JP2023000957A - Handpiece tip position and orientation detection device, handpiece guidance system, and handpiece guidance assistance system - Google Patents

Handpiece tip position and orientation detection device, handpiece guidance system, and handpiece guidance assistance system Download PDF

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Abstract

To develop a magnetic field vector sensor grid using GSR sensors and install the same in a tip of a handpiece so as to enable detection of the position and orientation of a fine magnet, and to realize a guidance system for automatic detection.SOLUTION: Magnetic field vector sensors having a detection power of 10 nT or less and a magnetic field vector sensor grid are developed to measure a magnetic field generated by a magnet 72, and the position and orientation of the magnet is highly accurately detected by inputting the measurements into a Gauss-Newton method-based computation method after appropriately selecting an error in and the number of input datasets.SELECTED DRAWING: Figure 11

Description

本発明は、口腔内の歯にミニ磁石を貼り付けて、ハンドピースに磁界ベクトルセンサグリッドを取り付けて、ハンドピースと磁石体との位置関係を測定して、それを基準にハンドピースの位置と方位を高精度かつリアルタイムに計測する検出装置および誘導システムに関するものである。 The present invention attaches mini magnets to the teeth in the oral cavity, attaches a magnetic field vector sensor grid to the handpiece, measures the positional relationship between the handpiece and the magnet, and determines the position of the handpiece based on that. The present invention relates to a detection device and a guidance system for measuring azimuth with high precision and in real time.

歯科のインプラント治療分野においては、インプラント埋設ホールとハンドピースの位置方位関係の高精度な計測とハンドピースを誘導するシステムの開発に関するニーズが高まっている。
光学的な位置方位関係を計測する方法が開発されている(非特許文献1)が、精度が悪くて直接的に口腔内でハンドピースを誘導することができていない。そのため、複雑な間接的な方法、つまり、口腔内の模型を作製し、模型とマウスピースに取り付けた光学的マーカを使って、模型上でハンドピースと光学的マーカの位置方位関係のデータを取りながら、模型上の治療を行い、その際のハンドピースの誘導軌跡をコンピュータに記憶させ、このデータに基づいて実際の治療を自動制御で行うが、その際、口腔内治療箇所とでハンドピースの相対的な位置関係をハンドピースとマウスピースに取り付けた光学的マーカとの位置方位関係を計測して、補正しながら治療を行っている。
In the field of dental implant treatment, there is an increasing need for the development of a system for highly accurate measurement of the position-orientation relationship between the implant-embedded hole and the handpiece and for guiding the handpiece.
A method for optically measuring the position-orientation relationship has been developed (Non-Patent Document 1), but the accuracy is poor and the handpiece cannot be directly guided in the oral cavity. Therefore, a complex indirect method, that is, by creating an intraoral model and using optical markers attached to the model and the mouthpiece, obtains position-orientation data of the handpiece and optical markers on the model. While performing treatment on the model, the guidance trajectory of the handpiece at that time is stored in the computer, and based on this data, the actual treatment is automatically controlled. Treatment is performed while correcting the relative positional relationship by measuring the positional relationship between the handpiece and the optical marker attached to the mouthpiece.

磁石式は、口腔内に基準となる磁石マーカを歯に取り付けて、患者側に固定し設置した磁気センサグリッドを取り付けて、ハンドピースの位置と方位を計測するものである。簡便ではあるが、磁石体マーカとしては歯のサイズを最大の大きさとすると、幅4mm、長さ8mm程度の小さなものしか使用できないために優れた測定精度を実現するのは非常に困難である。しかも外部で磁石体マーカが発する微小磁界を感度よく計測する磁界ベクトルセンサは、開発されておらず、その結果現状では磁石式位置決め精度が1~5mmと市場が要求する0.1mm以下の精度と比べると大幅に劣るものしか開発されていない。また既存開発品の測定速さは1Hzと遅く、大幅な改善が求められている。 The magnetic type measures the position and orientation of the handpiece by attaching a magnetic marker to the teeth as a reference in the oral cavity and attaching a magnetic sensor grid that is fixed and installed on the patient's side. Although it is simple, it is very difficult to achieve excellent measurement accuracy because only a small magnetic marker with a width of 4 mm and a length of 8 mm can be used if the tooth size is the maximum size. Moreover, a magnetic field vector sensor capable of sensitively measuring minute magnetic fields emitted by external magnetic markers has not yet been developed. Only significantly inferior ones have been developed. In addition, the measurement speed of the existing developed product is as slow as 1 Hz, and significant improvement is required.

特許文献1に、磁石式の位置方位算出システムが開示されている。これは、4.8×10-9Wbm程度の磁気モーメントを有するNdFeB磁石(サイズは0.8mm×2.5mm、3個の磁石)を、1nT程度の磁界検出力を有するFGセンサなどからなる3軸の磁界センサを使って、磁石体マーカの位置の計測を可能にしたものである。この開示によると、磁石側が移動し、外部に固定された磁気センサで磁石体マーカの位置をトレースする方法である。ハンドピースと歯に張り付けた磁石体マーカとは、ハンドピースと患者自体にも動きがあり、磁石体マーカの位置も動くというもので、この開示をそのまま活用することはできない。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200001 discloses a magnet type position/orientation calculation system. This consists of an NdFeB magnet (size: 0.8 mm × 2.5 mm, three magnets) with a magnetic moment of about 4.8 × 10 -9 Wbm, and an FG sensor with a magnetic field detection power of about 1 nT. A three-axis magnetic field sensor is used to enable measurement of the position of the magnetic marker. According to this disclosure, a method is provided in which the magnet side moves and traces the position of the magnet body marker with an externally fixed magnetic sensor. The magnetic markers attached to the handpiece and teeth mean that the handpiece and the patient themselves move, and the positions of the magnetic markers also move, so this disclosure cannot be used as it is.

さらに、位置精度は4mm程度と、インプラント治療が求めている位置精度0.5mm以下に比べると大幅に性能が劣るものである。この主な原因は、磁界ベクトルセンサを使用していないため、3軸の磁界センサの相互の測定値の位置の間に大きなずれがあるためと思われる。本文献には、使用されている3軸磁気センサ(特許文献1、図2)は正確には記載されていないが、磁界センサの径を3mmから5mmと仮定すると,およそ各磁界センサが測定する位置は、1.5mmから2.5mm程度相互にずれることになり、この相互誤差が本開示の位置精度を大幅に損なう原因になっていると思われる。
また、この開示は、磁界ベクトルセンサを使用していないため、ガウスニュートン法に従って計算することができない。そのため、磁界勾配を活用した反復プロセスを行って、測定値と理論値の誤差を最小限にするX、Y、Z、Θ、Φを求めているが、反復プロセスのために計算速度が遅く、リアルタイム性に難点があると思われる。実際特許文献1には測定速度が記載されていない。以上、磁界ベクトルセンサを前提としていない本開示では磁石体マーカの位置を高精度に測定することはできない。
Furthermore, the positional accuracy is about 4 mm, which is significantly inferior to the positional accuracy of 0.5 mm or less required for implant treatment. The main reason for this is thought to be that since no magnetic field vector sensor is used, there is a large deviation between the positions of the mutual measurement values of the three-axis magnetic field sensors. Although the three-axis magnetic sensor used (Patent Document 1, FIG. 2) is not accurately described in this document, assuming that the diameter of the magnetic field sensor is 3 mm to 5 mm, approximately each magnetic field sensor measures The positions are shifted from each other by about 1.5 mm to 2.5 mm, and it is believed that this mutual error causes a significant loss of the positional accuracy of the present disclosure.
Also, since this disclosure does not use a magnetic field vector sensor, it cannot be calculated according to the Gauss-Newton method. Therefore, an iterative process utilizing magnetic field gradients is performed to obtain X, Y, Z, Θ, and Φ that minimize the error between the measured and theoretical values. It seems that there is a problem with real-time performance. In fact, Patent Document 1 does not describe the measurement speed. As described above, the position of the magnetic marker cannot be measured with high accuracy in the present disclosure that does not presuppose the magnetic field vector sensor.

3軸の磁界センサとして、MIセンサを使ったタイプとしては、愛知製鋼(株)の電子コンパス(特許文献2)があるが、これは3個の素子を組み立てたもので、X軸、Y軸、Z軸方向の磁界の測定位置が1mm程度喰い違っており、所定の位置の磁界ベクトルを測定できないものである。また磁界検出力は200nTと劣るものである。本製品を特許文献1の発明に応用しても、磁石体マーカの位置精度の改善は期待できない。位置精度の向上のためには、磁界測定には3軸の磁界センサに代えて、3次元の磁気センサを使ってピンポイントに磁界ベクトルを測定できる磁界ベクトルセンサを利用することが重要である。 As a three-axis magnetic field sensor, there is an electronic compass (Patent Document 2) of Aichi Steel Co., Ltd., which uses an MI sensor. , the magnetic field measurement positions in the Z-axis direction are shifted by about 1 mm, and the magnetic field vector at a predetermined position cannot be measured. Also, the magnetic field detection power is as low as 200 nT. Even if this product is applied to the invention of Patent Document 1, improvement in the positional accuracy of the magnetic marker cannot be expected. In order to improve the positional accuracy, it is important to use a magnetic field vector sensor capable of pinpoint magnetic field vector measurement using a three-dimensional magnetic sensor instead of a three-axis magnetic field sensor for magnetic field measurement.

磁界ベクトルセンサは、ホールセンサを使った磁界測定器として旭化成(株)の電子コンパス(特許文献3)がある。4個のホール素子と1個のパーマロイ集磁体を組み合わせたもので、センサ素子の間隔は1mm程度でピンポイントの所定の位置での磁界ベクトルの測定が可能であり、サイズは2mmでセンサ間隔を高密度に配置したセンサグリッドを製作することは可能であるが、磁界検出能が10mG(=1000nT)程度しかなくて、微小磁界が計測できないという問題がある。 As a magnetic field vector sensor, there is an electronic compass (Patent Document 3) of Asahi Kasei Corporation as a magnetic field measuring device using a Hall sensor. It is a combination of four Hall elements and one permalloy magnetic collector, and the sensor element spacing is about 1 mm, and it is possible to measure the magnetic field vector at a pinpoint predetermined position. Although it is possible to fabricate a sensor grid arranged at a high density, there is a problem that the magnetic field detection capability is only about 10 mG (=1000 nT), and minute magnetic fields cannot be measured.

GMRセンサを使った磁界ベクトルセンサが、特許文献4に紹介されている。これはサイズが2mm×2mmと小さく、検出力は500nT程度で、しかもHx、HyとHzの測定精度が異なるという問題があり、特にHx、Hyの測定精度は800nT程度まで低下してしまう。その結果、微小磁界が計測できないという問題がある。 A magnetic field vector sensor using a GMR sensor is introduced in US Pat. It has a small size of 2 mm x 2 mm, a detection power of about 500 nT, and a problem that the measurement accuracy of Hx and Hy differs from that of Hz. As a result, there is a problem that a minute magnetic field cannot be measured.

