JP2013545557A - 立体視ビデオ画像を観察および追跡するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

立体視ビデオ画像を観察するためのシステムおよび方法が開示される。一システムは対象の第一のビデオフィードを生成するように構成される第一のビデオカメラを含む。第二のビデオカメラは第一のビデオカメラから瞳孔間距離だけ間隔を置かれておりかつ対象の第二のビデオフィードを生成するように構成される。第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラと関連するトラッキングモジュールは、立体視を維持するために第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラを選択されたトラッキング点と相対的な所望の収束点へと向けさせるように構成される。第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラと関連するズーミングモジュールは、近接リアルタイム立体視ビデオ画像の所望の拡大を提供するように構成される。

Description

（背景）
歯科学の実務において有意な科学技術の進歩がなされてきた。これらの進歩は歯科医を訪ねる場合の患者の不安を減少させるだけでなく、より良い患者治療を可能にしている。

進歩的な治療を提供するために歯科医により現在使用されている技術の多くは、患者の口内の非常に細かな詳細を見てそして焦点を合わせる能力を必要とする。拡大ループを有する眼鏡が、十分な詳細を観察するための歯科医の能力を増加するために歯科医によりたびたび使用される。眼鏡は高価かつ重くあり得、歯科医が長い期間着用するには負担となり得る。加えて、拡大ループは眼精疲労およびトンネル視を生じ得、歯科医が拡大された領域および付近の両方を同時に見る能力を減少させる。

その上、患者の口内の腔の領域の所望の観察を得るために、歯科医はたびたび上半身を乗り出し背中を丸めなければならない。そのような姿勢は歯科医に長期の健康問題を生じ得る。自身の姿勢に関して予防の対策を取らない歯科医は、背中の痛みおよび背中に関連するその他の問題により彼らのキャリアを短くし得るかもしくは限定し得る。加えて、これらの損傷は歯科医の歯科医職場の外での人生の質に著しく影響し得る。

本発明が開示および記述される前に、本発明は、本明細書内で開示される特定の構造、プロセス、ステップ、もしくは材料に限定されることはなく、関連分野の当業者により認識されるように、その均等物へとおよぶことが理解される。また、本明細書内で使用される用語は具体的な実施形態を記述する目的のみに使用されるのであり、限定する意図のないことが理解される。

予備事項として、多くの考察が本明細書内で歯科職業並びに歯科検査および手順の実行に関することが注意される。しかしながら、これは例示的な目的のみにそうされるのであって、本明細書内で記述されるシステムおよび方法はまた、手術もしくは検査のための所望の部位の高倍率立体視イメージングおよびトラッキングが有益となるその他の医療専門家に適用可能である。例えば、本明細書内のシステムおよび方法は、患者が起きていてかつ動いている場合の最小限の侵襲性手術もしくは敏感な患者の対象の部位の検査のような、動きが生じ得る位置のイメージングに特に有用となり得る。加えて、本開示のシステムおよび方法は一般的に医療職業の外部にある、例えば、研究、指導、微生物学、電子工学、宝石研磨、時計修理などを、本明細書に記述されている方法で観察およびトラッキングすることに適用可能であり得る。

このことに注意して、技術実施形態の最初の概観が下に提供され、それから具体的な技術実施形態がその後にさらに詳細に記述される。この最初の記述は本技術の基礎的な理解を提供することが意図されているのであり、本技術のすべての特徴を識別する意図はなく、また特許請求された主題の範囲を限定する意図もない。

患者の口内の腔を詳細に観察するための歯科医の能力は、一般的に適切な歯科問題の診断および歯科作業のために貴重である。口内の腔の位置の拡大されたビューは、歯科医が、現在患者に利用可能な進歩したかつ複雑な解決策を十分に提供することを可能にし得る。しかしながら、拡大されたビューを得るための典型的な解決策は、一つもしくは複数の拡大ループを有する眼鏡の使用を通してである。拡大ループの使用は、歯科医の眼を疲労させ得、かつ眠気を増加させ得る。加えて、歯科医は患者の口の中の所望の観察角度を得るために、上半身を乗り出すおよび／もしくは前かがみになる必要があり得る。長い期間を通して、このことは歯科医の背中に、姿勢、背中の痛み、および衰弱肉体的ダメージの問題を生じさせ得る。背中の痛みおよび損傷は、歯科医のキャリアの長さを減少させ得、彼もしくは彼女の歯科医職場の外での人生の質にマイナスに影響し得る。

本開示の一実施形態に従って、立体視ビデオ画像を観察するためのシステムおよび方法が開示される。本システムおよび方法は、歯科医が患者の口内の腔の所望のビューを得ることを可能にし、一方で眼精疲労を減少させかつ歯科医が適切な姿勢を維持することを可能にする。医学、電子工学、教育、微生物学のようなその他の分野、もしくは高倍率立体視視覚が有用となり得る任意のその他の分野において、本開示のシステムおよび方法は等しく適用可能であることが注意される。従って、歯科学の考察は例示のみを目的とし、特許請求の範囲で具体的に記載されている場合を除いて限定とみなされることはない。

このことを述べた上で、患者に所望のレベルの治療を提供するために、衛生士、歯科医、口腔外科医、もしくはその他のタイプの歯科専門家は歯科器具を所望の方向に繊細にかつ正確に動かすことが可能でなければならない。典型的に、二次元画像は患者の口内の腔で歯科機器を正確に動かすことを骨の折れるものにし得る。立体視画像の使用は、立体視が維持されることを可能にし、それによって医療専門家が深度を知覚することを可能にし、立体視画像を観察しながら歯科機器が所望の方向に正確に動かされることを可能にする。本明細書内で使用される場合、用語「立体視」は、人間の２つの眼それぞれに投射された２つの光学的に離れた世界の投射の観察から深度の感覚を導く視覚的な知覚のプロセスを指す。

