JP2016027372A

JP2016027372A - ボアスコープおよびそのナビゲーション方法

Info

Publication number: JP2016027372A
Application number: JP2015088860A
Authority: JP
Inventors: ジャンジュン・グ; Jianjun Guo; ヨン・ヤン; Yong Yang; ジー・ハン; Jie Han; ジーロン・ツァイ; Zirong Zhai; ケヴィン・ジョージ・ハーディング; George Harding Kevin; グイジュ・ソン; Guiju Song; ミン・ジア; Ming Jia; グアンピン・シー; Guangping Xie; セー・ナム・リム; Ser Nam Lim
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-02-18
Also published as: EP2940508A1; CN105100682A; CN105100682B; US20150319410A1

Abstract

【課題】ボアスコープの検出ヘッドを正確に誘導するための位置捕捉手段を提供する。
【解決手段】ボアスコープ20は、挿入チューブ24、第１の画像プロセッサ、モデル記憶ユニット、姿勢計算機、第２の画像プロセッサ、ナビゲーション画像計算機、ディスプレイ220を含む。挿入チューブ24は、検出ヘッド242と、挿入チューブ24内の信号を受けて検知信号を発生させるセンサとを含む。第１の画像プロセッサは、検出ヘッド242によって捕捉される第１の画像信号に基づいて第１画像を計算する。第２の画像プロセッサは、第１画像とナビゲーション姿勢および所定モデルに基づいて計算される第２画像との間の差が許容範囲内に入るまで、姿勢計算機によって計算される初期姿勢をナビゲーション姿勢に合うように調整する。ナビゲーション画像計算機は、ナビゲーション姿勢と所定モデルとに基づいてナビゲーション画像３２５１,３２５２を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、一般にボアスコープに関し、特に、検出されるべき機械装置内のボアスコープの検出ヘッドのための正確な位置追跡機能を有するボアスコープ、および、その誘導方法に関する。

ボアスコープは、一般に、航空機エンジン、工業用ガスタービン、蒸気タービン、ディーゼルエンジン、および、自動車やトラックのエンジンなどの機械装置の視覚検査で使用される。ガスタービンおよび蒸気タービンは、安全性要件およびメンテナンス要件に起因して、特定の内部配慮を必要とする。

機械装置の複雑な内部表面の検査では、より一般的に、可撓性ボアスコープが使用される。ある場合には、ボアスコープの可撓性挿入チューブの先端に検出ヘッドが組み付けられる。より具体的には、検出ヘッドは、小型ビデカメラと、機械装置の内側の暗い空間内の深部のビデオ画像または静止画像を捕捉できるようにするための光源とを含む場合がある。遠隔視覚検査のための工具として、その後の検査のためにビデオ画像または静止画像を捕捉できることは、非常に大きな利点である。手持ち式操作器具のディスプレイはカメラ視野を表示し、また、ジョイスティック制御器または同様の制御器は、機械装置の内部要素の全体の検査のために検出ヘッドの動きを制御するあるいは操向するようになっている。

しかしながら、全体の検査は、通常、ボアスコープを適用することによって検出される機械装置内の全ての対象領域（ＲＯＩ）を網羅するために数日を要する。この長い検査時間をもたらす難題のうちの１つは、検出ヘッド（ボアスコープ先端）を何らかのＲＯＩへ誘導する際の困難性、および、検出ヘッドの小型ビデオカメラを所望の方向に誘導する際の困難性である。誘導視野は、検出ヘッドの位置を判断するためにオペレータに利用できる最も重要な情報である。ある状況下で、検出される機械装置内の検出ヘッドの正確な姿勢（位置および方向）は、検出される位置で想定し得る不具合を予測するため望ましく、また、更なる操作のためのオペレータの基準にとって望ましい。

これらの理由および他の理由により、検出ヘッドをより良く誘導するために、ボアスコープの検出ヘッドの正確な位置情報を捕捉できる新規なボアスコープおよびその誘導方法を提供する必要性がある。

本発明の一実施形態によれば、ボアスコープが提供される。ボアスコープは、挿入チューブと、第１の画像プロセッサと、モデル記憶ユニットと、姿勢計算機と、第２の画像プロセッサと、ナビゲーション画像計算機と、ディスプレイとを含む。挿入チューブは、検出ヘッドと、挿入チューブ内の信号を受けて検知信号を発生させるための少なくとも１つのセンサとを含む。第１の画像プロセッサは、検出ヘッドによって捕捉される第１の画像信号に基づいて第１画像を計算するためのものである。モデル記憶ユニットは、検出されるべき機械装置の所定モデルを記憶するためのものである。姿勢計算機は、検知信号に基づいて検出ヘッドの初期姿勢を計算するためのものである。第２の画像プロセッサは、第１画像とナビゲーション姿勢および所定モデルに基づいて計算される第２画像との間の差が許容範囲内に入るまで、初期姿勢をナビゲーション姿勢に合うように調整するためのものである。ナビゲーション画像計算機は、ナビゲーション姿勢と所定モデルとに基づいてナビゲーション画像を計算するためのものである。ディスプレイは、ナビゲーション画像を表示するためのものである。