FGセンサを使った磁界ベクトルセンサとしては、MTI社のnTメータ(非特許文献2)がある。検出力は1nTレベルであるが、サイズが30mmの立方体の6面に素子を張り付けたもので、センサ素子の間隔は30mm程度もあり、ミニ磁石が作る大きな勾配の磁界ベクトルを測定した場合、磁界勾配を測定することになり、特定の位置で磁界測定をピンポイントで測定することはできない。またハンドピースのサイズよりも大きくて、それに貼り付けることができない。 As a magnetic field vector sensor using an FG sensor, there is an nT meter (Non-Patent Document 2) manufactured by MTI. Although the detection power is at the 1 nT level, the elements are attached to the six sides of a 30 mm cube, and the spacing between the sensor elements is about 30 mm. You will be measuring the gradient and cannot pinpoint the magnetic field measurement at a particular location. It is also larger than the size of the handpiece and cannot be attached to it.

GSRセンサ(特許文献5)を使ったタイプとしては、マグネデザイン(株)の電子コンパス(特許文献6)がある。4個のGSR素子と一対のパーマロイ集磁体を組み合わせたもので、センサ素子の間隔は0.5mm程度で、ピンポイントの所定の位置の磁界ベクトルの測定が可能で、しかも、磁界検出能が測定速さ200Hzで100nT以下とホールセンサやMIセンサよりは優れている。しかし、求められている磁界検出力が測定速さ1KHzで50nT以下と比較すると、不十分である。本製品を特許文献1の発明に応用すると、磁石体マーカの位置精度の改善は期待できるが、磁界検出能が低いので1.5mm程度が限界と思われる。また反復プロセス法である以上、測定速度は1Hz未満にならざるを得ないと考えられる。 As a type using a GSR sensor (Patent Document 5), there is an electronic compass (Patent Document 6) by Magnedesign. It is a combination of four GSR elements and a pair of permalloy magnetic collectors, and the sensor element spacing is about 0.5 mm. It is possible to measure the magnetic field vector at a pinpoint predetermined position, and the magnetic field detectability is also measured. It is 100nT or less at a speed of 200Hz, which is superior to Hall sensors and MI sensors. However, the required magnetic field detection power is insufficient when compared to 50 nT or less at a measurement speed of 1 KHz. If this product is applied to the invention of Patent Document 1, improvement in the positional accuracy of the magnetic marker can be expected. Moreover, since it is an iterative process method, the measurement speed must be less than 1 Hz.

検出体に設置した小さな磁石の位置方位を精度良くかつ高速に測定するためには、小型で高い磁界検出力を有する磁界ベクトルセンサの開発が必要である。具体的には、1KHzの測定速度で微小磁界50nT以下の検出能で、4mm×4mm×2mm以下の微小空間内でピンポイントの所定の位置の磁界ベクトルを測定できる磁界ベクトルセンサの開発が求められている。 In order to accurately and quickly measure the position and orientation of a small magnet placed on a detection object, it is necessary to develop a compact magnetic field vector sensor with high magnetic field detection capability. Specifically, there is a demand for the development of a magnetic field vector sensor that can detect a minute magnetic field of 50 nT or less at a measurement speed of 1 kHz and can measure the magnetic field vector at a pinpoint predetermined position in a minute space of 4 mm × 4 mm × 2 mm or less. ing.

磁石体の位置と方位の計算アルゴリズムについて、磁界ベクトルセンサグリッドを使って磁石体の位置と方位を同時に求める方法として、非特許文献3に誤差関数を定義して、誤差関数を最小にする座標成分X、Y、Zの三成分を求める方法が記載されている。ただし、θとφの求め方は記載されておらず、誤算関数から座標成分X、Y、Zの三成分および方位θ、φを求める方法は記載されていない。なお、非特許文献3の測定位置誤差は5.5mmと大きく、実用できるレベルのものではない。これは、本文献に記載されている磁界ベクトルセンサは、厳密には3軸センサの測定位置の間には1.8mmのずれがあり、それを無視して磁界ベクトルセンサとみなして計算をしているためと思われる。さらに使用しているセンサのサイズが大きすぎてハンドピースに貼り付けることはできない。 Regarding the algorithm for calculating the position and orientation of the magnet, as a method of simultaneously obtaining the position and orientation of the magnet using the magnetic field vector sensor grid, an error function is defined in Non-Patent Document 3, and the coordinate components that minimize the error function A method for determining the three components of X, Y, and Z is described. However, it does not describe how to obtain .theta. and .phi., and does not describe how to obtain the three coordinate components X, Y and Z and the directions .theta. and .phi. from the error function. Note that the measurement position error in Non-Patent Document 3 is as large as 5.5 mm, which is not of a practical level. Strictly speaking, the magnetic field vector sensor described in this document has a deviation of 1.8 mm between the measurement positions of the three-axis sensor. It seems to be because Furthermore, the size of the sensor used is too large to be attached to the handpiece.

歯科用ハンドピースの磁石式位置方位測定および誘導システムの開発するにあたり、従来の磁石式位置決め方法の精度の向上を図るためには、高性能な磁界ベクトルセンサの開発と小さなハンドピース上にセンサグリッドを設計し、ハンドピースおよび口腔内部の磁石体の動きに関わらず、両者の相対的位置・方位関係を刻々と精度よく測定できる測定システムを開発する必要がある。性能の点では、1Hzから50Hzの測定速さで、0.1mm以下の位置精度と従来の100倍程度の性能を有する装置の開発が求められている。 In developing a magnetic position and orientation measurement and guidance system for a dental handpiece, in order to improve the accuracy of the conventional magnetic positioning method, we developed a high-performance magnetic field vector sensor and installed a sensor grid on a small handpiece. It is necessary to develop a measurement system that can accurately measure the relative position and orientation of the handpiece and the magnetic body inside the oral cavity every moment, regardless of the movement of the handpiece and the magnetic body inside the oral cavity. In terms of performance, there is a demand for the development of a device that has a measurement speed of 1 Hz to 50 Hz, a position accuracy of 0.1 mm or less, and performance that is about 100 times that of conventional devices.

特開2001-524012号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-524012 特許第3781056号公報Japanese Patent No. 3781056 特開2004-61380号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-61380 特表2013-518273号公報Japanese Patent Publication No. 2013-518273 特許第6506466号公報Japanese Patent No. 6506466 特許第6021239号公報Japanese Patent No. 6021239 特許第6021239号公報Japanese Patent No. 6021239

近藤尚知、小山田勇太朗:「口腔インプラント治療におけるロボット手術の現状と未来」、日本補綴会誌、13-21,2021Naotomo Kondo, Yutaro Oyamada: "Current status and future of robotic surgery in oral implant treatment", Journal of Japan Prosthodontics, 13-21, 2021 (株)エムティアイ社 ホームページ 製品情報FGS3-1000MTI Co., Ltd. Website Product Information FGS3-1000 永岡隆, 内山明彦著:立石科学技術振興財団助成研究成果集:15 号 52-55ページ(2006年)Takashi Nagaoka, Akihiko Uchiyama: Tateishi Science and Technology Foundation Grant Research Report: No. 15, pp. 52-55 (2006) Y.Honkura, S.Honkura ; JMMM513(2020)167240Y.Honkura, S.Honkura ; JMMM513(2020)167240

本発明は、歯に設置した磁石体をハンドピースに設置した磁界センサグリッドを使って、磁石体の位置と方位関係を計測し、その測定値を利用して、ハンドピースの先端の位置と口腔内の治療位置との相対的位置・方位関係を精度良く測定し、それを使ったハンドピース誘導システムを実現することである。そのために、歯に設置した磁石体とハンドピース先端との位置・方位関係を精度よく測定する技術を開発することである。 The present invention measures the position and azimuth relationship of the magnet by using a magnetic field sensor grid in which the magnet installed on the tooth is installed on the handpiece, and uses the measured values to determine the position of the tip of the handpiece and the oral cavity. It is to measure the relative position and azimuth relationship with the treatment position in the inside with high accuracy and realize a handpiece guidance system using it. For this purpose, we need to develop a technique for accurately measuring the position/orientation relationship between the magnet attached to the tooth and the tip of the handpiece.

本発明は、磁石体マーカとしての磁石体は、交流型電磁石またはパルス型電磁石または永久磁石にて、サイズの幅は6mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体マーカの磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとし、磁石体1個を口腔内の特定の歯に、磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置して、磁石体の中心を原点にして、磁化ベクトルの向きをX軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする磁石座標系をCm系とし、
磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースに取り付けたグリッドに、少なくとも5個以上の磁界ベクトルセンサをグリッド状に配置したもので、グリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸をY軸、グリッドの横方向を水平方向X軸とし、グリッドの縦方向をZ軸とする座標系をC系とし、
両座標系の位置関係と方位関係を、1Hzから50Hz以下の測定速さで、位置精度0.1mm以下で、方位精度1度以下で測定することを可能とするハンドピースの位置・方位検出装置に関するものである。
According to the present invention, the magnet as the magnet marker is an AC electromagnet, a pulse electromagnet, or a permanent magnet with a width of 6 mm or less, a length of 10 mm or less, and a magnetic moment of 5×10 mm. -9 to 100 × 10 -9 Wbm, one magnet is placed on a specific tooth in the oral cavity, the magnetization vector is set in the horizontal direction (X axis), and the center of the magnet is the origin. Let the magnet coordinate system with the direction of the vector as the X axis, the thickness direction of the magnet as the Y axis, and the longitudinal direction as the Z axis be the Cm system,
The magnetic field vector sensor grid has at least five magnetic field vector sensors arranged in a grid on the grid attached to the handpiece. Let the coordinate system with the horizontal X-axis and the vertical direction of the grid as the Z-axis be the C system,
Position/azimuth detector for a handpiece that can measure the positional relationship and azimuth relationship between both coordinate systems at a measurement speed of 1 Hz to 50 Hz or less, with a position accuracy of 0.1 mm or less, and an azimuth accuracy of 1 degree or less. It is about.

そのための技術開発課題として、第1の課題は、検出力が1KHzの測定速度にて、50nT以下の検出力を有する磁界ベクトルセンサの開発である。小型で微小磁界を検出することができるセンサとしてGSRセンサが開発されており、本発明はGSRセンサを使って、ピンポイントの測定位置の磁界(Hx、Hy、Hz)をHx、Hy、Hzの測定誤差を同じとすることができる磁界ベクトルセンサの構造を考案することである。 As a technical development task for that purpose, the first task is to develop a magnetic field vector sensor having a detection power of 50 nT or less at a measurement speed of 1 KHz. A GSR sensor has been developed as a small sensor capable of detecting minute magnetic fields. The object is to devise a magnetic field vector sensor structure that can make the measurement error the same.

第2の課題は、磁石体の設計に関するものである。磁石体のサイズは、歯に張り付けることができるほどの小さなサイズで、しかも20mmから100mmも離れた位置においても位置精度を0.1mm以下、方位精度を1度以下の精度でもって、計測することを可能にする必要がある。しかも周辺の磁界環境の変動、特にハンドピースに移動による変動の影響を受けないようにする工夫が必要である。さらに、歯に設置した1個の磁石体を使って、磁石座標系Cm系を特定する工夫が必要である。 A second issue relates to the design of the magnet. The size of the magnet is so small that it can be attached to the teeth, and the positional accuracy is 0.1 mm or less and the azimuth accuracy is 1 degree or less even at a distance of 20 mm to 100 mm. need to make it possible. In addition, it is necessary to devise ways to avoid the effects of fluctuations in the surrounding magnetic field environment, especially fluctuations due to movement of the handpiece. Furthermore, it is necessary to devise a way to specify the magnet coordinate system Cm using one magnet placed on the tooth.