加えて、本明細書内で開示されるシステムおよび方法は、立体視ビデオ画像を観察する複数の人間が同一の観点から、選択された領域を観察することを可能にする。例えば、歯科医および歯科助手はそれぞれ同一の、歯もしくは患者の口内の歯の周囲の領域のような位置の立体視ビデオ画像を観察し得る。歯科医および歯科助手の両方が、領域の立体視ビデオ画像を同一の観点から観察する能力は、歯科助手が要求される通りに歯科医を補助する能力を著しく高め得る。その上、画像はまた、患者もしくは歯科学校の生徒のような追加の人間により観察され得る。患者が歯科医と同一の画像を観察する能力は、歯科医が患者に、彼もしくは彼女の歯の状態、およびこれから実行される手順をより上手に教育することを可能にする。立体視画像を観察することは生徒が、自身の指導者の指導を彼もしくは彼女の見地から学びかつ理解する能力を著しく高め得る。

（図面の簡単な記述）
本開示の特徴および利点は添付の図面と関連して下記の詳細な記述から明瞭となり、下記の詳細な記述と図面は共に本発明の特徴を例として説明する。
図１ａは本開示の一実施形態に従った、立体視ビデオ画像を観察するためのシステムのブロック図を説明する。 図１ｂは本開示の一実施形態に従った、ワイヤレスデータリンクを使用して立体視ビデオ画像を観察するためのシステムのブロック図を説明する。 図１ｃは本開示の一実施形態に従った、単一の伝送器および受信器を含むワイヤレスデータリンクを使用して立体視ビデオ画像を観察するためのシステムのブロック図を説明する。 図１ｄは本開示の一実施形態に従った、第一および第二のビデオカメラの位置をアップデートするために使用される単一のモーターを使用して立体視ビデオ画像を観察するためのシステムのブロック図を説明する。 図２は本開示の代替の実施形態に従った、歯科医が患者の口内の腔の近接リアルタイム立体視ビデオ画像を観察するために立体視ディスプレイを使用する例示的な説明を提供する。 図３は本開示の一実施形態に従った、ビデオ画像の立体視を維持するために第一および第二のビデオカメラがビデオカメラの距離に基づいて、選択された対象へとどのような角度で向けられそしてその角度がどのように変化するのかを説明する例示的な図を提供する。 図４は本開示の一実施形態に従った、立体視医療ビデオ画像を観察するための方法のフロー図を描写する。

説明される例示的な実施形態への言及が次になされ、説明される例示的な実施形態を記述するために特定の言葉が本明細書内で使用される。それでもやはり、それによって本発明の範囲の限定が意図されることのないことが理解される。

（詳細な記述）
本発明の一実施形態に従って、図１ａの例示的な説明において提供されているような、立体視歯科ビデオ画像を観察するためのシステム１００が開示される。本システムは、患者の口内の腔の方へと向けられておりかつ患者の腔内の腔の第一のビデオフィードを生み出すように構成された第一のビデオカメラ１０２を含む。第二のビデオカメラ１０４は、第一のビデオカメラ１０２から選択された距離だけ水平に間隔を置かれ得る。一実施形態において、この水平の間隔は人間の、彼もしくは彼女の左眼および右眼からの視覚にシミュレートするように表示され得る第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードを生成するために、人間の眼と眼の間の間隔をシミュレートし得る。この間隔を瞳孔間距離と呼ぶ。典型的な瞳孔間距離は約５０ミリメートル（ｍｍ）から約７５ｍｍである。代替的に、カメラはより離れた距離だけ間隔を置かれ得、一方で瞳孔間距離で離れて配置されているカメラと類似の画像を生成するために、より離れた距離を光学的に補い得る。

システム１００はさらに、立体視ビデオディスプレイ１０６を含む。一実施形態において、立体視ディスプレイは人間の右眼で観察可能な右ビデオディスプレイおよび人間の左眼で観察可能な左ビデオディスプレイを有する、頭に取り付け可能な立体視ディスプレイであり得る。第一および第二のビデオフィードを左および右ビデオディスプレイに表示することにより、近接リアルタイム立体視ビデオ画像が生成される。

立体視ビデオ画像は、人間の２つの眼の網膜に投射された２つのわずかに異なるビデオ画像から深度の感覚を導く、視覚的な知覚を提供する。深度の感覚を導くこの視覚的な知覚を立体視と呼ぶ。頭に取り付け可能な立体視ディスプレイを使用する場合、第一および第二のビデオ画像の追加のビデオもしくはコンピュータ処理は必要とされない可能性がある。深度の感覚は、例えば瞳孔間距離だけ離れている第一および第二のカメラの、異なる投射により生成される。

深度を知覚するための能力は、患者を扱う歯科医にとって貴重となり得る。適切な深度知覚は、歯科学を実行する場合に、歯科医が小さいが重大な動きをすることを可能にする。以前は、深度知覚を表示するための能力の欠如が、歯科学の実行におけるカメラおよびディスプレイスクリーンの使用を限定していた。ディスプレイに立体視を提供するように構成された２つの別個のカメラを使用して、歯科医は深度の感覚を提供する、結果として生じた立体視ディスプレイを観察し得、それによって歯科医は彼もしくは彼女の、ループもしくはその他の拡大システムを使用した実務の間に学習したものと実質的に同一の手と眼の協調を維持することが可能である。

一実施形態において、第一のビデオカメラ１０２からの第一のビデオフィードおよび第二のビデオカメラ１０４からの第二のビデオフィードは、ＤＶＩ（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｉｓｕａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ケーブル、ＨＤＭＩ（登録商標）（ｈｉｇｈ−ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ケーブル、コンポーネントケーブルなどのようなワイヤード通信ケーブルを通して立体視ビデオディスプレイ１０６へと通信され得る。

代替的に、第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードからの情報は、立体視ビデオディスプレイ１０６へとワイヤレスで通信され得る。例えば、図１ｂはビデオディスプレイ１０６と、第一のビデオカメラ１０２および第二のビデオカメラ１０４それぞれとの間にワイヤレスデータリンク１４２を提供するシステム１５０を示す。