本発明の他の実施形態によれば、ボアスコープの検出ヘッドを誘導するための方法が提供される。方法は、検出ヘッドから第１の画像信号を受けるとともに、少なくとも１つのセンサから検知信号を受けるステップを含む。方法は、検知信号に基づいて検出ヘッドの初期姿勢を計算するステップを含む。方法は、第１の画像信号に基づいて第１画像を計算するとともに、初期姿勢と所定モデルとに基づいて初期第２画像を計算するステップを含む。方法は、第１画像と初期第２画像との間の初期差を計算するステップを含む。方法は、第１画像とナビゲーション姿勢および所定モデルに基づいて計算される第２画像との間の差が許容範囲内に入るまで、初期姿勢をナビゲーション姿勢に合うように徐々に調整するステップを含む。方法は、所定モデルとナビゲーション姿勢とに基づいてナビゲーション画像を計算するステップを含む。方法は、ナビゲーション画像を表示するステップを含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および、利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれるときにより良く理解されるようになり、図面中、同様の文字は、図面の全体にわたって同様の部分を表す。

１つの典型的な実施形態に係る機械装置のための検査作業で使用されるボアスコープの概略図である。１つの典型的な実施形態に係る図１のボアスコープの挿入チューブの断面図である。１つの典型的な実施形態に係る図２の挿入チューブの形状検知ケーブルに配置される検出リード線の概略図である。１つの典型的な実施形態に係る図１のボアスコープのブロック図である。１つの典型的な実施形態に係る初期第２画像の調整プロセスの概略図である。１つの典型的な実施形態に係る図１のボアスコープの検出ヘッドを誘導するための方法のフローチャートである。１つの典型的な実施形態に係る図６の方法の初期姿勢を調整するためのステップのフローチャートである。他の典型的な実施形態に係る図６の方法の初期姿勢を調整するためのステップのフローチャートである。

別段に規定されなければ、本明細書中で使用される技術用語および科学用語は、この発明が属する当業者によって共通に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書中で使用される用語「第１」、「第２」などは、任意の順序、量、または、重要性を表しておらず、むしろ、１つの要素を他の要素から区別するために使用される。また、用語「１つ（ａ）」および「１つ（ａｎ）」は、量の限定を示しておらず、むしろ、参照された項目のうちの少なくとも１つの存在を示し、別段言及されなければ、説明の便宜のために使用されているにすぎず、任意の１つの位置または空間的方向に限定されない。

図１を参照すると、１つの典型的な実施形態に係る機械装置７０のための検査作業で使用されるボアスコープ２０の概略図が示される。ボアスコープ２０は、可撓性挿入チューブ２４と、手持ち式操作器具２２とを含む。幾つかの実施形態では、複数の開口（例えば、開口７１）が機械装置７０の表面上の幾つかの適切な位置に形成される。機械装置７０の内部要素を検出するときには、開口７１を通じて挿入チューブ２４が機械装置７０の検出空間７２内へ挿入される。一例として、検出空間７２は、図１に示されるチャンネル「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」，「Ｄ」，「Ｅ」，「Ｆ」などの多数のチャンネルを有してもよい。

幾つかの非限定的な実施形態では、挿入チューブ２４がその先端に検出ヘッド２４２を含む。検出ヘッド２４２は、機械装置７０の内部要素のビデオ画像または静止画像を捕捉するための小型ビデオカメラ（標示が付されない）を含んでもよい。幾つかの実施形態において、検出ヘッド２４２は、機械装置７０の暗い空間内の深部のビデオ画像または静止画像を捕捉できるようにする光源（標示が付されない）を含んでもよい。

手持ち式操作器具２２は、少なくとも検出ヘッド２４２の動きを制御するあるいは操向するための操作部２２２（例えば、ジョイスティック制御器）を含む。手持ち式操作器具２２はディスプレイ２２０を更に含み、ディスプレイ２２０は、小型ビデオカメラによって捕捉される内部要素５０１の対応するビデオ画像または静止画像３１３を表示するための第１の表示部２２４と、機械装置７０内の検出ヘッド２４２のナビゲーション画像３２５１または３２５２を表示するための第２の表示部２２６とを含んでもよい。幾つかの実施形態では、挿入チューブ２４の構成３２５３および／または検出ヘッド２４２のナビゲーション姿勢（例えば、位置Ｔおよび方向Ｒ）がナビゲーション画像３２５１中に示される。幾つかの実施形態では、検出ヘッド２４２を表すポイント３２５４および検出ヘッド２４２の情報（Ｔ，Ｒ）だけがナビゲーション画像３２５２中に示される。ナビゲーション画像３２５１，３２５２は二次元図または三次元図で示され得る。位置Ｔおよび方向Ｒは、三次元ベクトル、例えば、空間座標系（ｘ’，ｙ’，ｚ’）のＴ＝［Ｔｘ’，Ｔｙ’，Ｔｚ’］，Ｒ＝［Ｒｘ’，Ｒｙ’，Ｒｚ’］である。手持ち式操作器具２２は例示目的で示されるが、本明細書中に記載される機能を可能にする任意のタイプの器具が使用されてもよい。

通常、検出されるべき機械装置７０内の検出ヘッド２４２の正確なナビゲーション姿勢は、検出される位置で想定し得る不具合を予測してオペレータのその後の操作のための基準を与えるために望ましい。