第3の課題は、ハンドピース上に幾何学的にデザインされた磁界ベクトルセンサグリッドを設計することである。磁界ベクトルセンサグリッドの磁界ベクトルセンサ数が増えるほど位置・方位計算の精度は向上するが、設置する磁界ベクトルセンサが多くなるほど、ハンドピースのサイズが大きくなり、作業性を害するので、磁界ベクトルセンサを適切に配置することが重要である。 A third challenge is to design a geometrically designed magnetic field vector sensor grid on the handpiece. As the number of magnetic field vector sensors on the grid increases, the accuracy of position and azimuth calculations improves. Proper placement is important.

第4の課題は、精度よくかつリアルタイム性に優れた磁石体の位置と方位を計算する計算プログラムの考案である。磁界ベクトルセンサグリッドで、磁石体マーカが発する磁界ベクトルを各測定点で磁界ベクトルとして測定した場合、反復プロセスを必要とせず、測定値と理論値のずれを誤差として、それらを加算した関数として誤差関数を定義して、その最小値からX、Y、Z、およびθ、φを計算する方法は、ガウスニュートン法として広く知られている。この原理を用いて、磁石性能、センサ性能、センサの数と配置、磁石体マーカと磁界ベクトルセンサグリッドの距離および磁界ベクトルセンサをグリッドに配置する対象品の形状とサイズなどを考慮して、実際の計算プログラムを考案することは設計パラーメータの選択とは言えない難しさがある。 The fourth task is to devise a calculation program for calculating the position and orientation of the magnet with high precision and excellent real-time performance. With the magnetic field vector sensor grid, when the magnetic field vector emitted by the magnetic marker is measured as the magnetic field vector at each measurement point, no iterative process is required. A method of defining a function and calculating X, Y, Z and θ, φ from its minimum value is widely known as the Gauss-Newton method. Using this principle, we consider the magnet performance, sensor performance, the number and arrangement of sensors, the distance between the magnetic marker and the magnetic field vector sensor grid, and the shape and size of the target product on which the magnetic field vector sensor is placed on the grid. There is a difficulty that can not be said to be the selection of design parameters to devise a calculation program for .

第5の課題は、磁界ベクトルセンサグリッドを利用してハンドピースの先端と口腔内の治療位置との相対的位置関係を求めて、所定の治療位置にハンドピースの先端が、位置ずれが0.1mm以下、方位ずれが1度以下となるように、誘導することができる誘導システムに関するものである。 The fifth problem is to obtain the relative positional relationship between the tip of the handpiece and the treatment position in the oral cavity using the magnetic field vector sensor grid, and to ensure that the tip of the handpiece is at a predetermined treatment position with a displacement of 0.5. The present invention relates to a guidance system capable of providing guidance such that the misorientation is 1 mm or less and the misorientation is 1 degree or less.

第6の課題は、ハンドピースの誘導中に患者が動いた場合の対策である。 A sixth issue is countermeasures against movement of the patient during guidance of the handpiece.

従来方法は、装置に固定したグリッド系(言い換えれば装置の座標系)において、移動する磁石体の位置と方位を求めるもので、装置と磁石体の位置関係がそのまま把握できるというものであった。しかし、本発明の対象は、ハンドピースは方位と位置が変動し、磁石体の位置と方位も患者の動きによって微妙に変動する場合である。つまり、両者は稼働的なもので、単に両者の相対的位置・方位関係を求めるだけでは、ハンドピースを操作する術者またはロボットなどの機械的な制御装置からはハンドピースの位置・方位がつかめず、制御に必要な情報を得ることができない。このような、稼働的なグリッド系と磁石を対象とした位置・方位を測定するアルゴリズムを新たに考案する必要がある。 The conventional method obtains the position and orientation of the moving magnet in a grid system fixed to the device (in other words, the coordinate system of the device), and the positional relationship between the device and the magnet can be grasped as it is. However, the subject of the present invention is the case where the orientation and position of the handpiece fluctuate, and the position and orientation of the magnet also slightly fluctuate according to the movement of the patient. In other words, both are active, and simply obtaining the relative position/orientation relationship between the two does not allow the operator of the handpiece or a mechanical control device such as a robot to grasp the position/orientation of the handpiece. information necessary for control cannot be obtained. It is necessary to devise a new algorithm for measuring the position and orientation of such a working grid system and magnets.

本発明は、磁石体、磁界ベクトルセンサ、磁界ベクトルセンサグリッド、センサグリッドデータ処理回路および位置・方位計算プログラムとそれを内蔵したデータ処理装置およびハンドピース誘導システムとからなっている。
そこで、本発明者は、まず第1の課題である高い検出力を有する磁界ベクトルセンサの開発に取り組んだ。
The present invention consists of a magnet, a magnetic field vector sensor, a magnetic field vector sensor grid, a sensor grid data processing circuit, a position/orientation calculation program, a data processing device incorporating it, and a handpiece guidance system.
Therefore, the present inventor first worked on the development of a magnetic field vector sensor having high detection power, which is the first problem.

GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサとしては、特許文献6、7に開示されているように、200Hzの測定速度で100nT以下の検出力を有し、サイズは集積回路のサイズ1.4×1.4mmを考えると2×2mm程度のものである。 As a magnetic field vector sensor using a GSR sensor, as disclosed in Patent Documents 6 and 7, it has a detection power of 100 nT or less at a measurement speed of 200 Hz, and its size is the size of an integrated circuit 1.4×1. Considering 4 mm, it is about 2×2 mm.

ここで、GSRセンサについては、特許文献5に詳細に記載されており、本発明において引用する。GSRセンサは、図1に示すように、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルとワイヤ通電用の電極2個とコイル電圧検出用電極2個の電極を接続する配線で構成されるGSR素子、およびその磁性ワイヤにGHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路(図2)とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。 Here, the GSR sensor is described in detail in Patent Document 5, which is cited in the present invention. As shown in FIG. 1, the GSR sensor consists of a detection coil formed of a magnetic field detection magnetic wire having conductivity on a substrate, a circulating coil wound around the wire, two electrodes for wire conduction, and an electrode for detecting coil voltage. A means for applying a pulse current having a frequency of GHz to a GSR element composed of wiring connecting two electrodes and a magnetic wire, and a coil voltage generated when the pulse current is applied are detected, and the coil voltage is detected by an external magnetic field H It is an ultrasensitive micro magnetic sensor consisting of an electronic circuit (Fig. 2) that converts to

本発明者は、GSR素子の長さを長くし、コイル巻き数を増加し、パーマロイの形状と磁気回路を工夫してZ軸方向の磁界Hzの集磁力を強化することや、ASIC表面に直接形成し電極用ビアホールでASIC回路と接続するによって、センササイズはそのままにして、磁界ベクトルセンサの性能を1KHzの測定速度で50nT以下の検出力へと向上させることができ、この一体式の磁界ベクトルセンサを本発明に用いることにした。なおASICとは、特定用途用集積回路である。 The present inventors have tried to increase the length of the GSR element, increase the number of coil turns, improve the shape of permalloy and the magnetic circuit to strengthen the magnetic gathering force of the magnetic field Hz in the Z-axis direction, and directly apply the magnetic field to the ASIC surface. By forming and connecting to the ASIC circuit with via holes for electrodes, the performance of the magnetic field vector sensor can be improved to 50 nT or less detection power at a measurement rate of 1 KHz without changing the sensor size. It was decided to use the sensor in the present invention. ASIC is an application specific integrated circuit.

この一体式の磁界ベクトルセンサについて、図3、4により説明する。
ASIC31の上に原点を中心にしてX軸方向にX1素子、X2素子を対称的に配置し、X軸方向と直交するY軸方向にY1素子、Y2素子を対称的に配置する。各素子はASICの上面に塗布され、溝が加工されたレジスト層に磁性ワイヤ32が配置され、磁性ワイヤ32を周回する検出コイル、4つの電極(33、34)が形成されている。4つの電極(33、34)は連結用電極ホール38を介してASICと接続される。原点には磁性ワイヤ32の上部に上部軟磁性体35が1個形成され、4個の素子の原点とは反対側の端部には磁性ワイヤ32の下部に下部軟磁性体36がそれぞれ形成されている。
この構成により、X軸方向およびY軸方向の磁界を検出するとともにZ軸方向の磁界は上部軟磁性体35により集磁391(又は放磁)され、磁性ワイヤ32を介して下部軟磁性体36により放磁392(又は集磁)されることによって検出される。したがって、原点における磁界ベクトル(Hx、Hy、Hz)が検出される。
This integrated magnetic field vector sensor will be described with reference to FIGS.
On the ASIC 31, the X1 element and the X2 element are symmetrically arranged in the X-axis direction with the origin as the center, and the Y1 element and the Y2 element are symmetrically arranged in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction. Each element is coated on the upper surface of the ASIC, a magnetic wire 32 is arranged in a grooved resist layer, and a detection coil and four electrodes (33, 34) are formed around the magnetic wire 32. The four electrodes (33, 34) are connected with the ASIC through connecting electrode holes 38. FIG. One upper soft magnetic body 35 is formed above the magnetic wire 32 at the origin, and lower soft magnetic bodies 36 are formed below the magnetic wire 32 at the ends of the four elements opposite to the origin. ing.
With this configuration, the magnetic field in the X-axis direction and the Y-axis direction is detected, and the magnetic field in the Z-axis direction is collected 391 (or discharged) by the upper soft magnetic body 35. It is detected by being discharged (or collected) by 392 . Therefore, the magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) at the origin is detected.

GSRセンサは、1MHzから5MHzの速度で磁界を計測し、それを平均化して、200Hzから500KHzの測定速度で出力して用いられている。GSRセンサの検出力は磁性ワイヤの長さに比例して向上する。本発明者は、1kHzの測定速度で5nT以下の微小磁界を微小空間範囲で測定するために、磁性ワイヤの長さ1~2.4mmと長くしたGSR素子をASIC表面に直接成形し、小型のOn-ASICタイプのGSRセンサ(非特許文献4)を製作し、それを使って組み立て式の磁界ベクトルセンサを開発し、本発明に使用することにした。 A GSR sensor is used to measure a magnetic field at a rate of 1 MHz to 5 MHz, average it, and output it at a measurement rate of 200 Hz to 500 KHz. The detection power of the GSR sensor increases in proportion to the length of the magnetic wire. In order to measure a minute magnetic field of 5 nT or less at a measurement speed of 1 kHz in a minute space range, the present inventor directly molded a GSR element with a long magnetic wire length of 1 to 2.4 mm on the surface of an ASIC to achieve a small size. An On-ASIC type GSR sensor (Non-Patent Document 4) was manufactured, and using it, an assembly type magnetic field vector sensor was developed and used in the present invention.