代替の実施形態が図１ｃにおいて表示され、そこで第一および第二のビデオフィードはワイヤード接続を経由して単一の伝送器１４６へと通信される。伝送器は第一および第二のビデオカメラ１０２、１０４それぞれからの第一および第二のビデオフィードをビデオディスプレイ１０６へとワイヤレスで通信１４２し得る。ビデオディスプレイのワイヤレス受信器１４４は、伝送器からの第一および第二のビデオフィードを受信しそしてビデオフィードをビデオディスプレイへと通信するために使用され得る。

ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＤ標準、ＷｉＧｉｇ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｇｉｇａｂｉｔ Ａｌｌｉａｎｃｅ）、ＷＨＤＩ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｈｏｍｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１５標準、およびＵＷＢ（ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ）通信プロトコルを使用して開発された標準を含む、ワイヤレスでビデオフィードを通信するための種々の標準が開発されている。一つもしくは複数の、第一および第二のビデオフィードからのビデオフィード情報が立体視ビデオディスプレイへと伝送されることを可能にするワイヤレス標準が、ワイヤの使用を除去し、そしてユーザーをより自由に動き回れるように開放するために使用され得る。これは立体視ビデオディスプレイ１０６が頭に取り付け可能な場合に特に有用となり得る。

図１ａに戻ると、システム１００はまた、第一のビデオカメラ１０２および第二のビデオカメラ１０４と通信しているトラッキングモジュール１０８を含み得る。トラッキングモジュールは、第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラが、選択されたトラッキング点と相対的な所望の収束点へと向けられるようにするように構成される。

トラッキング点は、トラッキング点の動きと相対的にカメラ１０２、１０４が向け直されることを可能にする、患者の体上のもしくは患者の体の近くの選択された位置であり得る。例えば、トラッキング点は患者の頭部にある位置であり得る。患者が彼もしくは彼女の頭部を動かすと、ディスプレイスクリーン上の画像が患者の動きによって実質的に変化しないように、カメラは患者と共に動き得る。代替的に、トラッキング点は歯科患者の口内の腔にもしくは歯科患者の口内の腔の近くに位置し得る。例えば、トラッキング点は歯、歯科器具、または患者の口内の腔にもしくは患者の口内の腔の近くに位置する歯科レトラクタ上に位置し得る。

トラッキング点はカメラの位置と相対的に患者の動きが追跡されることを可能にする、任意のタイプのデバイスもしくは対象であり得る。例えば、トラッキングは無線周波数三角測量を使用して達成され得る。複数のトラッキングトランシーバーが患者上にもしくは患者の近くに位置し得る。マーカー（例えば、器具）もまたトランシーバーを含み得る。マーカーの位置に相対的な器具の位置は、トラッキングトランシーバーにおける器具トランシーバーから伝送される追跡シグナルが到着するタイミングに基づいて算出され得る。器具トランシーバーの位置は、理解され得るように、三角法を使用して算出され得る。

もう一つの実施形態において、トラッキング点は異なる有色光もしくは赤外線光源を使用して形成された反射点もしくは光学点のような、光学的に追跡可能なマーカーであり得る。有色光もしくは赤外線光のための光源は一つもしくは複数の、発光ダイオードもしくはレーザーであり得る。トラッキングモジュールは、カメラが光学的に追跡可能なマーカーと相対的に実質的に向けられることを可能にする画像認識ソフトウェアを含み得る。代替的に、赤外線受信器は赤外線光学点の位置を追跡するために使用され得る。

もう一つの実施形態において、位置または人間の鼻孔、眼、もしくはその他の明確な特色のような特徴を認識できる画像認識ソフトウェアが使用され得る。人間の選択された特徴が動く場合、カメラの位置は人間の口内の腔の選択された領域の立体視ビデオ画像を維持するために調節され得る。患者の動きと相対的にビデオカメラの方向を調節する能力は、ビデオカメラが口内の腔の所望の位置の比較的高倍率の拡大を提供することを可能にし得る。

従って、本システムはまたズーミングモジュール１１０を含み得る。ズーミングモジュールは第一のビデオカメラ１０２および第二のビデオカメラ１０４と通信状態にあり得る。ズーミングモジュールは、近接リアルタイム立体視ビデオ画像の所望の拡大を提供するように構成され得る。以前に考察されたように、所望の位置を選択された倍率で観察するための能力は、複雑かつ詳細な手順を実行するために歯科医に有意な利点を提供する。歯科医は典型的に、画像を約４倍に拡大するための拡大ループを有する眼鏡を使用する。しかしながら、本開示の実施形態に従って、ズーミング範囲は第一および第二のビデオカメラのズーミング範囲によってのみ限定される。

特定の一実施形態において、ビデオカメラ１０２、１０４は標準画像の１倍から２０倍より高い倍率、もしくはそれより高い倍率を提供するように構成され得る。拡大は、光学拡大、デジタルズームのいずれか、もしくはこれら２つの組み合わせの使用を通して達成され得る。立体視ディスプレイは高倍率で、患者の口内の腔の所望の位置の明瞭な焦点合わせされた画像を提供し得る。ビデオカメラは、深度の感覚を導く視覚的な知覚が維持されることを可能にするために実質的に同一の倍率で設置され得る。加えて、カメラが倍率を変化させる速度は、画像が第一および第二のビデオカメラと通信するためのズーミングモジュールを使用してズームインおよびズームアウトされるときに、立体視ビデオ画像の立体視を維持するために実質的に同一となり得る。