図２を参照すると、１つの典型的な実施形態に係るボアスコープ２０の挿入チューブ２４の断面図が示される。観察機能を実施するために、挿入チューブ２４は、光源を与えるための２つの照明ケーブル２４１、カメラ信号を送信するための作業チャンネル２４３、検出ヘッド２４２を曲げるための４つの関節ケーブル２４５、および、電力を供給するための給電ケーブル２４７などの幾つかのケーブルをその内部に含んでもよい。前記ケーブルは、従来技術であり、したがって詳しく説明されない。ナビゲーション機能を実施するために、挿入チューブ２４は、挿入チューブ２４内に配置される形状検知ケーブル２４６を更に含む。この図示の実施形態では、形状検知ケーブル２４６が挿入チューブ２４の内面上に配置される。他の実施形態において、形状検知ケーブル２４６は、挿入チューブ２４の他の位置に配置され、例えば、挿入チューブ２４の最適な形状フィードバックを得てもよい挿入チューブ２４の中心に配置され得る。

一例として、形状検知ケーブル２４６は、十字形状の可撓性支持ロッド２４６２と、それぞれが支持ロッド２４６２の４つの角に配置される４本の検知リード線２４６３とを含む。１つの実施形態では、支持ロッド２４６２がガラス繊維または炭素繊維から形成されてもよいが、これに限定されない。他の実施形態では、支持ロッド２４６２の形状を変えることができ、また、検知リード線２４６３の数を調整することができる。

図３を参照すると、１つの典型的な実施形態に係る図２の挿入チューブの形状検知ケーブル２４６内に配置される検知リード線２４６３の概略図が示される。検知リード線２４６３は、センサ２４６５と、複数の検知ポイント２４６４とを含む。非限定的な実施形態では、検知リード線２４６３が光ファイバを備えてもよく、また、少なくとも１つの検知ポイント２４６４がファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を含んでもよい。検知ポイント２４６４の数は、ナビゲーション機能の精度要件に基づいて決定される。幾つかの実施形態において、センサ２４６５は、各検知ポイント２４６４で反射されて戻される光信号を受けるとともに、適切なアルゴリズムに基づいて挿入チューブ２４の形状を計算するための検知信号を発生するために、検知リード線２４６３の端部に取り付けられる。

幾つかの実施形態において、各検知ポイント２４６４は、歪みゲージまたは他の圧電材料に基づくセンサを含んでもよい。それぞれの検知ポイント２４６４の各センサは、歪み変化信号を受けて、適切なアルゴリズムに基づいて挿入チューブ２４の形状を計算するための検知信号を発生するために使用される。

他の実施形態において、センサ２４６５は、検出ヘッド２４２に取り付けられる加速器およびジャイロスコープを含む。したがって、慣性に基づくナビゲーションアルゴリズムを実施することにより、加速器およびジャイロスコープの検知信号に基づき、検出ヘッド２４２の姿勢を計算することができる。

図４を参照すると、１つの典型的な実施形態に係る図１のボアスコープ２０のブロック図が示される。前述したように、手持ち式操作器具２２は、操作部２２２を通じて検出ヘッド２４２を制御するとともに、ディスプレイ２２０を通じて検出ヘッド２４２の捕捉されたビデオ画像または静止画像３１３と計算されたナビゲーション画像３２５とを表示するために使用される。幾つかの実施形態では、手持ち式操作器具２２が内部に埋め込まれるプロセッサ３００を含んでもよく、該プロセッサは、操作部２２２、ディスプレイ２２０、検出ヘッド２４２、および、センサ２４６５と通信する。幾つかの実施形態において、プロセッサ３００は、手持ち式操作器具２２のサイズおよび重量を最小限に抑えるべく外部処理装置（例えばコンピュータ）内に配置されてもよい。

ビデオ機能または画像観察機能を実施するために、プロセッサ３００は検出ヘッドコントローラ３０２および第１の画像プロセッサ３０４を含む。検出ヘッドコントローラ３０２は、操作部２２２から制御信号を受けるとともに、撮像角度、順方向、および、照明グレード等を調整するなど、検出プロセスにおいて検出ヘッド２４２を制御するために使用される。

図１に示される内部要素５０１の画像を捕捉した後、図２に示される作業チャンネル２４３は、対応する第１の画像信号３１１を第１の画像プロセッサ３０４へ送信するために使用される。第１の画像プロセッサ３０４は、第１の画像信号３１１を受けた後、ディスプレイ２２０の第１の表示部２２４内で第１の画像信号を随意的に示すために対応するビデオ画像または静止画像３１３を計算するべく使用される。

第１の画像プロセッサ３０４は、第１の画像信号３１１に基づいて第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２を計算するための第１の画像計算機３０５を更に含む。ここで、Ｆ１（ｘ，ｙ）は平面座標系（ｘ，ｙ）内の関数である。図５を参照すると、図５の（ａ）部分に示されるように、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２は、捕捉された内部要素５０１の複数の特徴点（例えば、１，２，３，・・・ｎ）を含んでもよい。幾つかの実施形態において、特徴点は、勾配演算子アルゴリズムなどの適切なアルゴリズムによって計算され得る複数の端点を含む。幾つかの実施形態において、特徴点は、他の点および線を含んでもよく、あるいは、内部要素５０１の画像を構成するために使用され得る任意の他の幾何学的情報を含んでもよい。

図４に戻って参照すると、ナビゲーション機能を実施するために、プロセッサ３００は、モデル記憶ユニット３０６、姿勢計算機３０７、第２の画像プロセッサ３１４、および、ナビゲーション画像計算機３１０を更に含む。

