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Die Position von Objekten, wie z. B. Maschinenteilen und anderen beweglichen Teilen, etwa von Koordinatenmessgeräten, Werkzeugmaschinen, Operationsmikroskopen oder Robotern, kann mit Hilfe von optischen Targets ermittelt werden. Bei wiederholter Ermittlung der Position während einer Bewegung des Objekts ist eine Bewegungsverfolgung (Tracking) möglich. Auf dieser Basis ist auch das Navigieren der Bewegung möglich.
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Insbesondere bei der Verwendung von Operationsmikroskopen in Verbindung mit einem Navigationssystem ist es möglich mittels eines vom Navigationssystem lokalisierbaren Pointers (z. B. Stab mit einer optischen Antenne oder Target) verschiedene Funktionen vom Operationsmikroskop oder vom Navigationssystem ausführen zu lassen. Ein robotisches Operationsmikroskop lässt sich so beispielsweise ausrichten oder positionieren. Das Navigationssystem kann Punkte im Sehfeld digital markieren, MRT-Daten einspiegeln/augmentieren oder ähnliches.
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In den meisten Anwendungen wird die Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum mit einem optischen Kamerasystem unter Verwendung der auf dem Objekt angeordneten Referenzpunkte auf der Basis von zwei oder mehr Kameras bestimmt, z. B. durch Triangulation. Dies setzt jedoch voraus, dass Markierungen (Referenzpunkte) oder Marker am Objekt angebracht sind und von mindestens zwei in einem Abstand voneinander angeordneten Kameras erfassbar sind. Die Ausrichtung der Kameras des Systems muss im Voraus festgelegt und in einem System bekannt sein. Die Position der Kameras muss während der Messung unveränderlich sein, z. B. aufgrund einer entsprechend stabilen Tragstruktur. Die verwendeten Marker müssen ebenfalls eine starre Positionsbeziehung zueinander haben. Sie werden an einem Targetkörper angeordnet. Solche Lösungen können z.B. aus
US 5 828 770 A ,
US 5 817 105 A ,
US 6 720 949 A ,
US 5 817 105 A oder
US 5 295 483 A bekannt.
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Eine wünschenswerte Alternative ist die Bestimmung der Position und Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum mit einem System, das mit nur einer Kamera auskommt, die nur zweidimensionale Bilder des Objekts liefert. Trackingsysteme, die nur eine Kamera zur Verfügung haben (z. B. wie in
DE 10 2018 206 406 A beschrieben), haben abhängig von der Formgebung des Targets (siehe z. B.
US 1052195866 ) und von der implementierten Algorithmik Nachteile bei der Bestimmung der eindeutigen Lösung. Bei der Aufnahme von zweidimensionalen Bildern werden die 3D-Daten der Kameraposition und Position des Objekts in einer 2D-Darstellung aufgezeichnet. Der Algorithmus berechnet die 3D-Position des Targets aus dieser 2D-Darstellung, dem Kameramodell (interne Kalibrierung) und dem Localizer-Modell (Targetdefinition). In diesem Fall ist jedoch eine einfache, planare Anordnung der Marker auf dem Targetkörper nicht möglich. Es sind daher Mehrdeutigkeiten bei der Auswertung der Kamerabilder vorhanden, die mit der Position der Marker zusammenhängen, wenn sie auf ein 2D-Kamerabild bzw. den Kamerasensor projiziert werden. Es kommt somit teilweise zu Sprüngen in der Posendarstellung. Für ein flaches Target gibt es in diesem Fall auch den Effekt eines „springenden“ Normalenvektors, wenn das Target senkrecht zu der Linie ist, die die Mitte des Targets mit dem Ursprung des Koordinatensystems verbindet. Es gibt unendlich viele Positionen, in denen das Taget senkrecht zu der Linie sein kann, die die Mitte des Targets mit dem Ursprung des Koordinatensystems verbindet.
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Für ein 3D-Target mit geneigten Flächen, z. B. wenn die Flächen um 20 Grad gegen die Blickachse der Kamera gedreht sind, wird der Effekt einer „springenden“ Normalen vermieden. Allerdings, wenn die Seitenflächen des 3D-Targetkörpers zueinander geneigt sind, führt dies zu systematischen Rotationsfehlern. Ferner ist ein 3D-Targetkörper mit verschiedenen gegeneinander gedreht orientierten Oberflächen anfällig für ungleichmäßige Beleuchtung der Markers auf den verschiedenen Oberflächen. Targetkörper dieses Typs werden z.B. in
US 5 295 483 A (in Form eines Pilzhutes) oder
US 5 856 844 A (mit geneigten Flächen) beschrieben.