一実施形態において、第一および第二のビデオカメラ１０２、１０４そして立体視ディスプレイ１０６は、比較的高い解像度を表示するように構成され得る。例えば、カメラおよびディスプレイは、１２８０×７２０ピクセル（幅×高さ）を有する７２０Ｐプログレッシブビデオディスプレイ、１９２０×１０８０ピクセルを有する１０８０ｉインターレースビデオディスプレイ、もしくは１９２０×１０８０ピクセルを有する１０８０ｐプログレッシブビデオディスプレイを提供するように構成され得る。処理力およびデジタルメモリはムーアの法則に従って指数関数的に増加し続けているので、カメラおよびディスプレイは７６８０×４３２０ピクセルを有する４３２０Ｐプログレッシブビデオディスプレイのようなさらに高い解像度を提供し得る。より高い解像度をもって、ソフトウェア（デジタルズーム）を使用して、画像は実質的に画質を低下させることなくデジタル拡大を提供するために拡大され得る。従って、ソフトウェアだけがリアルタイム立体視ビデオ画像の所望の拡大レベルを提供するために使用され得る。

図２は、本開示の一実施形態に従って、患者の口内の腔の近接リアルタイム立体視画像を観察するために、歯科医２３２が頭に取り付け可能な立体視ディスプレイ２０６を使用している例示的な説明を提供する。第一のビデオカメラ２０２および第二のビデオカメラ２０４は、患者２３４の上の取り付け具２４２に取り付けられ得る。

光２３６（例えば、歯科光源）が、患者の口内の腔を照らすために提供され得る。光は、第一のビデオカメラ２０２および第二のビデオカメラ２０４が、近接リアルタイム立体視画像のための選択された被写界深度を維持しながら所望の拡大レベルまでズームすることを可能にするための十分な照明を提供し得る。被写界深度は、歯科医が患者の口内の腔の、所望の位置の全体の明瞭な焦点合わせされたビューを有することを可能にするために選択され得る。第一および第二のビデオカメラのアパチャは、ビデオカメラにより提供された倍率が増加する場合に変化し得る。代替的に、光源は、十分に明るくてアパチャの変化が必要とされないようなものであり得る。

第一および第二のビデオカメラ２０２、２０４の被写界深度は、患者の口内の腔の長さよりも大きくあり得る。例えば、第一および第二のビデオカメラの被写界深度が典型的な患者の口内の腔の深度の２倍であれば、第一および第二のビデオカメラは、カメラの被写界深度が中心にあると想定すると、患者の口の奥まで明瞭な焦点を維持しながら患者の唇に焦点を合わし得る。

一実施形態において、頭に取り付け可能な立体視ビデオディスプレイ２０６は、眼鏡の下部分が左および右眼のための別個の高精細ディスプレイを提供する分割視野を提供するように構成され得、歯科医は眼鏡の上から周囲の状況を障害物なく観察し得る。代替的に、眼鏡は、下半分がビデオ画像を提供しかつ眼鏡の上半分が、操作者が頭に取り付け可能な立体視ディスプレイを着用しながら自然な付近もまた観察することが可能であるように実質的に透明であるような、分割ビューに構成され得る。これは、歯科医が患者の口に対して作業をしながら高拡大レベルを使用しており、そして付近の周囲の状況を観察する場合にすぐに拡大のないところへと動くことができるため、特に有用となり得る。

代替的に、頭に取り付け可能な立体視ビデオディスプレイ以外のビデオディスプレイがまた、近接リアルタイム立体視ビデオ画像を表示するために配置され得る。例えば、大きなテレビスクリーンがまた、３次元画像を示すように構成され得る。設置は所望の用途に基づくが、一実施形態において、それは、歯科医２３２がビデオ画像を観察することが可能な位置である患者２３４の背後に設置され得る。それはまた、例えば、患者が観察するために、もしくは教育環境で生徒が学習のために観察するために設置され得る。ビデオディスプレイは、観察者が、保護眼鏡を用いても用いなくても立体視ディスプレイ２４６を３次元画像として観察することが可能であるように構成され得る。

例えば、一実施形態において第一および第二のビデオフィードは、それぞれのビデオフィードがシャッター分離、偏光分離、および色分離のうちの少なくとも一つを使用して光学的に分離され、単一のディスプレイスクリーン２４６上に表示され得る。一実施形態において、観察者（例えば、歯科医）は、立体視および深度知覚をもって別個の画像を観察するために観察眼鏡を着用し得る。

特定のタイプの観察眼鏡（例えば、シャッター分離を使用するＬＣＤ眼鏡）は、観察者が光学的に分離された近接リアルタイム立体視ビデオ画像を観察することを可能にするために、ディスプレイスクリーンと同調し得る。ビデオフィードの光学的な分離は、立体視を生成するために、２つの眼の網膜それぞれに投射された２つのわずかに異なるビデオ画像から、深度の感覚を導く視覚的な知覚を提供する。以前に考察されたように、深度の感覚は歯科医が、彼もしくは彼女の歯科医としての実務の間に学習したものと実質的に同一の手と眼の協調を維持することを可能にする。

立体視ビデオディスプレイ２０６はまた、患者と関係する情報を観察するために使用され得る。例えば、Ｘ線がデジタル化されてビデオディスプレイ上で観察され得る。患者のカルテ情報がまた、表示され得る。これは歯科医が、患者の状態に関する速度にすぐに添うことを可能にし得る。歯科医はまた、患者のカルテに含まれている以前の画像および情報と、患者の現在の状態との間の比較を行い得る。画像はまた、患者、歯科助手などを教育するために使用され得る。

一実施形態において、取り付け具２４２は関節の動きが可能であるように取り付けられ得るか、もしくは他の態様で高度調節が可能であり得る。ビデオカメラの患者までの距離は、所望に変化し得る。例えば、ビデオカメラは患者の口内の腔の上に、約５インチから約９６インチまでの距離で配置し得る。ビデオカメラと患者との間の距離が変化する場合、互いに相対的な第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラが向けられる角度は、近接リアルタイム立体視ビデオ画像の立体視を維持するように調節され得る。