モデル記憶ユニット３０６は、検出された機械装置７０にしたがって決定される所定モデル３１８を記憶するために使用される。すなわち、所定モデル３１８の形態は、検出された機械装置７０の形態と同じである。モデル記憶ユニット３０６は、検出されるべき異なる種類の機械装置に対応する多くのモデルを記憶してもよい。幾つかの実施形態では、所定モデル３１８が二次元モデルまたは三次元モデルであってもよい。

姿勢計算機３０７は、少なくとも１つのセンサ２４６５から検知信号３１６を受けるとともに、その検知信号３１６に基づいて検出ヘッド２４２の初期姿勢３１７を計算するために使用される。初期姿勢３１７は、検出された装置７０内の検出ヘッド２４２の初期位置Ｔ１および初期方向Ｒ１を含む。通常、検出ヘッド２４２の初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７は、機械装置７０内の挿入チューブ２４の挿入長さによるエラー蓄積に起因して十分に正確ではない。したがって、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７は、検出ヘッド２４２をより正確に誘導するべく調整される必要がある。

第２の画像プロセッサ３１４は、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と第２画像Ｆ２_Tnav,Rnav（ｘ，ｙ）３２２との間の差が許容範囲内に入るまで初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７をナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４に合うように徐々に調整するべく使用される。ここで、第２画像Ｆ２_Tnav,Rnav（ｘ，ｙ）３２２は、ナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４と所定モデル３１８とに基づいて計算される。幾つかの実施形態では、空間座標系（ｘ’，ｙ’，ｚ’）内の第２画像Ｆ２_Tnav,Rnav（ｘ’，ｙ’，ｚ’）をナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ＝［Ｔｘ’，Ｔｙ’，Ｔｚ’］，Ｒｎａｖ＝［Ｒｘ’，Ｒｙ’，Ｒｚ’］）と三次元所定モデル３１８とに基づいて直接に計算することができる。このとき、空間座標系（ｘ’，ｙ’，ｚ’）から平面座標系（ｘ，ｙ）への変換後、平面座標系（ｘ，ｙ）内の第２画像Ｆ２_Tnav,Rnav（ｘ，ｙ）３２２を計算できる。

より特定の用途では、第２の画像プロセッサ３１４が第２の画像計算機３０８と画像解析ユニット３０９とを含む。図４および図５を一緒に参照すると、第２の画像計算機３０８は、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７と所定モデル３１８とに基づいて初期第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１を計算するために使用される。第２の画像計算機３０８は、必要に応じて画像解析ユニット３０９によって計算される対応する調整された姿勢３２３（例えば、（Ｔ２，Ｒ２）、（Ｔ３，Ｒ３）および（Ｔ４，Ｒ４））と所定モデル３１８とに基づいてＦ２_T2,R2（ｘ，ｙ）３２２２、Ｆ２_T3,R3（ｘ，ｙ）３２２３、および、Ｆ２_T4,R4（ｘ，ｙ）３２２４などの少なくとも１つの調整された第２画像３２２を計算するために更に使用される。図５に示されるように、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と同様、第２画像３２２（例えば、初期第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１）は、内部要素５０１の複数の対応する特徴点（例えば、１’，２’，３’，・・・ｎ）を含む。

幾つかの実施形態において、画像解析ユニット３０９は、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と初期第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１との間の初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）を計算するために使用される。画像解析ユニット３０９は、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２とＦ２_T2,R2（ｘ，ｙ）３２２２、Ｆ２_T3,R3（ｘ，ｙ）３２２３、および、Ｆ２_T4,R4（ｘ，ｙ）３２２４などの調整された第２画像Ｆ２_Tk+1,Rk+1（ｘ，ｙ）３２２との間の調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）（ｋ≧１）を計算するために更に使用される。画像解析ユニット３０９は、初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）と調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）との間の変化ΔＥｋを計算するために更に使用される。画像解析ユニット３０９は、変化ΔＥｋが許容範囲内に入るかどうかを決定して、変化ΔＥｋが許容範囲から外れる場合には、変化ΔＥｋが許容範囲内に入るまで、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７を調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３に合うように徐々に調整するべく更に使用される。変化ΔＥｋが許容範囲内に入った時点で、対応する調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３がナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４として出力され、例えば図５に示される（Ｔ４，Ｒ４）などが前記計算後のナビゲーション姿勢３２４である。

他の実施形態において、画像解析ユニット３０９は、第１画像３１２と初期第２画像３２２１との間の差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）または第１画像３１２と調整された第２画像３２２２，３２２３，３２２４との間の差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が許容範囲内に入るかどうかを決定し、差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）、Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が許容範囲から外れる場合には、差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）、Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が許容範囲内に入るまで、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７を調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３に合うように徐々に調整するべく更に使用される。差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）、Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が許容範囲内に入った時点で、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７または対応する調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３がナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４として出力され、例えば図５に示される（Ｔ４，Ｒ４）などが前記計算後のナビゲーション姿勢３２４である。

ナビゲーション画像計算機３１０は、ナビゲーション姿勢３２４および所定モデル３１８を受けた後、ナビゲーション姿勢３２４と所定モデル３１８とに基づいてナビゲーション画像３２５を計算するために使用される。図示のナビゲーション画像３２５は二次元画像または三次元画像である。その後、ナビゲーション画像３２５は、検出される位置で想定し得る不具合を予測してその後の操作のための基準情報をオペレータに与えるためにディスプレイ２２０の第２の部分２２６に示される。幾つかの実施形態では、より多くの基準情報を与えるために、ナビゲーション姿勢３２４もディスプレイ２２０に示される。