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Die Herstellung eines Targetkörpers mit nicht ebenen Oberflächen erschwert sowohl den Produktionsprozess als auch die Bereitstellung eines genauen Targetmodells (die geometrische Definition des Targets). Solche Targets führen auch zu kleineren maximalen Betrachtungswinkeln.
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US 5 227 985 A beschreibt ein optisches System, das mit einer Kamera und mit Matrix arbeitet, und Techniken zur Bestimmung der Position eines Körpers. Dieses System ist für nicht koplanare Markierungen ausgelegt und basiert auf Projektionsmethoden zum Extrahieren von 6D-Informationen aus 2D-Bildern. In diesem Fall jedoch erschwert die Verwendung nicht koplanarer Lichtquellen die Herstellung der Vorrichtung und erhöht damit die Kosten, insbesondere weil bei diesem Ansatz Lichtquellen unterschiedlicher Größe verwendet werden, um sie korrekt im entsprechenden Bild zu identifizieren. Dies erhöht die Komplexität des Targets. Ein weiteres Problem ist die Verwendung des Targets, wenn es sehr nahe an der Kamera positioniert ist: Die Projektion der projizierten Bilder der Lichtquellen ist verzerrt, was es schwierig macht, sie mit ihren tatsächlichen Größen zu vergleichen. Es ist auch möglich, dass sich Lichtquellen auf den Bildern überlappen.
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US 5 297 061 beschreibt eine Zeigegerät, bei der Spitzen aus optischen Fasern als Lichtquellen verwendet werden. Dies macht sein Design nur für bestimmte Anwendungen nützlich.
US 2007/239169 A definiert ferner ein Target aus zylindrischen Elementen. Darüber hinaus werden Ansätze für optische Ein-Kamera-Tracking-Systeme zur Bestimmung der Position eines Objekts im 3D-Raum vorgeschlagen, die mit einer Mischung aus planarer und nicht planarer Anordnung der Marker auf dem Target arbeiten: In
US 2006/082546 A wird ein Target in einer „L“ - oder „T“ -Form beschreiben, in
US 2006/072124 A eine komplexe Struktur des Targets mit Ummantelung der Marker, in
US 2009/070065 A ,
EP 1 498 688 A und
DE 10 2014 012 693 A flache Targets mit einer planaren Anordnung einiger Marker und auch hervorstehenden Markern. Eine Struktur eines Targets mit drei oder mehr Markern wird in
US 5 440 392 A beschrieben. Diese Targetkörper haben den gemeinsamen Nachteil, dass ihre geometrische Struktur fest ist und dass die vorherrschenden Umgebungsbedingungen, insbesondere die Lichtverhältnisse, nicht angepasst werden können. Darüber hinaus zeichnen sich diese in der Regel durch eine komplexe und damit teuer zu fertigende Struktur aus.
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Nachteile von bekannten Lösungen können wie folgt angegeben werden. Klassische Navigationssysteme basieren auf der Triangulation von einzelnen Punkten einer Antenne bzw. Targetkörpers mittels eines Stereokamerasystems. Diese weisen folgende Nachteile auf:
- - Sie benötigen viel Platz. Alternativ bedingen zwei Kameras z. B. in einem Mikroskop eine deutliche Vergrößerung des Mikroskopkörpers oder störende Konturen durch anmontierte Kameras.
- - Der Blick auf die Antennen ist häufig durch Gegenstände oder Personen eingeschränkt.
- - Die Antennen bauen auf Grund der großen Abstände zu den Kameras relativ groß, was insbesondere an Tools störend ist.
- - Hohe Anschaffungskosten.
- - Im Fall eines Operationsmikroskops bedingen die Platzverhältnisse im Operationsraum einen relativ großen Abstand der Kameras zum Operations-Feld, was die Genauigkeit reduziert, bzw. einen Kompromiss von Antennengröße und Genauigkeit bedingt.