図３は、第一および第二のビデオカメラ３０２、３０４の角度が対象からの距離とどのように関連するのかを説明する、例示的な図を提供する。本説明図は一定の縮小比で描かれていないことが注意される。以前に考察されたように、カメラは選択された距離（例えば、瞳孔間距離）だけ離れ得る。一実施形態において、距離ｄ_１は距離ｄ_２と実質的に等しくあり得る。この例においては、ｄ_１＝ｄ_２＝３０ｍｍである。しかしながら、実際の距離はシステムの必要性に基づいて、例えば、ｄ_１＋ｄ_２＝約５０ｍｍから７５ｍｍまでの範囲内の値に変化し得る。

選択された対象３２０もしくは領域（例えば、この例においては歯）を観察するために、第一のビデオカメラ３０２は垂直線に対して、角度θ_１で対象に向けられる。第二のビデオカメラ３０４は垂直線に対して、角度θ_２で対象に向けられる。対象がカメラ３０２、３０４の間の中心にある場合、必ずしも必要とされることではないが、θ_１は実質的にθ_２と等しい。

第一のビデオカメラ３０２は角度θ_１に基づいて第一の面３１０のビデオ画像を生成し得る。第二のビデオカメラ３０４は角度θ_２に基づいて第二の面３１２のビデオ画像を生成し得る。第一および第二の面３１０、３１２は収束点３１６と呼ばれる位置で交差する。一実施形態において、収束点はおおよそ対象３２０の位置に位置するように選択され得る。代替的に、収束点はカメラの被写界深度内にあるように選択され得る。画像が第一および第二のカメラをズームすることにより拡大される場合、収束点は最終的な拡大されたビデオ画像内にあるように選択され得る。

カメラ３０２、３０４と対象３２０との間の距離ｄ_３が変化する場合、角度θ_１およびθ_２は収束点がおおよそ同一の位置で維持されるように調節され得る。ｄ_３の距離は、図２の取り付け具２４２の位置が患者２３４と相対的に調節される場合に変化し得る。ｄ_３の距離はまた、患者が動く場合に変化し得る。

以前に考察されたように、トラッキング点は患者の動きを追跡するために使用され得る。一実施形態において、収束点はトラッキング点と別個にあり得る。例えば、トラッキング点は患者の額上の光学マーカーであり得、そして収束点は患者の歯上の焦点地点であり得る。収束点は、トラッキング点がｘ、ｙ、およびｚ軸のうちの少なくとも一つにおいて特定の量だけ動く場合に、収束点がおおよそ同一の距離だけ動き得るようにトラッキング点と関連し得る。代替的に、トラッキング点は収束点と実質的に等しくあり得る。このことは、第一および第二のビデオカメラ３０２、３０４により生成された選択された位置のビデオフィードを患者が動く場合でさえ維持し、それによって歯科医が選択された位置の近接リアルタイム立体視ビデオ画像のビューを維持することを可能にする。

図１ａに戻ると、第一および第二のビデオカメラ１０２、１０４が配置される方向は、各ビデオカメラに機械的に結合されている少なくとも一つの電動モーター１１２を使用してアップデートされ得る。例えば、単一のモーターが、ビデオカメラの角度を第一の軸に沿って変化させる（例えば、ビデオカメラを回転させる）ように使用され得る。第二のモーターが、ビデオカメラ角度が第二の軸に沿って調節されることを可能にするように使用され得る。一実施形態において、２つのモーターは、各ビデオカメラが所望の方向に向けられるために、各ビデオカメラがｘおよびｙ軸に沿って調節されることを可能にするのに十分である。しかしながら、第三のモーターが、ビデオカメラの位置が第三の軸に沿って調節されることを可能にするように使用され得る。これら３つのモーターは、各ビデオカメラの位置が、実質的に任意の方向に向けられるようにｘ、ｙ、およびｚ軸に沿って向け直されることを可能にし得る。

少なくとも一つのモーター１１２は、第一および第二のビデオカメラの位置をアップデートするためにトラッキングモジュール１０８と通信し得る。一実施形態において、ユーザーは、少なくとも一つのモーター１１２と通信状態にあるソフトウェアインタフェースの使用を通して、第一および第二のビデオカメラの位置を手動で作動し得る。

いったんビデオカメラ１０２、１０４が所望の方向に設置されると、ユーザーは患者の歯のような選択された領域を観察することが可能となり、その位置は収束点として設定され得る。以前に考察されたように、収束点は選択されたトラッキング点と関連している。トラッキング点の位置は、収束点と関係したおおよそ一対一のトラッキング点の動きがあるように選択され得る。例えば、光学マーカーは患者の額もしくは所与の用途に便利などこか別のところに位置し得る。患者が彼もしくは彼女の頭を動かす場合、額の位置の変化は一般的に、患者の歯の位置の変化と実質的に類似している（歯科医の椅子に座っている間に起こる可能性の低いような一部の不自然なねじれた動きの種類を除く）。従って、トラッキング点が動く場合にカメラの位置は、収束点が患者の歯のような同一の選択された領域上で維持されることを可能にするために、トラッキング点の動きと相対的にアップデートされ得る。歯科医は、顎の開いている角度が実質的に変化しないように、患者の口の腔内に挿入されるレトラクタのような挿入物を使用し得る。一実施形態において、レトラクタを使用する場合、トラッキング点はその上に位置し得るか、もしくは歯、唇、頬、鼻、顎先などのような、口の腔に近接するもしくは口の腔内にあるもう一つの領域上に位置し得る。

第一および第二のビデオカメラ１０２、１０４の位置はまた、患者と相対的にそれらの位置を物理的に変化させることにより影響され得る。例えば、図２で考察されているように、カメラは回転、上げ下げ、関節的な動き、もしくはその他の態様で位置を変えられことが可能な取り付け具上に取り付けられ得る。取り付け具を動かすことによりビデオカメラの位置が変化する場合、少なくとも一つのモーター１１２はビデオカメラを選択された領域に向け直すために使用され得る。一実施形態において、取り付け具の位置は、ビデオカメラを所望の方向に向けるためにモーターと協働で使用され得る。例えば、歯科医はビデオカメラが口内の腔の所望の位置に向けられることを可能にするために、所望の照明を提供しかつビデオカメラを患者の口内の腔に対して位置を整えるようにするために取り付け具を配置し得る。