図５を参照すると、１つの典型的な実施形態に係る初期第２画像３２２１の調整の概略図が示される。以下、図４に示されるボアスコープのブロック図と組み合わせて、調整プロセスについて詳しく説明する。

幾つかの実施形態では、少なくとも１つの調整プロセスが第２の画像プロセッサ３１４で実施される。第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と第２画像Ｆ２_Tk,Rk（ｘ，ｙ）３２２との間の差Ｅ（Ｔｋ，Ｒｋ）を以下の方程式にしたがって計算できる。

ここで、差Ｅ（Ｔｋ，Ｒｋ）は、Ｆ１（ｘ，ｙ）のそれぞれの点１，２，３，・・・，ｎとＦ２_Tk,Rk（ｘ，ｙ）の対応する点１’，２’，３’，・・・，ｎとの間のエラーの蓄積によって計算される。他の実施形態において、Ｅ（Ｔｋ，Ｒｋ）は、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と第２画像Ｆ２_Tk,Rk（ｘ，ｙ）３２２との間のエラーを表すために使用され得る関数である。

一例として、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２および初期第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１は、図５の（ａ）部分に示されるように計算される。その後、ｋ＝１のときの方程式（１）にしたがって初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）を計算することができる。

画像解析ユニット３０９は、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７を調整された姿勢（Ｔ２，Ｒ２）３２３に合わせるように調整するべく使用される。図５の（ｂ）部分に示されるように調整された姿勢（Ｔ２，Ｒ２）３２３に基づいて第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１をＦ２_T2,R2（ｘ，ｙ）３２２２に合わせるように再計算することができる。その後、ｋ＝２のときの方程式（１）にしたがってＥ（Ｔ２，Ｒ２）を計算することができる。変化差ΔＥ１＝Ｅ（Ｔ２，Ｒ２）−Ｅ（Ｔ１，Ｔ１）を計算することができる。一例として、ΔＥ１が所定の許容範囲（例えば、［−０．００５，０］）から外れ、調整された姿勢（Ｔ２，Ｒ２）が依然として正確でないとして決定される。

その後、画像解析ユニット３０９は、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７を他の調整された姿勢（Ｔ３，Ｒ３）３２３に合わせるように調整するべく使用される。図５の（ｃ）部分に示されるように第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１をＦ２_T3,R3（ｘ，ｙ）３２２３に合わせるように再計算することができる。その後、ｋ＝３のときの方程式（１）に基づいてＥ（Ｔ３，Ｒ３）を計算することができる。変化差ΔＥ２＝Ｅ（Ｔ３，Ｒ３）−Ｅ（Ｔ１，Ｔ１）を計算することができる。一例として、ΔＥ２が所定の許容範囲（例えば、［−０．００５，０］）から外れ、調整された姿勢（Ｔ３，Ｒ３）３２３が依然として正確でないとして決定される。

その後、画像解析ユニット３０９は、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７を他の調整された姿勢（Ｔ４，Ｒ４）３２３に合わせるように調整するべく使用される。図５の（ｄ）部分に示されるように第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１をＦ２_T4,R4（ｘ，ｙ）３２２４に合わせるように再計算することができる。その後、ｋ＝４のときの方程式（１）に基づいてＥ（Ｔ４，Ｒ４）を計算することができる。変化差ΔＥ３＝Ｅ（Ｔ４，Ｒ４）−Ｅ（Ｔ１，Ｔ１）を計算することができる。一例として、ΔＥ３が所定の許容範囲（例えば、［−０．００５，０］）から外れ、調整された姿勢（Ｔ４，Ｒ４）が十分に正確であると決定される。最後に、画像解析ユニット３０９は、調整された姿勢（Ｔ４，Ｒ４）３２３をナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４として出力する。

幾つかの実施形態において、調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３は、以下の方程式のように、初期位置Ｔ１および初期方向Ｒ１のそれぞれに対して補償位置ΔＴｋおよび補償方向ΔＲｋを加えることによって計算される。

Ｔｋ＋１＝Ｔ１＋ΔＴｋ（ｋ≧１）（２）
Ｒｋ＋１＝Ｒ１＋ΔＲｋ（ｋ≧１）（３）
幾つかの実施形態では、ΔＴｋ，ΔＲｋのうちの少なくとも一方のステップ長が固定されるとともに、ΔＴｋ，ΔＲｋのうちの少なくとも一方の方向が可変である。例えば、ΔＴ１＝［０．００５，−０．０００５，０．０００５］，ΔＲ１＝［０．５°，−０．５°，０．５°］、および、ΔＴ２＝［０．００５，−０．０００５，−０．０００５］，ΔＲ２＝［０．５°，−０．５°，−０．５°，］である。幾つかの実施形態では、ΔＴｋおよびΔＲｋが可変である。幾つかの実施形態において、ΔＴｋおよびΔＲｋは、差Ｅ（Ｔｋ，Ｒｋ）の収束速度をゼロの値まで加速するためのＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄアルゴリズムなどの収束アルゴリズムによって計算される。