- - Für Trackingsysteme werden teilweise planare Marker auf unterschiedlichen zueinander abgewinkelten Flächen aufgedruckt (z.B. ähnlich einer flachen Pyramide). Dies hat allerdings eine Reduktion des möglichen Blickwinkels von Kamera zu Target zur Folge.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel die Position und/oder die Ausrichtung von Objekten, insbesondere Werkstücken wie z. B. Maschinenteilen und anderen beweglichen Teilen, bestimmen zu können.
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Insbesondere ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache (optional auch einstellbare) Struktur eines Targetkörpers anzugeben, die sowohl die Handhabung als auch die Herstellung im Vergleich zu bekannten Lösungen vereinfacht. Die Struktur kann auch verwendet werden, um den Einfluss der Umgebungsbedingungen zu minimieren, insbesondere die Beleuchtung oder die Lichtverhältnisse, so dass keiner der Marker des Targetkörpers von einem anderen abgedeckt wird.
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Bezüglich der Verwendung wird vorgeschlagen, am Objekt einen Targetkörper anzubringen und die Position und/oder Ausrichtung des Objekts anhand der Position und/oder Ausrichtung des Targetkörpers zu ermitteln. Der Targetkörper weist mehrere Marker auf, wobei es sich um aktive oder passive Marker handeln kann. Aktive Marker emittieren insbesondere elektromagnetische Strahlung.
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Insbesondere kann der Targetkörper dazu verwendet werden, um die Position eines Objekt mit einer einzigen 2D-Kamera zu bestimmen.
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Es wird vorgeschlagen: Ein Targetkörper, aufweisend eine Mehrzahl von Markern, die gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung und für eine Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung des Targetkörpers aus den erfassten Markern bilden, insbesondere zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Objekts, an dem der Targetkörper angeordnet ist, wobei
- - der Targetkörper eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen mit jeweils zumindest einem der Marker aufweist,
- - die Oberflächenbereiche in verschiedenen zueinander parallelen Ebenen liegen und
- - in zwei der parallelen Ebenen jeweils zumindest zwei der Marker in und/oder an einem der Oberflächenbereiche angeordnet sind.
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Insbesondere können die in den zwei parallelen Ebenen angeordneten zwei Marker jeweils einen ausgezeichneten Punkt aufweisen, insbesondere einen Mittelpunkt, sodass sich in jeder der zwei parallelen Ebenen eine gedachte Verbindungslinie von dem ausgezeichneten Punkt eines der zwei Marker in der Ebene zu dem ausgezeichneten Punkt des anderen der zwei Marker in der Ebene erstreckt, wobei sich die gedachten Verbindungslinien in den zwei parallelen Ebenen in einer Draufsicht senkrecht auf die Oberflächenbereiche in einem scheinbaren Schnittpunkt schneiden.
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Ferner können die Abstände der ausgezeichneten Punkte zu dem Schnittpunkt zumindest in einer der zwei parallelen Ebenen (und vorzugsweise in beiden Ebenen) gleich groß sein.
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Die hier vorgeschlagene Lösung für einen Targetkörper für oder in einem optischen Lokalisierungssystem mit einer Kamera hat insbesondere mindestens vier, insbesondere redundante, Marker. Der Targetkörper ermöglicht eine hohe Genauigkeit bei der Berechnung einer 3D-Position eines Objekts, an dem der Targetkörper angeordnet ist. Die Verwendung des Targetkörpers ist jedoch nicht auf ein System mit nur einer Kamera beschränkt: Er kann auch mit einem Mehrkamerasystem verwendet werden, z.B. solche, die Triangulationsmethoden (stereometrische Techniken) anwenden. Beide Arten von Systemen können Projektionsmethoden zum Extrahieren von 2D-Bildern mit 6D-Informationskonstruktion verwenden.
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Der 3D-Targetkörper ist insbesondere kompakt und optional flexibel. Seine geometrische Struktur kann zwei parallele Ebenen (insbesondere Oberflächen) aufweisen, an denen sich jeweils mindestens ein Marker und vorzugsweise jeweils mindestens zwei Marker befinden. Jeder Marker ist insbesondere so ausgestaltet, dass ein ausgezeichneter Punkt des Markers durch Auswertung der von der zumindest einen Kamera aufgenommene Bildinformation des Targetkörpers ermittelbar ist. Bei dem ausgezeichneten Punkt kann es sich zum Beispiel um den Mittelpunkt des Markers handeln.