組み立て式の磁界ベクトルセンサは、図5、6に示すように、On-ASICタイプのGSRセンサ41(サイズは、長さ2mm、幅1mm)の4個を、四角錐台40の稜線部402の4つの斜面に、4回対称かつ鏡面対称に貼り付けたものである。サイズは、底辺は最大6mmで、台座の高さは、最大2mmである。傾斜角度θsは、20度から45度とした。なお、on-ASICタイプのGSRセンサについては、本発明者により特開2019-191016号公報で詳細に記載されており、本発明において引用するものである。
本発明は、小型で高性能の磁界ベクトルセンサを使用するものであって、上記二つの発明品の使用に限定されるものではない。
As shown in FIGS. 5 and 6, the assembly type magnetic field vector sensor consists of four On-ASIC type GSR sensors 41 (size: 2 mm long, 1 mm wide) attached to the ridge line 402 of the truncated square pyramid 40. It is affixed on four slopes in four-fold symmetry and mirror symmetry. The maximum size of the base is 6 mm, and the maximum height of the pedestal is 2 mm. The inclination angle θs was set to 20 degrees to 45 degrees. The on-ASIC type GSR sensor is described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 2019-191016 by the inventor of the present invention, which is cited in the present invention.
The present invention uses a compact, high performance magnetic field vector sensor and is not limited to the use of the above two inventions.

第2の課題は、磁石体の設計に関するもので、歯に張り付けることができるほどのサイズで、しかも2cmから10cmも離れた位置で、位置精度を0.1mm以下、方位精度を1度以下にて磁石座標系Cm系における磁石体の位置と方位の測定を可能にする必要がある。しかも周辺の磁界環境の変動、特にハンドピースの移動による変動の影響を受けないようにする工夫が必要である。 The second issue relates to the design of the magnet, which is small enough to be attached to a tooth, and has a positional accuracy of 0.1 mm or less and a azimuth accuracy of 1 degree or less at a distance of 2 cm to 10 cm. should allow measurement of the position and orientation of the magnet body in the magnet coordinate system Cm. Moreover, it is necessary to devise ways to avoid the effects of fluctuations in the surrounding magnetic field environment, especially fluctuations due to movement of the handpiece.

そこで、発明者は、先ずパルス磁界型電磁石を考案した。
磁界ベクトルセンサは、振動する磁界を検知し、周辺磁界の影響を排除することができる。製作した電磁石のパルス周期は、50Hzから1KHz、パルス幅は0.1m秒から5m秒とした。励磁電流Iは、磁針素材を飽和することができる強さ、すなわちコイルの磁化力Hが保磁力Hcの5倍以上となるようにコイル巻き数を考慮して電流強度を決めた。
Therefore, the inventor first devised a pulse magnetic field type electromagnet.
A magnetic field vector sensor can detect an oscillating magnetic field and eliminate the effects of ambient magnetic fields. The produced electromagnet had a pulse period of 50 Hz to 1 KHz and a pulse width of 0.1 msec to 5 msec. The excitation current I was determined by considering the number of turns of the coil so that the magnetic needle material could be saturated, that is, the magnetizing force H of the coil was five times or more the coercive force Hc.

次に、交流式電磁石を考案した。
この場合、GSRセンサのノイズフィルターのバンドパスフィルターを指定された周波数を優先的に検知できるように設定する。電磁石の周波数は10Hzから1KHzとした。励磁電流Iは、磁針素材を直線的に磁化できる磁化力の範囲、およそ保磁力Hcの0.5倍以下として、コイルの磁化力HがH<0.5Hcとなるように、コイル巻き数を考慮して電流強度を求める。
Next, we devised an AC electromagnet.
In this case, the band-pass filter of the noise filter of the GSR sensor is set so that the designated frequency can be detected preferentially. The frequency of the electromagnet was set from 10 Hz to 1 KHz. The excitation current I is set to a range of magnetizing force that can linearly magnetize the magnetic needle material, approximately 0.5 times or less than the coercive force Hc, and the number of coil turns is adjusted so that the magnetizing force H of the coil is H<0.5Hc. Determine the current intensity by taking into account

最後に、永久磁石を使用する場合には、周辺磁界の影響を受けやすいので、可能な限り大きな磁石、例えば、20×10-9~100×10-9Wbm程度を使用し、その上で、特別な対策が必要である。ハンドピースの初期位置と治療位置を設定しておき、両位置での周辺磁界を測定しておく。つぎに患者を手術の際の所定の位置に固定して、ハンドピースのグリッドセンサを使って、患者の歯に設置した磁石からの磁界を測定して、両者の差分を磁石からの磁界の測定値として、その測定値を使って、初期位置および治療位置での位置は、ハンドピースの位置を求めることにする。また磁界測定中には、ハンドピースを稼働させないことにする。さらに、非磁性素材を使ったハンドピースを用いることが好ましい。 Finally, when a permanent magnet is used, it is easily affected by the surrounding magnetic field. Special measures are required. Set the initial position and treatment position of the handpiece, and measure the peripheral magnetic field at both positions. Next, the patient is fixed at a predetermined position for surgery, and the grid sensor of the handpiece is used to measure the magnetic field from the magnet placed on the patient's teeth, and the difference between the two is used to measure the magnetic field from the magnet. Using that measurement as a value, the position at the initial position and the treatment position will determine the position of the handpiece. Also, the handpiece is not operated during the magnetic field measurement. Furthermore, it is preferable to use handpieces using non-magnetic materials.

さらに、第2の課題において、歯に設置した1個の磁石体を使って、磁石座標系Cm系を特定する工夫が必要である。この点に対しては、通常の磁石体は、反磁界を小さくするために磁化方向と長手方向が一致している。このような磁石体を使った場合、磁化の向き(=磁石体マーカの長手方向)を歯の長手方向に合わせて、垂直方向に張り付けてZ軸とすると、磁石体の幅方向が水平方向になるが、水平方向は360度存在し、特定の方向をX軸に指定できない。そこで、磁石体の幅方向を磁化の向きとした電磁石を製作し、磁石体の長手方向を垂直方向にして歯に貼り付けてZ軸とし、その磁石体の磁化方向をX軸として、X軸とZ軸からY軸を求めて、磁石体の中心を原点にした磁石座標系Cm系を設定して、この問題を解決した。 Furthermore, in the second problem, it is necessary to devise a way to specify the magnet coordinate system Cm using one magnet placed on the tooth. With respect to this point, the magnetization direction and the longitudinal direction of a normal magnet are aligned in order to reduce the demagnetizing field. When such a magnet is used, if the direction of magnetization (=longitudinal direction of the magnet marker) is aligned with the longitudinal direction of the teeth and the Z-axis is attached in the vertical direction, the width direction of the magnet will be the horizontal direction. However, the horizontal direction exists 360 degrees, and a specific direction cannot be specified as the X axis. Therefore, an electromagnet whose magnetization direction is in the width direction of the magnet is manufactured, and the longitudinal direction of the magnet is perpendicular to the teeth and attached to the teeth as the Z axis. This problem was solved by finding the Y-axis from the Z-axis and setting the magnet coordinate system Cm with the center of the magnet as the origin.

以上の結果、交流型電磁石、パルス型電磁石および永久磁石のサイズ幅は6mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体の磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとし、磁石体1個を口腔内の特定の歯に磁石体の幅方向を垂直方向(Z軸)に、磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置して、磁石体の中心を原点Omにして、磁化ベクトルの向きをY軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする磁石座標系をCm系とする。磁石体の垂直方向の貼り付け誤差は、0.5度以下が好ましい。 As a result, the AC electromagnet, the pulse electromagnet, and the permanent magnet have a size width of 6 mm or less and a length of 10 mm or less, and the magnetic moment of the magnet is 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm. One piece is installed on a specific tooth in the oral cavity with the width direction of the magnet in the vertical direction (Z-axis) and the magnetization vector in the horizontal direction (X-axis), and the center of the magnet is the origin Om, A magnet coordinate system in which the direction of the magnetization vector is the Y-axis, the thickness direction of the magnet body is the Y-axis, and the longitudinal direction is the Z-axis is defined as a Cm system. It is preferable that the attachment error in the vertical direction of the magnet is 0.5 degrees or less.

第3の課題である磁界ベクトルセンサグリッド(センサグリッドという。の設計については、ハンドピースを口腔内に挿入するために空間的制約および形状の制約を強く受ける。磁界ベクトルセンサ(以下、センサという)の数が多いほど、かつ磁石に近いほど磁界ベクトルセンサグリッドの性能は向上するが、幾何学的配置が難しくなる。
本発明では、ハンドピースの先端の円筒部に5個以上のセンサを円筒状に配置したグリッド(一例を図7に示す。)と、ハンドピースの先端部にグリッド板を配置し、そこに9個以上のセンサを配置したグリッド(一例を図8に示す。)を試作した。
磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸の向きをY軸、センサグリッドの横方向(水平方向)をX軸とし、センサグリッド板の縦方向(垂直方向)をZ軸とする座標系をC系としている。
The design of the magnetic field vector sensor grid (called sensor grid), which is the third issue, is strongly subject to spatial and shape constraints due to the insertion of the handpiece into the oral cavity. Magnetic field vector sensor (hereinafter called sensor) The higher the number of and the closer to the magnet, the better the performance of the magnetic field vector sensor grid, but the more difficult the geometry.
In the present invention, a grid (an example is shown in FIG. 7) in which five or more sensors are arranged in a cylindrical shape on the cylindrical portion of the tip of the handpiece, and a grid plate is arranged on the tip of the handpiece. A prototype of a grid (an example is shown in FIG. 8) in which more than one sensor is arranged was made.
A coordinate system with the center of the magnetic field vector sensor grid as the origin, the direction of the handpiece axis as the Y axis, the lateral direction (horizontal direction) of the sensor grid as the X axis, and the vertical direction (vertical direction) of the sensor grid plate as the Z axis. is C system.

磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点Ohにし、ハンドピース軸をY軸、センサグリッド板の水平方向をX軸とし、センサグリッド板の縦方向をZ軸とする座標系をC系とし、ハンドピースに加速度センサを設置して、Y軸は水平に保ち、グリッドセンサ面であるXZ面を垂直面に保つことにする。ハンドピースの初期位置は、ハンドピースのC系のXZ面と磁石座標系Cm系のXZ面が対向するように向けることにして、Y軸に沿ってハンドピースを口腔内に近づけて、ハンドピースの先端を口腔内の指定された治療箇所に誘導していくことにする。この過程でハンドピースの先端と磁石の位置・方位関係は磁界ベクトルセンサグリッドを使って計測し、そのデータをセンサグリッドデータ処理回路に転送する。 The center of the magnetic field vector sensor grid is the origin Oh, the handpiece axis is the Y axis, the horizontal direction of the sensor grid plate is the X axis, and the vertical direction of the sensor grid plate is the Z axis. An acceleration sensor is installed, the Y-axis is kept horizontal, and the XZ plane, which is the grid sensor plane, is kept vertical. The initial position of the handpiece is such that the XZ plane of the C system of the handpiece faces the XZ plane of the Cm system of the magnetic coordinate system, and the handpiece is brought closer to the oral cavity along the Y axis. will be guided to the designated treatment site in the oral cavity. In this process, the position/orientation relationship between the tip of the handpiece and the magnet is measured using the magnetic field vector sensor grid, and the data is transferred to the sensor grid data processing circuit.