幾つかの実施形態では、調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が常に初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）よりも小さくなると見込まれる。Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）がＥ（Ｔ１，Ｒ１）よりも大きい場合、それは、調整が正しい方向にないことを意味する。この場合には、調整が方向を変えるべきである。例えば、ΔＴｋ＝（０．０００５，０．０００５，０．０００５）およびΔＴｋ＋１＝（−００００５，０．０００５，０．０００５）である。Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）がＥ（Ｔ１，Ｒ１）よりも小さいと同時に、ΔＥｋが許容範囲から外れたままである場合、それは、調整が正しい方向にあることを意味する。調整がステップ長を継続しあるいは変更すべきである。例えば、ΔＴｋ＝（−０．０００５，０．０００５，０．０００５）およびΔＴｋ＋１＝（−０．０００１，０．０００１，０．０００１）である。

図６を参照すると、１つの典型的な実施形態に係る図１のボアスコープ２０の検出ヘッド２４２を誘導するための方法のフローチャートが示される。方法６００は、プロセッサ３００によって実行されるとともに、以下のステップを含む。

ブロック６０１では、検出動作中、第１の画像信号３１１が検出ヘッド２４２から受けられるとともに、検知信号３１６が少なくとも１つのセンサ２４６５から受けられる。

ビデオ機能または画像観察機能を実施するために、ステップ６２１，６２３が更に含まれる。ブロック６２１では、第１の画像信号３１１に基づいて対応するビデオ画像または静止画像３１３が計算される。ブロック６２３では、対応するビデオ画像または静止画像３１３がディスプレイ２２０に示される。

ナビゲーション機能を実施するために、ステップ６０３〜６１３が含まれる。

ブロック６０３では、検知信号３１６に基づいて検出ヘッド２４２の初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７が計算される。

ブロック６０５では、第１の画像信号３１１に基づいて第１画像３１２が計算されるとともに、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７と所定モデル３１８とに基づいて初期第２画像３２２が計算される。

ブロック６０７では、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と初期第２画像Ｆ２_T1,R1（ｘ，ｙ）３２２１との間の初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）が計算される。

ブロック６０９では、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と第２画像Ｆ２_Tnav,Rnav（ｘ，ｙ）３２２との間の対応する差Ｅ（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）が許容範囲内に入るまで、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７がナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４に合うように徐々に調整される。

ブロック６１１では、所定モデル３１８とナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４とに基づいてナビゲーション画像３２５が計算される。

ブロック６１３では、ナビゲーション画像３２５がディスプレイ２２０に示される。

図７を参照すると、別の典型的な実施形態に係る図６の方法の初期姿勢を調整するためのステップのフローチャートが示される。より具体的には、ステップ６０９が以下のサブステップを含む。

ブロック６０９１では、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７が調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）（ｋ≧１）３２３に合うように調整される。

ブロック６０９２では、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と調整された第２画像Ｆ２_Tk+1,Rk+1（ｘ，ｙ）３２２とに基づいて調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が計算される。調整された第２画像Ｆ２_Tk+1,Rk+1（ｘ，ｙ）３２２は、調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３に基づいて計算される。

ブロック６０９３では、調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）と初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）との間の変化ΔＥｋが計算される。

ブロック６０９４では、変化ΔＥｋが所定の範囲［Ｅｌ，Ｅｈ］内に入るかどうかが決定される。所定の範囲内に入らない場合には、プロセスがブロック６０９１へ戻り、ｙｅｓの場合には、プロセスがブロック６０９５へ移行する。

ブロック６０９５では、調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３がナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４として出力される。

図８を参照すると、１つの典型的な実施形態に係る図６の方法の初期姿勢を調整するためのステップのフローチャートが示される。ステップ６０９は以下のサブステップを含む。

ブロック６０９６では、初期差Ｅ（Ｔ１，Ｒ１）または調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）（ｋ≧１）が所定の範囲［Ｅｌ，Ｅｈ］内に入るかどうかが決定される。所定の範囲内に入らない場合には、プロセスがブロック６０９７へ移行し、ｙｅｓの場合には、プロセスがブロック６０９９へ移行する。

ブロック６０９７では、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７が調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３に合うように調整される。

ブロック６０９８では、第１画像Ｆ１（ｘ，ｙ）３１２と調整された第２画像Ｆ２_Tk+1,Rk+1（ｘ，ｙ）３２２とに基づいて調整された差Ｅ（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）が計算される。調整された第２画像Ｆ２_Tk+1,Rk+1（ｘ，ｙ）３２２は、調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３に基づいて計算される。そして、プロセスがブロック６０９６へ戻る。

ブロック６０９９では、初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７または調整された姿勢（Ｔｋ＋１，Ｒｋ＋１）３２３がナビゲーション姿勢（Ｔｎａｖ，Ｒｎａｖ）３２４として出力される。

初期姿勢（Ｔ１，Ｒ１）３１７が徐々に調整されるため、それにしたがって、対応する第２画像３２２が調整される。第１画像３１２と第２画像３２２との間の差が徐々に減少される。その後、先の方法６００によって正確なナビゲーション画像３２５を得ることができ、オペレータは、挿入チューブ２４のナビゲーション画像３２５または検出された機械装置７０内の検出ヘッド２４２の位置を監視することにより、挿入された検出チャンネル／ポイントを正確に特定することができる。