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Durch Marker in zwei Ebenen lässt sich die Mehrdeutigkeit der Lösungen eliminieren oder wenigstens deutlich reduzieren. Besonders bei senkrechtem Blick auf die Struktur entstehen so nur noch minimale Winkelfehler im Bereich von kleiner als 0,05°. Bei ähnlichen Dimensionen des Targets und Anordnung der Marker in einer Ebene ergeben sich Winkelsprünge von größer als 5°.
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Es kann ferner der Effekt einer springenden Normalen bei der Bestimmung der Position eines Objekts vermieden werden, da in diesem Fall die Position der Markierungen auf dem Ziel durch einen Satz von 3D-Daten (d. h. nicht nur Daten von Punkten in einer Ebene) aufgenommen wird.
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Diese Struktur erleichtert sowohl den Herstellungsprozess des Targetkörpers bzw. der Struktur als auch die Definition des Targetkörpers im Lokalisierungssystem im Vergleich zu einem Targetkörper mit schrägen Seiten oder anderen komplexen Strukturen. Wie durch Simulationen bestätigt wurde, reicht ein Abstand zwischen den beiden parallelen Ebenen, der dem Radius des auf dem Ziel verwendeten Markers entspricht, für eine genaue Positionsbestimmung des Objekts aus. Mit der Möglichkeit, den Abstand zwischen den Ebenen des Targetkörpers anzupassen, kann dieselbe Zielstruktur daher für Marker unterschiedlicher Größe verwendet werden.
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Ein zusätzlicher Vorteil dieser Struktur besteht darin, dass beide Ebenen aufgrund der Parallelität gleich beleuchtet werden oder - wenn aktive Marker verwendet werden - die gleiche Lichtintensität und -verteilung in Richtung der Kamera abgegeben wird. Insbesondere ermöglicht die optionale Einstellung des Abstands zwischen den Ebenen auch die Kompensation des Einflusses des Schattens von der ersten zur zweiten Ebene. Für diesen Effekt gilt Folgendes: Je größer die Länge der Markerstruktur in der aus Sicht der Kamera(s) weiter entfernten Ebene und je kürzer die Länge der Markerstruktur in der aus Sicht der Kamera(s) näheren Ebene ist, desto besser sind die Messergebnisse. Gleichzeitig ist jedoch bei der Bestimmung der Position von Objekten ein größerer Abstand zwischen den einzelnen Markern vorteilhaft. Insbesondere die einstellbare und flexible Struktur des Targets ermöglicht daher einen Kompromiss und eine Optimierungsmöglichkeit für einen bestimmten Messaufbau des Lokalisierungssystems.
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Vorteile können wie folgt beschrieben werden: Es ist nur eine Kamera erforderlich. Der überwachte Raum kann kleiner sein. Es sind kleinere Targets möglich, auf Grund eines möglichen geringeren Abstandes zwischen Kamera und Target. Es können planare gedruckte Marker in unterschiedlichen parallelen Ebenen verwendet werden. Es existieren eindeutige Lösungen der Pose trotz nur einer Kamera.
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Insbesondere kann eine Recheneinheit (z. B. Computer oder Computersystem zur Verarbeitung der Bilder der mindestens einer Kamera und zur Bestimmung der Posen (d.h. der Position und der Ausrichtung) des Targets relativ zur Kamera verwendet werden.
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Es können z. B. die in
US1052195866 beschriebenen Targets verwendet werden. Es ist auch möglich, sogenannt Aruco-Marker oder andere Marker zu verwenden. Z. B. können die Marker rund und planar sein, wie in
US1052195866 beschrieben, z. B. mit einem Durchmesser D=12mm (Tool-Target), bzw. 15mm (Patienten-Target). Die Größe kann variieren. Für die Verwendung in Kombination mit einem Operationsmikroskop kann eine Integration in die Kamera vorgenommen werden. Es könnte auch eine ortsfeste Kamera an einem Deckenstativ vorhanden sein, eine Integration in die Operationsraum-Leuchte stattfinden oder es kann sich um eine an dem Mikroskop außen befestigte Kamera handeln.
