、１２２が所定間隔で配列されて形成される。例えば、前記レンズアレイユニット１２０は、第１レンズ１２１と第２レンズ１２２が所定間隔で配列されて形成され得る。図面には前記第１及び第２レンズ１２１、１２２が所定間隔で配列されたレンズアレイユニット１２０が示されているが、前記レンズアレイユニット１２０は３つ以上のレンズが所定間隔で配列されて形成されることもできる。
【００３９】
前記結像ユニット１３０は、前記マーカー１１０、１１１、１１２から放出されて前記レンズアレイユニット１２０のそれぞれのレンズ１２１、１２２を通過した光を受光してマーカー毎に前記レンズアレイユニット１２０のレンズの数に相応する数の像を結像させる。
【００４０】
より詳細に説明すると、前記レンズアレイユニット１２０に第１及び第２レンズ１２１、１２２が所定間隔で配置される場合には、前記結像ユニット（１３０）は、前記マーカー１１０、１１１、１１２から放出されて前記第１及び第２レンズ１２１、１２２を通過した光を受光してマーカー毎に一対のマーカー画像を結像させる。
【００４１】
例えば、前記結像ユニット１３０は、前記マーカー１１０、１１１、１１２から放出されて前記レンズアレイユニット１２０のそれぞれのレンズ１２１、１２２を通過した光を受光してマーカー毎に前記レンズアレイユニット１２０のレンズ１２１、１２２数に相応する数の像を結像させるイメージセンサ１３１が実装されたカメラであり得る。
【００４２】
前記プロセッサ１４０は、マーカー毎に前記レンズアレイユニット１２０のレンズ１２１、１２２数に相応する数だけ結像されたマーカー画像を用いて前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を算出し、前記マーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を既に格納済の互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２間の幾何学的情報と比較することにより、マーカー１１０、１２０、１３０が取り付けられた患部や手術器具のような前記目的物２００の空間位置及び方向を算出する。
【００４３】
ここで、前記プロセッサ１４０にはメモリ１４１が実装される。一方、前記プロセッサ１４０に実装されたメモリ１４１には、前記互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２間の幾何学的情報、すなわち、互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を連結する直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ情報と、互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を連結する隣り合う一対の直線がなす角度Ａ１、Ａ２、Ａ３情報が予め格納され得る。
【００４４】
これに加えて、前記マーカー１１０、１１１、１１２がパッシブマーカーである場合には、前記プロセッサ１４０に実装されたメモリ１４１には前記少なくとも一対の光源１５０の空間位置及び方向が予め格納され得る。
【００４５】
上述したように本発明の一実施例によるトラッキングシステム１００は、少なくとも一対のレンズ１２１、１２２が所定間隔で配列されたレンズアレイユニット１２０を使用して前記マーカー１１０、１１１、１１２から放出される光が少なくとも一対のレンズ１２１、１２２を通過してマーカー毎に少なくとも一対のマーカー画像が前記結像ユニットに結像されるようにすることにより、一台の結像ユニット１３０のみを用いてもそれぞれのマーカーの３次元座標を算出することができる利点がある。
【００４６】
例えば、図３に示すように、レンズ１３１の同一光軸ＡＸ上でマーカー１１０、１１１、１１２の位置が変わる時には、第２レンズ１２２画像が結像されるイメージセンサ１３３の位置は変更されないが、第１レンズ１２１画像が結像されるイメージセンサ１３３の位置が変更されることにより、一台の結像ユニットのみを使用してもそれぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を三角法を用いて算出することができる。
【００４７】
図１〜図７を参照して、本発明の一実施例によるトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向をトラッキングする過程について説明する。
【００４８】
図４は本発明の一実施例によるトラッキング方法を説明するためのブロック図、図５はマーカーの３次元座標を算出する過程を説明するためのブロック図、図６は結像ユニットのイメージセンサを第１及び第２マーカー画像の座標系に仮想分割した例示図、図７は画像における２次元座標と実際のマーカーの３次元座標との関係を説明するための図である。
【００４９】
図１〜図７を参照すると、本発明の一実施例によるトラッキングシステムを用いて目的物２００の空間位置及び方向をトラッキングするためには、まず目的物２００に取り付けられた少なくとも３つのマーカー１１０、１１１、１１２を活性化させて前記マーカー１１０、１１１、１１２から光が放出されるようにするか、または、少なくとも１つの光源１５０を作動させて前記光源１５０から前記目的物２００に取り付けられた少なくとも３つのマーカー１１０、１１１、１１２に光を照射して前記マーカー１１０、１１１、１１２によって光が反射されて放出されるようにする（Ｓ１１０）。
【００５０】