言うまでもなく、当業者は、異なる実施形態からの様々な特徴の互換性を認識することができ、また、記載される様々な特徴、および、それぞれの特徴における他の既知の等価物は、この開示の原理にしたがって更なるシステムおよび技術を構成するために、この技術分野における当業者によって混ぜ合わされて適合されてもよい。したがって、言うまでもなく、添付の特許請求項は、発明の真の思想内に入るそのような全ての改良および変更を網羅するようになっている。

また、当該技術分野に精通する者によって理解されるように、本発明は、本発明の思想または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現化されてもよい。したがって、本明細書中の開示および説明は、以下の特許請求項に記載される発明の例示であって、本発明の範囲を限定しようとするものではない。

２０ボアスコープ
２２手持ち式操作器具
２４挿入チューブ
７０機械装置
７１開口
７２検出空間
２２０ディスプレイ
２２２操作部
２２４第１の表示部
２２６第２の表示部
２４１照明ケーブル
２４２検出ヘッド
２４３作業チャンネル
２４５関節ケーブル
２４６形状検知ケーブル
２４７給電ケーブル
３００プロセッサ
３０２検出ヘッドコントローラ
３０４第１の画像プロセッサ
３０５第１の画像計算機
３０６モデル記憶ユニット
３０７姿勢計算機
３０８第２の画像計算機
３０９画像解析ユニット
３１０ナビゲーション画像計算機
３１１第１の画像信号
３１２第１画像
３１３ビデオ画像または静止画像
３１４第２の画像プロセッサ
３１６検知信号
３１７初期姿勢
３１８所定モデル
３２２第２画像
３２３調整された姿勢
３２４ナビゲーション姿勢
３２５ナビゲーション画像
５０１内部要素
６０１ステップ、ブロック
６０３ステップ、ブロック
６０５ステップ、ブロック
６０７ステップ、ブロック
６０９ステップ、ブロック
６１１ステップ、ブロック
６１３ステップ、ブロック
６２１ステップ、ブロック
６２３ステップ、ブロック
２４６２支持ロッド
２４６３検知リード線
２４６４検知ポイント
２４６５センサ
３２２１初期第２画像
３２２２、３２２３、３２２４第２画像
３２５１ナビゲーション画像
３２５２ナビゲーション画像
３２５３挿入チューブの構成
３２５４ポイント
６０９１ブロック
６０９２ブロック
６０９３ブロック
６０９４ブロック
６０９５ブロック
６０９６ブロック
６０９７ブロック
６０９８ブロック
６０９９ブロック