図１ｄは、単一のモーター１１２が第一および第二のビデオカメラ１０２、１０４の位置をアップデートするために使用される、もう一つの実施形態の例示的な説明を提供する。単一のモーターは第一および第二のビデオカメラと機械的に結合され得る。例えば、モーターは、モーターがビデオカメラ１０２、１０４が向けられている角度を変化させるように使用されることを可能にする一連のギアおよび／もしくはスクリューによって接続され得る。理解され得るように、その他のタイプの機械的な結合がまた使用され得る。モーター１１２が第一および第二のビデオカメラのうちの一つもしくは両方が向けられている方向をアップデートすることを可能にする任意のタイプの機械的な結合は、本実施形態の範囲内であるとみなされる。

もう一つの実施形態において、図４のフロー図において描写されているように、立体視医療ビデオ画像を観察するための方法４００が開示される。本方法は、第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラを患者の選択された領域へと向けること４１０により、選択された領域のそれぞれの第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードを生成することを含む。第一のビデオカメラは第二のビデオカメラから選択された距離だけ離される。一実施形態において、選択された距離は瞳孔間距離であり得る。代替的に、以前に考察されたように、より離れた距離が選択され得る。第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラはそれぞれ、選択された領域の立体視を提供するために、選択された領域上もしくは選択された領域近くにある収束点へと向けられる。

方法４００はさらに、収束点を患者上のもしくは患者の近くの選択されたトラッキング点と関連付けること４２０を含む。選択されたトラッキング点は、考察されたように、光学的に追跡可能なマーカーを含み得る。一実施形態において、光学的に追跡可能なマーカーは、患者の口内の腔にもしくは患者の口内の腔近くに位置する歯科レトラクタ上に位置し得る。代替的に、選択されたトラッキング点は、トランシーバー（患者上にもしくは患者の近くに位置する少なくとも２つのその他のトランシーバーと相対的なトラッキング点に配置されている）で受信されるシグナルのタイミングに基づいて、選択されたトラッキング点の位置を三角測量するように構成された複数のワイヤレストランシーバーを含み得る。

例えば、一実施形態において外科手術室は、手術室の近辺の異なる位置に配置された４つの別個の無線周波数トランシーバーを含み得る。トラッキングトランシーバーは次に、手術室に入る患者上に位置し得る。トラッキングトランシーバーは手術室に位置するトランシーバーからシグナルを伝送もしくは受信し得る。トラッキングトランシーバーと手術室にある４つのトランシーバーとの間のシグナルのタイミングは、理解され得るように、トラッキングトランシーバーの位置を三角法を使用して三次元に決定するために使用され得る。三角測量計算の精密さは、少なくとも一部においては、トランシーバーの周波数に基づいている。高周波数トランシーバーほど短い波長を有し、それによってトラッキングトランシーバーの位置のより精密な決定を可能にする。増加した精密さはまた、動きの変化を単に追跡することにより得られ得る。トラッキングトランシーバーが室内のトランシーバーのうちの１つに近づき、そしてもう一つから離れる場合、シグナルのタイミングに結果として生じる変化は、トラッキングトランシーバーの位置の変化の実質的に精密な決定を可能にし得る。

方法４００はさらに、選択されたトラッキング点の動きと相対的に収束点の位置を調節することを含む。一実施形態において、収束点はトラッキング点からｘ、ｙ、およびｚ軸距離を有する仮想的な点として選択され得る。トラッキング点が動かされた場合、第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラはトラッキング点のｘ、ｙ、およびｚ軸距離の変化に基づいて、選択された領域の観察を維持するために向け直され得る。例えば、いったん収束点がトラッキング点と相対的に選択されると、トラッキング点はトラッキング点が位置する患者の動きによってｘ、ｙ、およびｚ軸それぞれにおいて１インチ動き得る。収束点もまたｘ、ｙ、およびｚ軸それぞれにおいて１インチ動かされたことが想定され得、第一および第二のビデオカメラの位置は収束点の位置を新しい位置へと調節するように向け直され得る。

方法４００はさらに、近接リアルタイム立体視ビデオ画像を生成するために第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードを光学的に分離するディスプレイシステム上に第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードを表示することを含む。一実施形態において、第一のビデオフィードは頭に取り付け可能なビデオディスプレイの右ビデオディスプレイ上に表示され得、そして第二のビデオフィードは頭に取り付け可能なビデオディスプレイの左ビデオディスプレイ上に表示され得る。右および左ビデオディスプレイはユーザーの右および左眼、それぞれに投射され得る。立体視ビデオ画像は、２つの眼の網膜に投射された２つのわずかに異なるビデオ画像から深度の感覚を導く視覚的な知覚を提供する。

代替的に、第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードは単一のディスプレイ上に表示され得、以前に考察されたように、そこで第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードはシャッター分離、偏光分離、および色分離のうちの少なくとも一つを使用して光学的に分離される。使用される光学分離のタイプによって、ユーザーが単一のディスプレイ上に表示される画像をユーザーの右眼に向けられている第一のビデオフィードとユーザーの左眼に向けられている第二のビデオフィードとに分離すること（もしくはこの逆もまた同様である）を可能にするために眼鏡が使用され得る。

第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラはそれぞれ、近接リアルタイム立体視画像の選択された一部の所望の拡大のレベルを提供するようにズームされ得る。第一および第二のビデオカメラそれぞれの倍率が変化する速度は、立体視ビデオ画像の立体視を維持するために実質的に等しくあり得る。これと同様の理由で、倍率の最終的な量は実質的に等しくあり得る。第一および第二のカメラを使用して立体視ビデオ画像を光学的に拡大することに加えて、理解され得るように、ビデオ画像はデジタル拡大を使用してさらに拡大され得る。