センサグリッドデータ処理回路は、磁界ベクトルセンサグリッドにより計測した測定データを高速で処理する機能を有し、データ処理装置は、C座標系の原点から磁石体の位置(X、Y、Z)および方位Θ、Φをガウスニュートン法により計算する。ここで、Θは両系のXY面の角度ずれでZ軸回転することにより一致させることができる。ΦはZX面の角度ずれでY軸回転することにより一致させることができる。 The sensor grid data processing circuit has a function of processing the measurement data measured by the magnetic field vector sensor grid at high speed. Θ and Φ are calculated by the Gauss-Newton method. Here, Θ can be matched by rotating the Z-axis with the angle deviation of the XY planes of both systems. Φ can be made to match by Y-axis rotation with angular displacement of the ZX plane.

磁界ベクトルセンサグリッド基板は、各センサとマルチプレクサMUXとを連結し、次の全データが最終MUXと連結し、外部の信号処理回路に転送される。電源配線は、図示していないが、電源配線VDDとグランド配線GNDとが各センサに連結して、センサグリッド稼働時にはすべての磁界ベクトルセンサに電源が供給できるようにしている。グリッド電子回路基板は、ハンドピース本体に設置することが好ましい。
センサグリッドの組み立て精度については、極力小さくすることが求められて、10μm以下の精度が好ましい。
The magnetic field vector sensor grid board connects each sensor to a multiplexer MUX, all subsequent data is connected to the final MUX and forwarded to external signal processing circuitry. Although not shown, power supply wiring VDD and ground wiring GND are connected to each sensor so that power can be supplied to all the magnetic field vector sensors when the sensor grid is in operation. The grid electronic circuit board is preferably mounted on the handpiece body.
The assembly accuracy of the sensor grid is required to be as small as possible, and an accuracy of 10 μm or less is preferable.

第4の課題は、精度よくかつリアルタイム性に優れた磁石体の位置と方位を計算する計算プログラムの考案である。
本発明者は、磁界ベクトルセンサグリッドで、磁石体が発する磁界ベクトルを各測定点で磁界ベクトルとして測定した場合、反復プロセスを必要とせず、測定値と理論値のずれを誤差として、それらを加算した関数として誤差関数を定義して、その最小値からX、Y、ZおよびΘ、Φを計算する方法は、ガウスニュートン法として広く知られている。この原理を用いて、磁石性能、センサ性能、センサの数と配置、磁石体マーカとセンサグリッドの距離およびセンサグリッド配置する対象品の形状とサイズなどを考慮して、実際の計算プログラムを考案することは設計パラーメータの選択とは言えない難しさがある。
この課題を解決するために、本発明者はまず磁石体マーカから発する磁界を磁界ベクトルセンサグリッドで磁界測定を行い、そのデータをガウスニュートン法により、磁石体マーカの位置・方位を計算するプログラム(図9)を作成した。
The fourth task is to devise a calculation program for calculating the position and orientation of the magnet with high precision and excellent real-time performance.
In the magnetic field vector sensor grid, when the magnetic field vector emitted by the magnet is measured as the magnetic field vector at each measurement point, the inventor does not need an iterative process, and adds the deviation between the measured value and the theoretical value as an error. A method of defining an error function as a function obtained by calculating X, Y, Z and Θ, Φ from its minimum value is widely known as the Gauss-Newton method. Using this principle, consider the magnet performance, sensor performance, the number and placement of sensors, the distance between the magnetic marker and the sensor grid, and the shape and size of the object to be placed on the sensor grid, and devise an actual calculation program. There is a difficulty that cannot be said to be the selection of design parameters.
In order to solve this problem, the present inventors have developed a program ( Figure 9) was created.

ガウスニュートン法に基づく位置と方位を同時に求める計算プログラムは次の通りである。前記磁界センサグリッドの中心を原点Ohにして、グリッド面をXY平面、XY平面に垂直軸をZ軸としたC座標系を指定して、前記磁石体マーカ(M(→))の位置を(X、Y、Z)とし、方位は、Z軸に対する回転角をΘとし、Y軸に対する回転角をΦとして、さらにセンサのグリッド上の配置位置をグリッドの原点Ohを中心に、横方向に-iから+i、縦方向に-jから+jの位置(i,j、0)とし、これらの位置にある磁界ベクトルの測定値を使って、磁石体マーカ(M(→))の位置X、Y、Zと方位Θ、Φを以下の要領で計算するものである。 A calculation program for simultaneously determining the position and orientation based on the Gauss-Newton method is as follows. The center of the magnetic field sensor grid is the origin Oh, the grid surface is the XY plane, and the C coordinate system with the Z axis as the axis perpendicular to the XY plane is specified, and the position of the magnet marker (M (→)) is set ( X, Y, Z), the azimuth is represented by Θ as the rotation angle with respect to the Z axis, and Φ as the rotation angle with respect to the Y axis. Positions (i, j, 0) from i to +i and from -j to +j in the vertical direction, and using the measured values of the magnetic field vectors at these positions, the positions X, Y of the magnet marker (M(→)) , Z and directions Θ and Φ are calculated in the following manner.

(1)先ずステップ101にて、センサグリッド位置(i,j、k)における磁気を計測して磁気測定値H(→)ijkを求める。
(2)ステップ102にて、センサの測定誤差の値Nの割合S/Nが、500以上となることを確認する。
(3)次に、ステップ103にて、磁石体マーカ(M(→))がセンサグリッドの(i,j、k)番目のセンサ位置であるPijkに作る磁気の理論値H(→)ijkを式(1)から求める。ここでまた磁石の傾きをZ軸に対する回転角をφ、X軸に対する回転角をθとする。ここで、磁石体マーカ(M(→))と位置Pijkまでの距離ベクトルをr(→)ijkとする。
H(→)ijk = 1/4πμo {-M(→)/rijk 3 +3(M(→)・ r(→)ijk )r(→)ijk /rijk 5 }・・・(1)


(4)次に、ステップ104にて、磁気理論値と磁気測定値との差を測定誤差εijkとして、求める。
ijkH(→)ijkH(→)ijk
(5)次に、ステップ105にて、ステップ103により求めた測定誤差εijの誤差関数Eijを誤差の平方和として求める。
ijk=Σeijk
(6)次に、ステップ106にて、ガウスニュートン法で、ステップ104により求めた誤差平方和が最小となるx、y、z、θ、φを、以下の連立方程式を使って求める。
∂Eijk/∂x=0、∂Eijk/∂y=0、∂Eijk/∂z=0、
∂Eijk/∂φ=0、∂Eijk/∂θ=0
(7)次いでステップ107にて、上記方程式から座標系Oh―XYZにおける磁石体マーカの位置X、Y、Zと磁石の磁化の向きΘとΦを求める。
X=x+d×a、Y=y+d×b、Z=z、Θ=θ、Φ=φ
(1) First, in step 101, the magnetism at the sensor grid position (i, j, k ) is measured to obtain the magnetism measurement value mH(→) ijk .
(2) In step 102, confirm that the ratio S/N of the sensor measurement error value N is 500 or more.
(3) Next, in step 103, the magnetic theoretical value tH (→) generated by the magnet marker (M(→)) at the (i, j, k)-th sensor position P ijk of the sensor grid ijk is obtained from equation (1). Here, the inclination of the magnet is defined as φ as the rotation angle with respect to the Z-axis and θ as the rotation angle with respect to the X-axis. Let r(→) ijk be the distance vector between the magnet marker (M(→)) and the position P ijk .
( 1 ) _ _ _ _ _ _


(4) Next, in step 104, the difference between the theoretical magnetic value and the measured magnetic value is obtained as the measurement error ε ijk .
eijk = tH(→) ijk - mH (→) ijk
(5) Next, in step 105, the error function Eij of the measurement error εij obtained in step 103 is obtained as the sum of squares of the errors.
E ijk =Σe ijk 2
(6) Next, in step 106, x, y, z, θ, and φ that minimize the error sum of squares obtained in step 104 are obtained by the Gauss-Newton method using the following simultaneous equations.
∂Eijk /∂x=0, ∂Eijk /∂y=0, ∂Eijk /∂z=0,
∂Eijk /∂φ=0, ∂Eijk /∂θ=0
(7) Next, in step 107, the positions X, Y, and Z of the magnet body marker in the coordinate system Oh-XYZ and the directions of magnetization Θ and Φ of the magnet are obtained from the above equations.
X=x+d×a, Y=y+d×b, Z=z, Θ=θ, Φ=φ

グリッド板は60mm×60mm、そこに10nTの検出力を持つ磁界ベクトルセンサを、列間隔は30mm、横間隔は15mmとして、3列5個に15個配置し、ハンドピース軸上の3cm歯に近い位置に1個を配置した合計16個のセンサグリッドを製作した。この磁界ベクトルセンサグリッドで歯に貼り付けた20×10-9Wbmの強さの磁石体マーカが発する磁界を測定するとして、上記計算プログラムを使って、磁石体マーカの位置と方位を計算して求めることにした。 The grid plate is 60 mm x 60 mm, and 15 magnetic field vector sensors with a detection power of 10 nT are arranged in 3 rows of 5 sensors with a row interval of 30 mm and a horizontal interval of 15 mm. A total of 16 sensor grids were fabricated, one in position. Assuming that the magnetic field vector sensor grid is used to measure the magnetic field emitted by a magnetic marker with a strength of 20×10 −9 Wbm attached to the tooth, the position and orientation of the magnetic marker are calculated using the above calculation program. decided to ask.

誤差を確認する実験は、高さを40mmと基準点として固定し、磁石体マーカをX、Y、Z方向に±10mmの移動およびθとφを±30度回転を繰り返して、もとの位置に戻るたびに位置測定を繰り返して、そのばらつきを測定した。その結果、計算誤差を確認して、位置誤差は0.1mm以下、方位誤差は0.5度以下と、良好な測定誤差範囲で計算できることを確認した。 In the experiment to confirm the error, the height was fixed at 40 mm as a reference point, and the magnet marker was moved ±10 mm in the X, Y, and Z directions and rotated ±30 degrees in θ and φ. We repeated the position measurement each time we returned to , and measured its variability. As a result, the calculation error was confirmed, and it was confirmed that the position error was 0.1 mm or less and the orientation error was 0.5 degrees or less, and that the calculation could be performed within a good measurement error range.

計算プログラム上で、磁石の磁気モーメントを1×10-9~200×10-9Wbmまで変化させてさらにセンサノイズを0.1nT、1nTおよび10nTと変えて入力して、た。また測定を繰り返して位置方位計算の誤差に対する磁気モーメントとセンサ性能の影響を調査した。その結果は、位置X、Y、Zの位置精度は、磁石体マーカからの距離に強く依存するが、言い換えれば磁石体とセンサグリッド面との距離に依存する。 On the calculation program, the magnetic moment of the magnet was changed from 1×10 −9 to 200×10 −9 Wbm, and the sensor noise was changed to 0.1 nT, 1 nT and 10 nT and input. The measurements are also repeated to investigate the effect of magnetic moment and sensor performance on the error of position and orientation calculation. The result is that the positional accuracy of the positions X, Y, Z strongly depends on the distance from the magnet marker, which in turn depends on the distance between the magnet and the sensor grid surface.

その結果、図10(a)に示すように、磁気モーメントが増加するほど位置精度は向上した。磁気モーメントが、4倍になると精度が4倍、9倍になると9倍、100倍になると100倍改善し、センサノイズを0.1nT、1nTおよび10nTと変えて調査した結果、センサ性能を10倍にすると位置計算精度は10倍向上することが分かった。 As a result, as shown in FIG. 10(a), the position accuracy improved as the magnetic moment increased. When the magnetic moment is quadrupled, the accuracy improves fourfold, when it increases ninefold, it improves ninefold, and when it increases 100fold, it improves 100fold. It was found that doubling the position improves the accuracy of the position calculation by a factor of 10.