Claims

検出ヘッド（２４２）を備える挿入チューブ（２４）であって、前記挿入チューブ（２４）内の信号を受けて検知信号（３１６）を発生させるための少なくとも１つのセンサ（２４６５）を備える挿入チューブ（２４）と、
前記検出ヘッド（２４２）によって捕捉される第１の画像信号（３１１）に基づいて第１画像（３１２）を計算するための第１の画像プロセッサ（３０４）と、
検出されるべき機械装置（７０）の所定モデル（３１８）を記憶するためのモデル記憶ユニット（３０６）と、
前記検知信号（３１６）に基づいて前記検出ヘッド（２４２）の初期姿勢（３１７）を計算するための姿勢計算機（３０７）と、
前記第１画像（３１２）とナビゲーション姿勢（３２４）および前記所定モデル（３１８）に基づいて計算される第２画像（３２２）との間の差が許容範囲内に入るまで、前記初期姿勢（３１７）を前記ナビゲーション姿勢（３２４）に合うように調整するための第２の画像プロセッサ（３１４）と、
前記ナビゲーション姿勢（３２４）と前記所定モデル（３１８）とに基づいてナビゲーション画像（３２５）を計算するためのナビゲーション画像計算機（３１０）と、
前記ナビゲーション画像（３２５）を表示するためのディスプレイ（２２０）と、
を備えるボアスコープ（２０）。
前記第２の画像プロセッサ（３１４）は、
第２の画像計算機（３０８）であって、
前記初期姿勢（３１７）に基づいて初期第２画像（３２２１）を計算し、
画像解析ユニット（３０９）により計算される対応する調整された姿勢（３２３）と前記所定モデル（３１８）とに基づいて少なくとも１つの調整された第２画像（３２２）を計算する、
第２の画像計算機（３０８）と、
画像解析ユニット（３０９）であって、
前記第１画像（３１２）と前記初期第２画像（３２２１）との間の初期差を計算し、
前記第１画像（３１２）と前記調整された第２画像（３２２）との間の調整された差を計算し、
前記初期差と前記調整された差との間の変化を計算し、
前記変化が許容範囲内に入るかどうかを決定して、前記変化が許容範囲内に入るまで前記初期姿勢（３１７）を徐々に調整し、
前記対応する調整された姿勢（３２３）を前記ナビゲーション姿勢（３２４）として出力する、
画像解析ユニット（３０９）と、
を備える請求項１に記載のボアスコープ（２０）。
前記第２の画像プロセッサ（３１４）は、
第２の画像計算機（３０８）であって、
前記初期姿勢（３１７）に基づいて初期第２画像（３２２１）を計算し、
画像解析ユニット（３０９）により計算される対応する調整された姿勢（３２３）と前記所定モデル（３１８）とに基づいて少なくとも１つの調整された第２画像（３２２）を計算する、
第２の画像計算機（３０８）と、
画像解析ユニット（３０９）であって、
前記第１画像（３１２）と前記初期第２画像（３２２１）との間の差または前記第１画像（３１２）と前記調整された第２画像（３２２）との間の差が許容範囲内に入るかどうかを決定して、前記差が許容範囲内に入るまで前記初期姿勢（３１７）を徐々に調整し、
前記対応する調整された姿勢（３２３）を前記ナビゲーション姿勢（３２４）として出力する、
画像解析ユニット（３０９）と、
を備える請求項１に記載のボアスコープ（２０）。
前記初期姿勢（３１７）は、前記検出ヘッド（２４２）の初期位置および初期方向を備える請求項１に記載のボアスコープ（２０）。
前記調整された姿勢（３２３）は、補償位置を前記初期位置に加えることによってあるいは補償方向を前記初期方向に加えることによって得られる請求項４に記載のボアスコープ（２０）。
前記補償位置および前記補償方向のうちの少なくとも一方のステップ長が固定される請求項５に記載のボアスコープ（２０）。
前記補償位置および前記補償方向が可変である請求項５に記載のボアスコープ（２０）。
前記補償位置および前記補償方向は、前記差の収束速度をゼロの値まで加速するための収束アルゴリズムによって計算される請求項７に記載のボアスコープ（２０）。
前記収束アルゴリズムがＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄアルゴリズムを備える請求項８に記載のボアスコープ（２０）。
前記検知信号（３１６）が光信号または歪み変化信号を備える請求項１に記載のボアスコープ（２０）。
ボアスコープ（２０）の検出ヘッド（２４２）を誘導するための方法であって、
前記検出ヘッド（２４２）から第１の画像信号（３１１）を受けるとともに、少なくとも１つのセンサ（２４６５）から検知信号（３１６）を受けるステップと、
前記検知信号（３１６）に基づいて前記検出ヘッド（２４２）の初期姿勢（３１７）を計算するステップと、
第１の画像信号（３１１）に基づいて第１画像（３１２）を計算するとともに、前記初期姿勢（３１７）と所定モデル（３１８）とに基づいて初期第２画像（３２２１）を計算するステップと、
前記第１画像（３１２）と前記初期第２画像（３２２１）との間の初期差を計算するステップと、
前記第１画像（３１２）とナビゲーション姿勢（３２４）および前記所定モデル（３１８）に基づいて計算される第２画像（３２２）との間の差が許容範囲内に入るまで、前記初期姿勢（３１７）を前記ナビゲーション姿勢（３２４）に合うように徐々に調整するステップと、
前記所定モデル（３１８）と前記ナビゲーション姿勢（３２４）とに基づいてナビゲーション画像（３２５）を計算するステップと、
前記ナビゲーション画像（３２５）を表示するステップと、
を備える方法。
前記第１の画像信号（３１１）に基づいて対応するビデオ画像または静止画像（３１３）を計算するステップと、
対応するビデオ画像または静止画像（３１３）を表示するステップと、
を更に備える請求項１１に記載の方法。
前記調整するステップは、
ａ）前記初期姿勢（３１７）を調整された姿勢（３２３）に合うように調整するステップと、
ｂ）前記第１画像（３１２）と、前記調整された姿勢（３２３）および前記所定モデル（３１８）に基づく調整された第２画像（３２２）とに基づいて、調整された差を計算するステップと、
ｃ）前記調整された差と前記初期差との間の変化を計算するステップと、
ｄ）前記変化が所定の範囲内に入るかどうかを決定し、所定の範囲内に入る場合にはプロセスがステップｅ）へ移行し、所定の範囲内に入らない場合にはプロセスがステップａ）に戻る、ステップと、
ｅ）前記調整された姿勢（３２３）を前記ナビゲーション姿勢（３２４）として出力するステップと、
を備える請求項１１に記載の方法。
前記調整するステップは、
ａ）前記第１画像（３１２）と前記第２画像（３２２）との間の初期差または調整された差が所定の範囲内に入るかどうかを決定し、所定の範囲内に入らない場合にはプロセスがステップｂ）へ移行し、所定の範囲内に入る場合にはプロセスがステップｄ）へ移行する、ステップと、
ｂ）前記初期姿勢（３１７）を調整された姿勢（３２３）に合うように調整するステップと、
ｃ）前記第１画像（３１２）と、前記調整された姿勢（３２３）および前記所定モデル（３１８）に基づいて計算される調整された第２画像（３２２）とに基づいて、調整された差を計算し、その後、プロセスがステップａ）へ戻る、ステップと、
ｄ）前記初期姿勢（３１７）または前記調整された姿勢（３２３）を前記ナビゲーション姿勢（３２４）として出力するステップと、
を備える請求項１１に記載の方法。
前記初期姿勢（３１７）は、前記検出ヘッド（２４２）の初期位置および初期方向を備える請求項１１に記載の方法。
前記調整された姿勢（３２３）は、補償位置を前記初期位置に加えることによっておよび補償方向を前記初期方向に加えることによって得られる請求項１１に記載の方法。
前記補償位置および前記補償方向のうちの少なくとも一方のステップ長が固定される請求項１６に記載の方法。
前記補償位置および前記補償方向が可変である請求項１６に記載の方法。
前記補償位置および前記補償方向は、前記差の収束速度をゼロの値まで加速するための収束アルゴリズムによって計算される請求項１８に記載の方法。
前記収束アルゴリズムがＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄアルゴリズムを備える請求項１９に記載の方法。