上で本開示のシステムおよび方法が考察されるにあたり、本明細書中で記述される機能的ユニットの多くは、それらのインプリメンテーションの独立性をより大いに強調するために「モジュール」とラベルをはられていることが理解される。例えば、モジュールは、カスタムＶＬＳＩ回路もしくはゲートアレイを含むハードウェア回路、ロジックチップのようなオフザシェルフ半導体、トランジスタ、もしくはその他の個別部品としてインプリメントされ得る。モジュールはまた、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラマブルアレイロジック、プログラマブルロジックデバイス、もしくはこれらと同様のもののようなプログラマブルハードウェアデバイスにインプリメントされ得る。

モジュールはまた、種々のタイプのプロセッサによる実行のためのソフトウェアにインプリメントされ得る。実行可能コードの識別されたモジュールは、例えば、コンピュータ命令の一つまたは複数の物理的もしくは論理的ブロックを含み得、それらは例えば、オブジェクト、手順、もしくは機能として編成され得る。それでもやはり、識別されたモジュールの実行可能ファイルは物理的に一箇所に位置する必要はないが異なる位置に記憶された異種の命令を含み得、それらの命令が論理的に繋げられた場合モジュールを構成しそしてモジュールの指定された目的を達成する。

実際は、実行可能コードのモジュールは単一の命令、もしくは複数の命令であり得、そしてさらにはいくつかの異なるコードセグメントに渡り、異なるプログラムの間に、いくつかのメモリデバイスを横断して分散され得る。類似して、動作上のデータは本明細書内においてモジュール内で識別および説明され得、そして任意の適切な形態で具体化され得、任意の適切なタイプのデータ構造内に編成され得る。動作上のデータは単一のデータセットとして集められ得、もしくは異なる記憶デバイスに渡ることを含み異なる位置に渡って分散され得、そして少なくとも部分的に、単にシステム上のもしくはネットワーク上の電子シグナルとして存在し得る。モジュールは所望の機能を実行することが可能なエージェントを含めて、受動的もしくは能動的であり得る。

前述の例は本発明の原理を一つもしくは複数の具体的な用途で例証するが、発明の才能の行使なしに、かつ本発明の原理および概念から逸れることなく、インプリメンテーションの形態、使用法、および詳細において多数の改変が行われ得ることが当業者に明瞭である。従って、以下で明示される特許請求の範囲による場合を除き、本発明が限定される意図はない。

Claims (37)