同様に、方位精度計算の結果、図10(b)に示すように、磁気モーメントが増加するほど方位精度は向上した。なお、Y方向の位置精度およびφ角の方位精度に及ぼす磁気モーメントの影響と磁界センサ間隔の影響についても同様の結果が得られた。 Similarly, as a result of azimuth accuracy calculation, as shown in FIG. 10(b), the azimuth accuracy improved as the magnetic moment increased. Similar results were obtained for the effect of the magnetic moment and the effect of the magnetic field sensor spacing on the positional accuracy in the Y direction and the azimuth accuracy of the φ angle.

以上の結果から、本発明では、0.1mm以下の位置精度と1度以下の方位精度を得るために、磁石体マーカの磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmおよび磁界センサの検出力を50nT以下とすることにした。 From the above results, in the present invention, in order to obtain a position accuracy of 0.1 mm or less and an orientation accuracy of 1 degree or less, the magnetic moment of the magnet body marker is set to 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm and the magnetic field sensor It was decided that the power of detection should be 50 nT or less.

本発明は、磁石体は交流型電磁石またはパルス型電磁石とし、サイズ幅は4mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体の磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとし、磁界ベクトルセンサグリッドに用いた磁気センサの検出力を0.1~10nTとした。交流型電磁石またはパルス型電磁石を使用する場合は、磁界の変動幅を磁石から発すル磁界の強さと判断して計測値とするプログラムを付加して、周辺磁界の影響を取り除いた。 In the present invention, the magnet body is an AC electromagnet or a pulse electromagnet, the size width is 4 mm or less, the length is 10 mm or less, the magnetic moment of the magnet body is 5 × 10 -9 to 100 × 10 -9 Wbm, and the magnetic field The detection power of the magnetic sensors used in the vector sensor grid was 0.1-10 nT. When using an AC type electromagnet or a pulse type electromagnet, a program was added to determine the fluctuation width of the magnetic field as the strength of the magnetic field emitted from the magnet and use it as a measured value to eliminate the influence of the surrounding magnetic field.

永久磁石を使用する場合には、事前に周辺磁界分布を測定しておき、ハンドピースの位置に合わせて補正磁界を計算プログラムに取り組み、測定磁界から補正磁界を引き算するプログラムを付加した。また、このケースの場合、ハンドピースの稼働を停止、つまり電力が供給されていな状態にしておくことが必要である。そして、できるならハンドピースは非磁性であることが好ましい。 In the case of using a permanent magnet, the peripheral magnetic field distribution was measured in advance, a correction magnetic field was calculated according to the position of the handpiece, and a program was added to subtract the correction magnetic field from the measured magnetic field. Also, in this case, it is necessary to stop the operation of the handpiece, that is, to leave it in a state in which no power is supplied. And preferably the handpiece is non-magnetic.

第5の課題は、センサグリッドを利用してハンドピースの先端と口腔内の治療位置との相対的位置関係を求めて、所定の治療位置にハンドピース先端が、位置ずれが0.1mm以下、方位ずれが1度以下となるように、誘導することができる誘導システムを考案することである。
そのために、本発明者は、患者の口腔内の治療位置を、3次元X線CT画像上で、歯に取り付けた磁石体を原点に指定し、磁石体とハンドピース先端との相対的関係をセンサグリッドで計測し、その測定値を使って、以下に示す方法を考案した。
The fifth problem is to obtain the relative positional relationship between the tip of the handpiece and the treatment position in the oral cavity using a sensor grid, and to ensure that the tip of the handpiece is at a predetermined treatment position with a displacement of 0.1 mm or less. To devise a guidance system capable of guiding so that the misorientation is 1 degree or less.
For this purpose, the present inventor designates the treatment position in the patient's oral cavity on the three-dimensional X-ray CT image as the origin of the magnet attached to the tooth, and calculates the relative relationship between the magnet and the tip of the handpiece. We measured with a sensor grid and devised the following method using the measured values.

患者の口腔内の治療位置は、3次元X線画像上で、磁石体の中心を原点Omとして、磁化の向きをX軸、磁石の長手方向をZ軸、XZ平面に垂直な向きをY軸とした磁石座標系Cm系を設定し、Cm系において、治療位置の中心点をB点として、B点の位置をOmB=(Bx、By、Bz)とする(図11)。
また発明者は、ハンドピースに3軸加速度センサを取り付けて、傾斜度を測定し、それをつかってハンドピースのY軸を水平に維持し、ハンドピースの先端近くに磁気ベクトルセンサグリッドを取り付けて、グリッドの原点をOhとして、ハンドピースの長手方向をY軸とし、グリッドの横方向をX軸、縦方向をZ軸として、座標系C0とした。ハンドピースのドリルの先端位置をA点とし、その位置をOhA=(0、L、―H)とした。なお、患者の開口した口腔部が手術中に動かないように、患者の顎顔面部を手術用ホルダーで固定しておく。
The treatment position in the patient's oral cavity is determined on a three-dimensional X-ray image, with the center of the magnet as the origin Om, the direction of magnetization as the X axis, the longitudinal direction of the magnet as the Z axis, and the direction perpendicular to the XZ plane as the Y axis. In the Cm system, the center point of the treatment position is defined as point B, and the position of point B is defined as OmB=(Bx, By, Bz) (FIG. 11).
The inventor also attached a 3-axis accelerometer to the handpiece to measure the degree of inclination, used it to keep the Y-axis of the handpiece horizontal, and attached a magnetic vector sensor grid near the tip of the handpiece. , the origin of the grid is Oh, the longitudinal direction of the handpiece is the Y axis, the horizontal direction of the grid is the X axis, and the vertical direction is the Z axis, and a coordinate system C0 is established. The tip position of the drill of the handpiece was defined as point A, and this position was defined as OhA=(0, L, -H). The maxillofacial region of the patient is fixed with a surgical holder so that the patient's open oral cavity does not move during surgery.

両座標系の相対的な初期位置として、C1系のXZ面とCm系のXZ面が対面するように向け、ハンドピースの先端を磁石に近づけて、ハンドピースの先端の初期位置とし、この初期状態におけるハンドピース上のグリッド系をC1系とした。 As a relative initial position of both coordinate systems, the XZ plane of the C1 system and the XZ plane of the Cm system are directed to face each other, the tip of the handpiece is brought close to the magnet, and the initial position of the tip of the handpiece is set. The grid system on the handpiece in this state was designated as the C1 system.

次に、その状態で、まずグリッドを使って座標系C1における磁石の位置R1と方位(θ、φ)を計算し、その計算値を使って、C1系の方位はZ軸を回転軸に-θ度回転させ、Y軸を回転軸に-φ度回転させて、両座標系の方位関係を一致させた。この状態のハンドピース系をC2系とした。
C2系から見て、A2B2=OmB2+R2-OhA2となる。ここで、C2系とCm系の方位は一致しているので、OmB2=OmB1になり、OhA2は、C系のベクトル量なので、OhA1と同じになる。R2は、C1系で求めたベクトル量なので、座標系の回転に対応して、R2=Ry(φ1)Rz(θ1)R1となる。
Next, in that state, the grid is used to calculate the position R1 and the orientation (θ, φ) of the magnet in the coordinate system C1. By rotating the Y axis by θ degrees and rotating the Y axis by −φ degrees, the azimuth relationship between both coordinate systems was matched. The handpiece system in this state was designated as C2 system.
Viewed from the C2 system, A2B2=OmB2+R2-OhA2. Here, since the orientations of the C2 system and the Cm system match, OmB2=OmB1, and OhA2 is the vector quantity of the C system, so it is the same as OhA1. Since R2 is a vector quantity obtained by the C1 system, R2=Ry(φ1)Rz(θ1)R1 corresponding to the rotation of the coordinate system.

両系の相対的な位置と方位関係が把握できたので、治療位置に向けての進入パスを、3次元X線画像上で選択し、そのパスに沿って、ハンドピースの先端Aを治療箇所Bに移動させる。最も基本的なパスは、ハンドピースの先端Aをまっすぐに治療箇所Bに移動させることである。R2とA2B2の水平面上の角度αを、両ベクトルの内積から求める。次に、Z軸を回転軸にα度回転させて、Y軸を点B2に向け、この状態をC3系とする。
C3系において、グリッドを使って磁石の位置R3と方位(θ、φ)を計算し、A3B3=OmB3+R3-OhA3となる。ここで、OmB3=R(-α)OmB2を求める。OhA3は、C系のベクトルなので変化はしない。
Since the relative positions and orientations of both systems have been grasped, an approach path toward the treatment position is selected on the three-dimensional X-ray image, and the tip A of the handpiece is moved along that path to the treatment site. Move to B. The most basic path is to move the tip A of the handpiece straight to the treatment site B. The angle α on the horizontal plane between R2 and A2B2 is obtained from the inner product of both vectors. Next, the Z-axis is rotated about the rotation axis by α degrees, the Y-axis is directed to the point B2, and this state is defined as the C3 system.
In the C3 system, the grid is used to calculate the position R3 and orientation (θ 3 , φ 3 ) of the magnet, A3B3=OmB3+R3-OhA3. Here, OmB3=R(-α)OmB2 is obtained. OhA3 does not change because it is a C-system vector.

A3B3とZ軸(0,0,1)の角度から、Y軸の傾斜角βを求めて、C3系をX軸の回転軸にβ度回転させて、Z軸を点Bの方向に向け、その状態をC4系とする。
C4系で、グリッドを使って磁石の位置R4と方位(θ、φ)を計算し、A4B4=OmB4+R4-OhAを求める。ここで、OmB4=R(-β)OmB3である。
From the angle between A3B3 and the Z-axis (0, 0, 1), the tilt angle β of the Y-axis is obtained, the C3 system is rotated by β degrees about the rotation axis of the X-axis, and the Z-axis is directed toward the point B, This state is called C4 system.
In the C4 system, using the grid, calculate the position R4 and orientation (θ 4 , φ 4 ) of the magnet to obtain A4B4=OmB4+R4-OhA. where OmB4=R(-β)OmB3.

進入パスの方向と距離が決まったので、そのパスに沿って、ハンドピースの先端Aを治療箇所Bに移動させて、その時の座標系をC5系とする。C5系で、グリッドを使って磁石の位置R5と方位(θ、φ)を計算し、R5≒0を確認する。 Since the direction and distance of the approach path are determined, the tip A of the handpiece is moved to the treatment site B along the path, and the coordinate system at that time is defined as the C5 system. In the C5 system, use the grid to calculate the position R5 and orientation (θ 5 , φ 5 ) of the magnet and confirm that R5≈0.