より詳細に説明すると、前記目的物２００に自ら光を放出する少なくとも３つのアクティブマーカー１１０、１１１、１１２が取り付けられた場合には、前記マーカー１１０、１１１、１１２を活性化させて前記マーカー１１０、１１１、１１２から光が放出されるようにする。これとは異なって前記目的物２００）に自ら光を放出できない少なくとも３つのパッシブマーカー１１０、１１１、１１２が取り付けられた場合には、少なくとも１つの光源１５０を作動させて前記光源１５０から前記目的物２００に取り付けられた少なくとも３つのパッシブマーカー１１０、１１１、１１２に光を照射して前記パッシブマーカー１１０、１１１、１１２により光が反射されて放出されるようにする。
【００５１】
前記少なくとも３つのマーカー１１０、１１１、１１２によって放出された光はレンズアレイユニット１２０のそれぞれのレンズ１２１、１２２を通過して前記レンズアレイユニット１２０のレンズの数に相応する数の像を結像ユニット１３０に結像させる（Ｓ１２０）。
【００５２】
例えば、図１に示すように一対の第１及び第２レンズ１２１、１２２が所定間隔で配置されたレンズアレイユニット１２０を使用する場合には、第１マーカー１１０から放出された光は第１光軸ＡＸ１と第２光軸ＡＸ２を通じてそれぞれ第１レンズ１２１と第２レンズ１２２を通過して結像ユニット１３０に一対の第１マーカー画像が結像され、第２マーカー１１１から放出された光は第３光軸ＡＸ３と第４光軸ＡＸ４を通じてそれぞれ第１レンズ１２１と第２レンズ１２２を通過して結像ユニット１３０に一対の第２マーカー画像が結像され、第３マーカー１１２から放出された光は第５光軸ＡＸ５と第６光軸ＡＸ６を通じてそれぞれ第１レンズ１２１と第２レンズ１２２を通過して結像ユニット１３０に一対の第３マーカー画像が結像される。
【００５３】
すなわち、一対の第１及び第２レンズ１２１、１２２が所定間隔で配列されたレンズアレイユニット１２０を使用することにより、前記結像ユニット１３０にそれぞれのマーカー１１０、１１１、１１２毎に一対のマーカー画像が結像される。
【００５４】
前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２毎に前記レンズアレイユニット１２０のレンズ１２１、１２２数に相応する数のマーカー画像が結像ユニット１３０に結像されれば、前記結像ユニット１３０にマーカー毎に前記レンズアレイユニット１２０のレンズ１２１、１２２数に相応する数だけ結像されたマーカー画像を用いてプロセッサ１４０を通じて前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を算出する（Ｓ１３０）。
【００５５】
前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を算出する段階について図５に示したブロック図に基づいて詳細に説明すると下記の通りである。説明の便宜上、第１及び第２レンズ１２１、１２２が所定間隔で配列されたレンズアレイユニット１２０を使用する場合を例にあげて説明する。
【００５６】
前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を算出するためには、まず前記プロセッサ１４０を通じて前記結像ユニット１３０に結像されたそれぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の一対のマーカー画像に対する２次元座標を算出する（Ｓ１３１）。
【００５７】
ここで、前記マーカー１１０、１１１、１１２の２次元座標を算出した後には、各座標系別に（第１レンズ画像ＦＯＶ（FIELD OF VIEW）と第２レンズ画像ＦＯＶ別に）結像ユニット１３０のカメラキャリブレーション（calibration）を行う（Ｓ１３２）。
【００５８】
上記のように各座標系別に前記結像ユニット１３０のカメラキャリブレーションを行った後には、前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２毎に一対ずつ結像されたマーカー画像の２次元座標を用いて前記プロセッサ１４０を通じて前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を算出する（Ｓ１３３）。
【００５９】
前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標を算出する段階について、図６及び図７を参照してさらに詳しく説明すると下記の通りである。
【００６０】
図６に示すように、イメージセンサ１３３の一側を第１レンズ画像のＦＯＶ（FIELD OF VIEW）、他側を第２レンズ画像のＦＯＶと仮想で分割し、前記イメージセンサ１３３の第１レンズ画像の２次元座標を（Ｕ、Ｖ）座標系で表示し、前記第２レンズ画像の２次元座標を（Ｕ'、Ｖ'）と表示して図７を参照すると、画像におけるマーカー１１０、１１１、１１２の２次元座標と実空間におけるマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標は、数式１のような関係式で表現され得る。
【００６１】
【数１】
2016515837.tif 000003
ここで、ｍは画像におけるマーカーの２次元座標、Ｍは実空間におけるマーカーの３次元座標、Ａ（Ｒ、ｔ）はカメラマトリックスである。
【００６２】
これをより簡略に説明するために、実際のマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標をＸとすれば、前記実際のマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標Ｘと第１レンズを通過した画像でマーカーの２次元座標ＸＬの関係式と、前記実際のマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標Ｘと第２レンズを通過した画像でマーカーの２次元座標ＸＲの関係式は数式２のように示すことができる。