1. 歯科環境において立体視ビデオ画像を観察および追跡するためのシステムであって、該システムは、
   患者の口内の腔の第一のビデオフィードを生成するように構成される第一のビデオカメラと、
   該第一のビデオカメラから瞳孔間距離だけ間隔を置かれておりかつ該患者の口内の腔の第二のビデオフィードを生成するように構成される第二のビデオカメラと、
   該第一のビデオフィードおよび該第二のビデオフィードそれぞれから近接リアルタイム立体視ビデオ画像を生成するための右ビデオディスプレイおよび左ビデオディスプレイを含む頭に取り付け可能な立体視ディスプレイと、
   該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラと関連するトラッキングモジュールであって、該トラッキングモジュールは該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラを選択されたトラッキング点と相対的な所望の収束点へと向けさせ、それによって該患者の口内の腔、該第一のビデオカメラ、および該第二のビデオカメラのうちの少なくとも一つに関して動きが生じる場合に立体視を維持するように構成される、トラッキングモジュールと、
   該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラと関連するズーミングモジュールであって、該ズーミングモジュールは該近接リアルタイム立体視ビデオ画像の所望の拡大を提供するように構成される、ズーミングモジュールと、
   を含む、システム。
2. 前記瞳孔間距離が約５０ミリメートル（ｍｍ）から約７５ｍｍまでである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラが共にズームするように構成されており、該ズームは光学ズームおよびデジタルズームのうちの少なくとも一つである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラがそれぞれズームし少なくとも約４倍から約１０倍までの倍率で画像を提供するように構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラがそれぞれズームし少なくとも約１倍から約２０倍までの倍率で画像を提供するように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラを前記患者の口内の腔の上に約５インチから約９６インチまでの距離で配置することをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記選択されたトラッキング点が光学的に追跡可能なマーカーであって、該光学的に追跡可能なマーカーは、前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラの方向が該光学的に追跡可能なマーカーの位置の変化に基づいて調節されることを可能にするために前記患者の口内の腔にもしくは前記患者の口内の腔近くに配置されるように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記選択されたトラッキング点が前記患者の口内の腔にもしくは前記患者の口内の腔近くに位置する歯科レトラクタ上に配置されるように構成される光学的に追跡可能なマーカーである、請求項１に記載のシステム。
9. 前記トラッキング点が少なくとも２つの無線周波数マーカーを含み、前記収束点が該少なくとも２つの無線周波数マーカーと相対的に決定される、請求項１に記載の方法。
10. 前記収束点が前記トラッキング点からｘ、ｙ、およびｚ軸距離を有する仮想的な点であって、該収束点は該トラッキング点が動く場合に該トラッキング点と相対的に維持される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記収束点が前記トラッキング点にある、請求項１に記載のシステム。
12. 前記トラッキング点が、手で持って扱えるほどの大きさの道具上に位置するように構成される可動性のマーカーである、請求項１に記載のシステム。
13. 前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラのうちの少なくとも一つがモーターもしくは複数のモーターに結合され、それによって互いに相対的な該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラが向けられる角度が変えられることを可能にし、該角度は前記患者の口内の腔からの該ビデオカメラの距離に少なくともある程度基づいて変えられることにより前記近接リアルタイム立体視ビデオ画像の立体視を該距離と無関係に維持する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記患者の口内の腔の中の照明を提供するように構成される歯科光源をさらに含み、該照明は前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラが前記近接リアルタイム立体視ビデオ画像のための選択された被写界深度を維持しながら前記所望の拡大へとズームすることを可能にするために十分である、請求項０に記載のシステム。
15. 前記頭に取り付け可能な立体視ディスプレイが分割視野を提供し、それによって操作者が該頭に取り付け可能な立体視ディスプレイを着用しながら自然な付近と前記立体視ビデオ画像の両方を観察することを可能にする、請求項０に記載のシステム。
16. 前記第一のビデオフィードおよび前記第二のビデオフィードが前記頭に取り付け可能な立体視ディスプレイとワイヤレスで通信される、請求項１に記載のシステム。
17. 前記第一のビデオフィードおよび前記第二のビデオフィードが前記頭に取り付け可能な立体視ディスプレイとワイヤード接続を通して通信される、請求項１に記載のシステム。
18. 前記頭に取り付け可能な立体視ディスプレイ上にカルテの一つもしくは複数のページを表示するように構成されるチャート観察モジュールをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
19. 立体視ビデオ画像を観察および追跡するためのシステムであって、該システムは、
    対象の第一のビデオフィードを生成するように構成される第一のビデオカメラと、
    該第一のビデオカメラから瞳孔間距離だけ間隔を置かれておりかつ対象の第二のビデオフィードを生成するように構成される第二のビデオカメラと、
    該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラと関連するトラッキングモジュールであって、該トラッキングモジュールは該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラを選択されたトラッキング点と相対的な所望の収束点へと向けさせ、それによって立体視を維持するように構成される、トラッキングモジュールと、
    該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラと関連するズーミングモジュールであって、該ズーミングモジュールは該近接リアルタイム立体視ビデオ画像の所望の拡大を提供するように構成される、ズーミングモジュールと、
    を含む、システム。
20. 前記近接リアルタイム立体視ビデオ画像を表示するように構成されるビデオディスプレイをさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記ビデオディスプレイは立体視を生成するために、ユーザーの右眼および左眼それぞれによる観察のための右眼ディスプレイおよび左眼ディスプレイを含む、請求項２０に記載のシステム。
22. ビデオディスプレイが単一のビデオスクリーンを含み、前記第一のビデオフィードおよび前記第二のビデオフィードがシャッター分離、偏光分離、および色分離のうちの少なくとも一つを使用して光学的に分離される、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記ビデオディスプレイと同調し、それによって少なくとも一人の観察者が前記光学的に分離された近接リアルタイム立体視ビデオ画像を観察することを可能にするように構成される少なくとも一つの観察眼鏡をさらに含む請求項２２に記載のシステム。
24. 前記対象が医療環境における患者である、請求項１９に記載のシステム。
25. 前記患者が歯科患者であり、前記トラッキング点もしくは前記収束点が歯科患者の口内の腔にもしくは歯科患者の口内の腔近くにある、請求項１９に記載のシステム。
26. 立体視ビデオ画像を観察および追跡するための方法であって、該方法は、
    第一のビデオカメラおよび第二のビデオカメラを対象の選択された領域へと向け、それによって該選択された領域の第一のビデオフィードおよび第二のビデオフィードそれぞれを生成することであって、該第一のビデオカメラは該第二のビデオカメラから選択された距離だけ離れており、該第一のビデオカメラおよび該第二のビデオカメラはそれぞれ該選択された領域の立体視を提供するために該選択された領域のもしくは該選択された領域近くの収束点に向けられる、ことと、
    該収束点を該対象上のもしくは該対象近くの選択されたトラッキング点と関連付けることと、
    該収束点の位置を該選択されたトラッキング点の動きと相対的に調節することと、
    近接リアルタイム立体視ビデオ画像を生成するために該第一のビデオフィードおよび該第二のビデオフィードを、該第一のビデオフィードおよび該第二のビデオフィードを光学的に分離するディスプレイシステム上に表示することと、
    を含む、方法。
27. 前記対象が医療もしくは歯科患者である、請求項２６に記載の方法。
28. 前記近接リアルタイム立体視画像の所望の拡大を提供するために、前記第一のビデオカメラおよび前記第二のビデオカメラをズームすることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
29. 前記第一のビデオフィードを頭に取り付け可能なビデオディスプレイの右ビデオディスプレイ上に、前記第二のビデオフィードを該頭に取り付け可能なビデオディスプレイの左ビデオディスプレイ上に表示することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
30. 前記第一のビデオフィードおよび前記第二のビデオフィードを共通のディスプレイ上に表示することをさらに含み、該第一のビデオフィードおよび該第二のビデオフィードはシャッター分離、偏光分離、および色分離のうちの少なくとも一つを使用して光学的に分離される、請求項２６に記載の方法。
31. 前記選択されたトラッキング点が光学的に追跡可能なマーカーを含む、請求項２６に記載の方法。
32. 前記光学的に追跡可能なマーカーが、前記対象の口内の腔にもしくは前記対象の口内の腔近くに配置される、請求項３１に記載の方法。
33. 前記光学的に追跡可能なマーカーが歯科レトラクタ上に配置される、請求項３１に記載の方法。
34. 前記選択されたトラッキング点が、少なくとも２つの無線周波数マーカーと通信するトラッキングトランシーバーを含み、該少なくとも２つの無線周波数マーカーに関しては前記収束点は該トラッキングトランシーバーの位置と相対的に決定される、請求項２６に記載の方法。
35. 前記収束点が前記トラッキング点からｘ、ｙ、およびｚ軸距離を有し、該収束点は該トラッキング点が動く場合に該トラッキング点と相対的に維持される、請求項２６に記載の方法。
36. 前記選択されたトラッキング点の動きが前記対象が動く場合に生じる、請求項２６に記載の方法。
37. 前記選択された距離が瞳孔間距離である、請求項２６に記載の方法。

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