インプラント埋入するための穴加工を行う。穴加工の方向は、X軸を回転軸にEx度、Y軸を回転軸にEy度傾斜している方向で、穴の深さはDとすると、まずX軸を回転軸に(Ex-β)度回転させて、Y軸方向に(Ex-B)×hだけ水平移動させる。つぎにY軸を回転軸にEy度回転させて、X軸方向にEy×hだけ水平移動させる。この状態をC6系とする。C6系で、グリッドを使って磁石の位置R6と方位(θ、φ)を計算し、R6≒0を確認する。 Drill holes for implant placement. The direction of drilling is a direction that is tilted at Ex degrees with the X axis as the rotation axis and Ey degrees with the Y axis as the rotation axis. ) degrees and horizontally moved by (Ex−B)×h in the Y-axis direction. Next, the Y-axis is rotated by Ey degrees around the rotation axis, and horizontally moved by Ey×h in the X-axis direction. This state is referred to as C6 system. In the C6 system, using the grid, calculate the position R6 and the orientation (θ 6 , φ 6 ) of the magnet and confirm that R6≈0.

ハンドピースの向きと位置を確認した後、ドリルを回転させながら、ハンドピースを距離Dだけ移動させて、C7系とする。C7系で、グリッドを使って磁石の位置R7と方位(θ、φ)を計算し、R7-R6≒Dを確認する。
確認後、ハンドピースを進入パスの逆ルートで初期位置まで戻す。以上の要領でハンドピースを誘導することができる。
After confirming the orientation and position of the handpiece, the drill is rotated and the handpiece is moved by a distance D to form the C7 system. In the C7 system, use the grid to calculate the position R7 and orientation (θ 6 , φ 6 ) of the magnet and confirm R7−R6≈D.
After confirmation, return the handpiece to the initial position in the reverse route of the approach path. The handpiece can be guided in the manner described above.

第6の課題は、固定用ホルダーで患者の顎顔面部を固定しておくが、それでも患者がハンドピース誘導中に、動いた場合の対策については、常時位置方位を計測しておき、ハンドピースの移動量から計算できる変化量と1mm以上異なる場合、移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開して、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保する。 The sixth problem is to fix the patient's maxillofacial area with a fixing holder, but to prevent the patient from moving while the handpiece is being guided, the position and orientation of the patient should be measured at all times. If there is a difference of 1 mm or more from the amount of change that can be calculated from the amount of movement in , the movement is temporarily stopped, the state is set as the C1 system, and the above guidance operation is resumed, and the position accuracy is 0.1 mm or less and the azimuth accuracy is 1 degree or less. Secure.

または、CCDカメラでCCDカメラ系Caと口腔内の歯列系Cbの角度を初期設定しておき、患者の顎顔面部が移動して歯列系CbがCa系に対して、位置移動量が1mm以上の変化が確認きた場合は移動を一時停止し、その状態をC1系として上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保する。 Alternatively, the angle between the CCD camera system Ca and the intraoral dentition system Cb is initially set by the CCD camera, and the patient's maxillofacial region moves to move the dentition system Cb relative to the Ca system. When a change of 1 mm or more is confirmed, the movement is temporarily stopped, and the guidance operation is restarted as the C1 system in that state to ensure the position accuracy of 0.1 mm or less and the azimuth accuracy of 1 degree or less.

本発明により、デンタル治療に於ける口腔内でのハンドピースの精密な位置と方位が測定できて、しかもハンドピースを正確に誘導することが可能となり、インプラント治療のロボット化を実現することができるようになると期待される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to measure the precise position and orientation of a handpiece in the oral cavity in dental treatment, and to accurately guide the handpiece, thereby realizing robotization of implant treatment. It is expected that

GSR素子の平面図である。2 is a plan view of a GSR element; FIG. GSRセンサ用の電子回路図である。Fig. 3 is an electronic circuit diagram for a GSR sensor; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(一体式タイプ)の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a magnetic field vector sensor (integrated type) using a GSR sensor; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(一体式タイプ)のA1-A2線の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic field vector sensor (integrated type) using a GSR sensor taken along line A1-A2; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(組み立て式タイプ)の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a magnetic field vector sensor (assembled type) using a GSR sensor; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(組み立て式タイプ)のB1-B2線の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic field vector sensor (assembled type) using a GSR sensor taken along line B1-B2; ハンドピースの先端に設置した円筒型グリッドセンサの斜視図である。Fig. 10 is a perspective view of a cylindrical grid sensor installed at the tip of the handpiece; ハンドピースの先端部に設置したグリッド板型配グリッドセンサの斜視図である。Fig. 10 is a perspective view of a grid plate type distribution grid sensor installed at the distal end of the handpiece; 計算プログラムのフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of a calculation program. (a)は位置精度に及ぼす磁石の磁気モーメントの影響を示し、(b)は方位精度に及ぼす磁気モーメントの影響を示す図である。(a) shows the influence of the magnetic moment of the magnet on the positional accuracy, and (b) shows the influence of the magnetic moment on the azimuth accuracy. 誘導プログラムのフローチャートを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a flow chart of a guidance program; ハンドピースの誘導システムの概念図である。1 is a conceptual diagram of a guidance system for a handpiece; FIG. 誘導システムにおける初期状態の座標C1系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate C1 system of the initial state in a guidance system. 誘導システムにおける移動開始状態の座標C3系を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a coordinate system C3 in the guidance system in a movement start state; 誘導システムにおける治療位置(B4)状態の座標C4系を示す図である。FIG. 11 shows the coordinate C4 system of the treatment position (B4) state in the guidance system;

本発明の第1実施形態は、以下の通りである。
歯に磁石体を貼り付けて、ハンドピースの位置・方位検出装置は、磁石体1個を口腔内の特定の歯に磁石体マーカの長さ方向を垂直方向(Z軸)にし、磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置して、前記磁石体の中心を原点Omにして、磁化ベクトルの向きをX軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする座標系Cmとし、口腔内の治療箇所を点Bとして、磁石体マーカの中心からの位置関係をOmBと定めておき、
前記ハンドピースは、本体に3軸加速度センサと、磁界ベクトルセンサからなる磁界ベクトルセンサグリッドを有し、
前記3軸加速度センサは、前記ハンドピースの本体に設置し、水平面に対する前記ハンドピースの傾斜角ηを計測し、その測定値を前記データ処理装置に転送する機能を有し、
A first embodiment of the present invention is as follows.
A magnet is attached to a tooth, and the position/direction detection device of the handpiece attaches one magnet to a specific tooth in the oral cavity so that the length direction of the magnet marker is perpendicular (Z-axis), and the magnetization vector is A coordinate system installed in the horizontal direction (X-axis), with the center of the magnet as the origin Om, the direction of the magnetization vector as the X-axis, the thickness direction of the magnet as the Y-axis, and the longitudinal direction as the Z-axis. Cm, the treatment site in the oral cavity is point B, and the positional relationship from the center of the magnetic marker is determined as OmB,
The handpiece has a magnetic field vector sensor grid consisting of a three-axis acceleration sensor and a magnetic field vector sensor in its main body,
The three-axis acceleration sensor is installed in the body of the handpiece, has a function of measuring an inclination angle η of the handpiece with respect to a horizontal plane, and transfers the measured value to the data processing device,

前記磁界ベクトルセンサグリッドは、前記ハンドピースの患者の口腔側の先端近くに設置され、前記磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点Ohにし、前記ハンドピースの軸をY軸、前記磁界ベクトルセンサグリッドのグリッド板の横方向をX軸とし、グリッド板の縦方向をZ軸とする座標系C系とし、前記磁石体が発する磁界を測定し、測定データを前記センサデータ処理装置に転送する機能を有し、
さらにハンドピース先端部を点Aとして、座標系Cとし、グリッドの中心からの位置関係をOhAと定めておき、
センサデータ処理装置は、前記3軸加速度センサおよび前記磁界ベクトルセンサグリッドより検出された測定値およびOmBとOhAの固定値とを一体的に処理して、腔内の治療位置とハンドピース先端部の位置・方位関係を算出する機能を有し、およびそれらの値を術者に知らせる表示装置とからなり、
The magnetic field vector sensor grid is installed near the tip of the handpiece on the patient's oral cavity side, the center of the magnetic field vector sensor grid is the origin Oh, the axis of the handpiece is the Y axis, and the grid of the magnetic field vector sensor grid is It has a coordinate system C with the horizontal direction of the plate as the X axis and the vertical direction of the grid plate as the Z axis, and has a function of measuring the magnetic field generated by the magnet and transferring the measured data to the sensor data processing device. ,
Furthermore, the tip of the handpiece is defined as a point A, the coordinate system is defined as C, and the positional relationship from the center of the grid is defined as OhA,
The sensor data processing device integrally processes the measured values detected by the three-axis acceleration sensor and the magnetic field vector sensor grid and the fixed values of OmB and OhA to determine the treatment position in the cavity and the tip of the handpiece. It consists of a display device that has a function to calculate the position and orientation relationship and informs the operator of those values,

前記センサデータ処理装置は、前記磁界ベクトルセンサグリッドの測定値を使って、前記C系による前記磁石体マーカの位置X、Y、Zおよび方位θ、φを計算し、また加速度センサの測定値を使って、方位ηを計算して、C系とCm系の方位関係および原点間の距離を計算し、さらにCm系のデータOmBをC系に座標転換することによって、口腔内の治療位置とハンドピース先端部の位置・方位関係を計算し、術者に知らせることを特徴とするものである。 The sensor data processor calculates the positions X, Y, Z and the orientations θ, φ of the magnetic marker by the C system using the magnetic field vector sensor grid measurements, and also calculates the acceleration sensor measurements. to calculate the azimuth η, the azimuth relationship between the C system and the Cm system and the distance between the origins; It is characterized by calculating the position/orientation relationship of the tip of the piece and notifying the operator of it.

各構成要素を具体的に以下に説明する。
<磁石体>
磁石体としては、パルス型電磁石、交流型電磁石または永久磁石とし、サイズ幅は4mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体マーカの磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとする。磁石体マーカは歯に設置できるほど小さいことが必要であるが、小さいと磁気モーメントが小さくなって発生する磁界が弱くなり、位置決め精度が低下することから上記のサイズとする。
Each component will be specifically described below.
<Magnet body>
The magnetic body is a pulse-type electromagnet, an AC-type electromagnet, or a permanent magnet, with a size width of 4 mm or less and a length of 10 mm or less, and a magnetic moment of the magnetic body marker of 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm. do. The magnetic marker must be small enough to be placed on the tooth, but if it is small, the magnetic moment will be small, the generated magnetic field will be weak, and the positioning accuracy will be lowered.

パルス磁界型電磁石は、パルス周期は、50Hzから1kHz、パルス幅0.1秒から5m秒とした。励磁電流Iは、磁針素材を飽和することができる強さ、すなわち磁化力Hが保磁力Hcの5倍以上となるようにコイル巻き数を考慮した電流強度とする。 The pulse magnetic field type electromagnet has a pulse period of 50 Hz to 1 kHz and a pulse width of 0.1 seconds to 5 ms. The excitation current I has a strength that can saturate the magnetic needle material, that is, a current strength that takes into consideration the number of coil turns so that the magnetizing force H is five times or more the coercive force Hc.

交流式電磁石は、磁性体にコイルを巻き付けたもので、周波数は10Hzから10kHzとする。励磁電流Iは、磁針素材を直線的に磁化できる磁化力の範囲、およそ保磁力Hcの0.5倍以下として、磁化力HがH<0.5Hcとなるように、コイル巻き数を考慮した電流強度とする。 The AC electromagnet is a coil wound around a magnetic body, and has a frequency of 10 Hz to 10 kHz. The excitation current I is set to a range of magnetizing force that can linearly magnetize the magnetic needle material, approximately 0.5 times or less than the coercive force Hc, and the number of coil turns is taken into consideration so that the magnetizing force H is H<0.5Hc. be the current intensity.