【００６３】
【数２】
2016515837.tif 000004
ここで、前記Ｐ１は第１レンズを通過した画像のカメラマトリックスであり、Ｐ２は第２レンズを通過した画像のカメラマトリックスである。
【００６４】
そして、それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の第１レンズを通過した画像と第２レンズを通過した画像に対してＸＬ＝Ｐ１Ｘ、ＸＲ＝Ｐ２Ｘの関係式はＡＸ＝０の線型方程式で表現が可能であり、これをまとめると、数式３のように示すことができる。
【００６５】
【数３】
2016515837.tif 000005
ここで、ＰｉＴは行列Ｐの行ベクトルである。
【００６６】
上記の数式を再度まとめると、数式４のように示すことができる。
【００６７】
【数４】
2016515837.tif 000006
ここで、Ｗはスケール因子である。
【００６８】
数式４のように表現された線型方程式を解いてＸ、Ｙ、Ｚを求めると、その解がマーカー１１０、１１１、１１２の３次元座標となる。
【００６９】
図４〜図５を通じて詳述した通りプロセッサ１４０によってそれぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の実空間における３次元座標を算出した後には、前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の実空間における３次元座標と、前記プロセッサ１４０に既に格納済の互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２間の幾何学的情報とをプロセッサ１４０を通じて比較し、前記マーカー１１０、１１１、１１２が取り付けられた目的物２００の空間位置及び方向を算出する（Ｓ１４０）。
【００７０】
ここで、前記互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２間の幾何学的情報は、上述したように互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を連結する直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ情報と、前記マーカー１１０、１１１、１１２を連結する互いに隣り合う一対の直線がなす角度Ａ１、Ａ２、Ａ３情報であり得る。
【００７１】
すなわち、前記プロセッサ１４０を通じて前記それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２の実空間における３次元座標と前記プロセッサ１４０に既に格納済の互いに隣り合うマーカー１１０、１１１、１１２を連結する直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ情報と、それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２を互いに連結する互いに隣り合う一対の直線がなす角度Ａ１、Ａ２、Ａ３情報を比較して前記マーカー１１０、１１１、１１２が取り付けられた目的物２００の空間位置及び方向を算出する。
【００７２】
上述したように本発明の一実施例によるトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、それぞれのマーカー１１０、１１１、１１２から放出される光が少なくとも一対のレンズ１２１、１２２を備えたレンズアレイユニット１２０を通過して結像ユニット１３０に各マーカー１１０、１１１、１１２毎に前記レンズアレイユニット１２０に備えられたレンズ１２１、１２２数に相応する数のマーカー画像が結像される。
【００７３】
すなわち、一対の第１及び第２レンズ１２１、１２２を備えたレンズアレイユニット１２０を使用する場合には、１つのマーカー毎に２つの光軸を通じて結像ユニット１３０に２つの像が結像されることにより、一台の結像ユニット１３０のみでも三角法を通じて前記マーカーの３次元座標を算出することができる。
【００７４】
したがって、本発明の一実施例によるトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、一台の結像ユニット１３０のみでも目的物２００に取り付けられたマーカー１１０、１１１、１１２の空間位置及び方向を算出して確認することができる。
【００７５】
また、トラッキングシステムの製作費用の節減とともに小型・軽量化を達成することができるので、従来のトラッキングシステムに比べて手術空間の制約を相対的に少なく受けるという利点がある。
【００７６】
上述した本発明の詳細な説明では本発明の望ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者または該当技術分野に通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解できるであろう。
【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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【国際調査報告】
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