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Optional hat der Targetkörper bzw. die Struktur Marker in mehr als zwei parallelen Ebenen. Die zwei oder mehr parallelen Ebenen werden insbesondere durch Oberflächen des Targetkörpers gebildet. Die Ebenen haben insbesondere einen Abstand ungefähr von dem halben Durchmesser der Marker oder einen Abstand etwas größer als dem halben Durchmesser der Marker. Geringere Abstände bedingen größere Winkelfehler. Größere Abstände als der halbe Durchmesser der Marker führen zu Abschattung der Marker bei schrägem Blickwinkel. Jede Ebene enthält vorzugsweise mindestens und insbesondere genau zwei Marker, um eine mögliche Verdeckung zu vermeiden. Vorzugsweise sind die Marker im Fall von je zwei Markern in zwei Ebenen (zum Beispiel mit ihren Mittelpunkten bzw. ausgezeichneten Punkten) symmetrisch auf zwei Achsen angeordnet, d.h. bei senkrechter Draufsicht schneiden sich die Verbindungsachsen der jeweils zwei Marker in einem Punkt, zu dem die beiden Marker in der jeweils gleichen Ebene den gleichen Abstand haben. Asymmetrien sind jedoch auch möglich. Die Targets sind z. B. auf einem vom Tool lösbaren Träger/Handstück gedruckt. Es kann sich auch um feste Verbindungen zum Tool handeln und/oder um auf andere Weise auf den Träger des Targetkörpers angebrachte oder aufgebrachte Marker. Der Träger kann sterilisierbar sein.
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Die Marker können z. B. an beliebigen Trägern aufgedruckt, aufgeklebt und/oder temporär befestigt (z. B. angeklemmt) werden. Das temporäre Befestigen ermöglicht insbesondere eine Kalibration des Systems zur Positions- und/oder Ausrichtungsermittlung mittels der Marker.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Ansicht auf einen Targetkörper von schräg oben und
- 2 eine Draufsicht auf den Targetkörper von 1.
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Der in den Figuren dargestellte Targetkörper 1 weist einen zentralen Bereich 2 auf, der eine ebene Oberfläche 3 in einer ersten Ebene bildet. Von dem zentralen Bereich 2 erstrecken sich an entgegengesetzten Seiten zwei flügelartige Seitenbereiche 7a, 7b. In den Endbereichen der Seitenbereiche 7 ist jeweils eine ebene Oberfläche 5a, 5b gebildet, die sich in einer zweiten Ebene befinden, welche parallel zu der ersten Ebene verläuft. Dabei verläuft die zweite Ebene auf einem höheren Niveau als die erste Ebene. Die Begriffe „oben“ und „unten“ sowie entsprechende Begriffe sind lediglich in Bezug auf die Darstellung des Targetkörpers 1 in den beigefügten Figuren gewählt und schränken die Erfindung und die Verwendung des in den Figuren dargestellten Targetkörpers 1 nicht ein. Zum Beispiel kann der Targetkörper 1 auch mit den in den Figuren erkennbaren Oberflächen nach unten orientiert sein.
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An der ersten Oberfläche 3 befinden sich zwei voneinander beabstandete Marker 11a, 11b. An den ebenen Oberflächen 5a, 5b befindet sich jeweils ein Marker 13a, 13b. Auf diese Weise sind in den zwei zueinander parallelen Ebenen jeweils zwei voneinander beabstandete Marker 11a, 11b, 13a, 13b angeordnet.
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Wie aus 1 erkennbar ist, befindet sich unten an dem Targetkörper 1 eine Halterung 9, mittels der der Targetkörper 1 an einem geeigneten Bauteil festgeklemmt werden kann.
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Von den Markern 11a, 11b, 13a, 13b sind lediglich kreisförmige Umrisslinien dargestellt. Es können auch andere als rotationssymmetrische bzw. kreisförmige Marker verwendet werden. Kreisförmige Marker ermöglichen es insbesondere, den Mittelpunkt des Markers festzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5828770 A [0003]
- US 5817105 A [0003]
- US 6720949 A [0003]
- US 5295483 A [0003, 0005]
- DE 102018206406 A [0004]
- US 1052195866 [0004, 0025]
- US 5856844 A [0005]
- US 5227985 A [0007]
- US 5297061 [0008]
- US 2007239169 A [0008]
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- US 2006072124 A [0008]
- US 2009070065 A [0008]
- EP 1498688 A [0008]
- DE 102014012693 A [0008]
- US 5440392 A [0008]