永久磁石を使用する場合には、周辺磁界の影響を受けやすいので、可能な限り大きな磁気モーメント、例えば、20×10-9~100×10-9Wbm程度を有する磁石体マーカを使用する。そのために、BHmax30MGOeから55MGOeの性能を有する希土類磁石を防錆処理して用いる。本発明は特定の磁石材質に限定されるものではないが、できるだけ磁力が大きい磁石を使用することが好ましい。 When a permanent magnet is used, it is easily affected by a surrounding magnetic field, so a magnet body marker having as large a magnetic moment as possible, for example, about 20×10 −9 to 100×10 −9 Wbm is used. For this purpose, a rare earth magnet having a BHmax of 30MGOe to 55MGOe is used after being subjected to antirust treatment. Although the present invention is not limited to a specific magnet material, it is preferable to use magnets with as large a magnetic force as possible.

<磁界ベクトルセンサ>
GSRセンサは、1MHzから5MHzのパルス周期で磁界を繰り返し高速で測定し、それを平均化して、200Hzから1KHzの測定速度で出力する。
GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサとしては、3次元GSR素子をASIC表面と直接形成した一体式タイプ(図3、4)と、On-ASICタイプのGSRセンサ(サイズは、長さ2mm、幅1mm)の4個を、四角錐台の稜線部の4つの斜面に、4回対称かつ鏡面対称に貼り付けた組み立て式タイプ(図5、6)を用いる。
<Magnetic field vector sensor>
The GSR sensor repeatedly and rapidly measures the magnetic field with a pulse period of 1 MHz to 5 MHz, averages it, and outputs it at a measurement rate of 200 Hz to 1 KHz.
Magnetic field vector sensors using GSR sensors include an integrated type (Figs. 3 and 4) in which a 3D GSR element is directly formed on the ASIC surface, and an On-ASIC type GSR sensor (size: 2 mm long, 1 mm wide). ) are attached to the four slopes of the ridge of the truncated square pyramid in four-fold symmetry and mirror symmetry (FIGS. 5 and 6).

一体式タイプは、1kHzの測定速度で50nT以下の検出力を有し、サイズは幅1.2mm×長さ1.2mm×高さ1mmから幅2mm×長さ2mm×高さ2mm程度のものである。
組み立て式タイプは、1KHzの測定速度は5nT以下で、サイズは幅5mm×長さ5mm×高さ2mm以下の超小型で磁界検出力の優れた組み立て式の磁界ベクトルセンサである。
本発明は、小型で高性能の磁界ベクトルセンサを使用するものであって、上記二つのタイプの使用に限定されるものではない。
The integrated type has a detection power of 50 nT or less at a measurement speed of 1 kHz, and the size ranges from 1.2 mm width x 1.2 mm length x 1 mm height to 2 mm width x 2 mm length x 2 mm height. be.
The prefabricated type has a measurement speed of 5 nT or less at 1 kHz, and is an ultra-compact, prefabricated magnetic field vector sensor with a size of 5 mm width×5 mm length×2 mm height or less and excellent magnetic field detection capability.
The present invention uses small, high performance magnetic field vector sensors and is not limited to the above two types of use.

磁界ベクトルセンサは、磁石体から発する磁界と周辺磁界と同時に測定するので、その測定値から周辺磁界の影響を排除して磁石体から発する磁界だけを検知して用いる。
パルス磁界型電磁石と交流式電磁石の場合、検出した磁界の変動幅を磁石体マーカから発する磁界とした。永久磁石の場合、あらかじめ周辺磁界を測定しておき、測定値からその値を差し引いて補正する。
Since the magnetic field vector sensor simultaneously measures the magnetic field emitted from the magnet body and the surrounding magnetic field, the influence of the surrounding magnetic field is eliminated from the measured value and only the magnetic field emitted from the magnet body is detected and used.
In the case of the pulse magnetic field type electromagnet and the AC type electromagnet, the variation width of the detected magnetic field was taken as the magnetic field emitted from the magnet body marker. In the case of permanent magnets, the peripheral magnetic field is measured in advance and corrected by subtracting the value from the measured value.

<磁界ベクトルセンサグリッド>
磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースを口腔内に挿入するために空間的制約および形状の制約を強く受ける。
磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースの先端部に磁界ベクトルセンサを幾何学的に取り付けたもので、磁界ベクトルセンサがセンサグリッド体に3~25mmの磁界ベクトルセンサ間隔にて5個以上配置され、センサグリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸の向きをY軸、センサグリッドの横方向(水平方向)をX軸とし、センサグリッド板の縦方向(垂直方向)をZ軸とする座標系をC系としている。
<Magnetic field vector sensor grid>
Magnetic field vector sensor grids are highly spatially and geometrically constrained due to the intraoral insertion of the handpiece.
The magnetic field vector sensor grid has a magnetic field vector sensor geometrically attached to the tip of the handpiece, and five or more magnetic field vector sensors are arranged on the sensor grid body with a magnetic field vector sensor interval of 3 to 25 mm. The center of the grid is the origin, the direction of the handpiece axis is the Y axis, the lateral direction (horizontal direction) of the sensor grid is the X axis, and the vertical direction (vertical direction) of the sensor grid plate is the Z axis. and

第1実施形態は、ハンドピースの先端の円筒部に図7に示す9個の磁界ベクトルセンサを幾何学的に配置し、それをグリッド体とする。
磁界ベクトルセンサグリッドは、各磁界ベクトルセンサとマルチプレクサMUXと連結し、次の全データが最終MUXと連結し、外部の信号処理回路に転送される。電源配線は、図示していないが、電源配線VDDとグランド配線GNDとが各磁界ベクトルセンサに連結して、センサグリッド稼働時にはすべての磁界ベクトルセンサに電源が供給できるようにしている。グリッド電子回路基板は、ハンドピース本体に設置することが好ましい。
センサグリッドの組み立て精度については、極力小さくすることが求められており、10μm以下の誤差が好ましい。
In the first embodiment, the nine magnetic field vector sensors shown in FIG. 7 are geometrically arranged on the cylindrical portion at the tip of the handpiece, and this is used as a grid body.
The magnetic field vector sensor grid connects each magnetic field vector sensor with a multiplexer MUX and all subsequent data is connected with the final MUX and forwarded to external signal processing circuitry. Although not shown, power supply wiring VDD and ground wiring GND are connected to each magnetic field vector sensor so that power can be supplied to all magnetic field vector sensors when the sensor grid is in operation. The grid electronics board is preferably mounted on the handpiece body.
The assembly accuracy of the sensor grid is required to be as small as possible, and an error of 10 μm or less is preferable.

<磁界ベクトルセンサグリッドによる計測>
磁界ベクトルセンサグリッドによる磁石体マーカの計測については、グリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸をY軸、グリッド板の水平方向をX軸とし、グリッド板の縦方向をZ軸とする座標系をC系とし、ハンドピースに加速度センサを設置して、Y軸は水平に保ち、グリッドセンサ面であるXZ面を垂直面に保つことにする。
ハンドピースの初期位置は、ハンドピースのC系のXZ面と磁石のCm系のXZ面が対向するように向けることにして、Y軸に沿ってハンドピースを口腔内に近づけて、ハンドピースの先端を口腔内の指定された治療箇所に誘導していくことにする。この過程でハンドピースの先端と磁石の位置・方位関係を磁界ベクトルセンサグリッドにより計測し、そのデータをセンサグリッドデータ処理回路に転送し、そこで、磁界ベクトルセンサグリッドにより計測した測定データを高速で処理する。
<Measurement by magnetic field vector sensor grid>
For the measurement of the magnetic marker by the magnetic field vector sensor grid, a coordinate system with the center of the grid as the origin, the handpiece axis as the Y axis, the horizontal direction of the grid plate as the X axis, and the vertical direction of the grid plate as the Z axis. A C system is used, an acceleration sensor is installed on the handpiece, the Y axis is kept horizontal, and the XZ plane, which is the grid sensor plane, is kept vertical.
The initial position of the handpiece is such that the XZ plane of the C system of the handpiece and the XZ plane of the Cm system of the magnet face each other. The tip is to be guided to the designated treatment site in the oral cavity. In this process, the position and orientation relationship between the tip of the handpiece and the magnet is measured by the magnetic field vector sensor grid, and the data is transferred to the sensor grid data processing circuit, where the measurement data measured by the magnetic field vector sensor grid is processed at high speed. do.

<データ処理装置における計算>
データ処理装置では、グリッドによる磁石体マーカの測定値を使って、磁石体マーカの位置と方位を算出する。C座標系の原点から磁石体の位置(X、Y、Z)と方位Θ、Φをガウスニュートン法により計算する。
<Calculation in data processor>
The data processor calculates the position and orientation of the magnetic marker using the grid-based measurement of the magnetic marker. The position (X, Y, Z) and orientations Θ and Φ of the magnet are calculated from the origin of the C coordinate system by the Gauss-Newton method.

その計算方法は、図9に示す通りで、C座標系における前記磁石体(M(→))の位置を(X、Y、Z)とし、磁化ベクトルの向きをX軸に対する回転角をΘとし、Z軸に対する回転角をΦとして、磁石体の位置と方位(X、Y、Z、ΘおよびΦ)を、ガウスニュートン法に従って、

(1)C座標系に固定された磁界センサグリッドの各磁界ベクトルセンサの位置(i,j)における磁界ベクトルH(→)ijを計測し(ステップ101)、
(2)その絶対値がS/N比で500倍以上あることを確認(ステップ102)し、
(3)磁石体(M(→))が、C座標系に対して、位置(x、y、z)および方位(θ、φ)にあるとして、前記磁界センサグリッドの位置(i,j)がつくる磁界ベクトル
H(→)ijの理論値を計算し(ステップ103)、
(4)測定誤差を、eijH(→)ijH(→)ijにより計算し(ステップ104)、
(5)誤差の平方和を、Eij=Σeij により計算し(ステップ105)、
(6)誤差平方和を最小とするx、y、z、θ、φを算出して(ステップ106)
(7)磁石体の位置X、Y、Zおよび方位Θ、Φを求め(ステップ107)、
位置精度0.5mm以下、方位精度1度以下、測定サンプリング速度は1~50H
zで位置・方位を測定し、データを1Hzから50Hzの速度で計算する方法であ
る。この方法により、センサグリッドでCh系における磁石体の位置と方位を、位置
精度0.1mm以下、方位精度1度以下で測定することができる。
The calculation method is as shown in FIG. , the rotation angle with respect to the Z axis is Φ, and the position and orientation (X, Y, Z, Θ and Φ) of the magnet are calculated according to the Gauss-Newton method as follows:

(1) measuring the magnetic field vector m H (→) ij at the position (i, j) of each magnetic field vector sensor of the magnetic field sensor grid fixed to the C coordinate system (step 101);
(2) Confirm that the absolute value is 500 times or more in S/N ratio (step 102),
(3) Assuming that the magnet (M(→)) is at the position (x, y, z) and the orientation (θ, φ) with respect to the C coordinate system, the position (i, j) of the magnetic field sensor grid The magnetic field vector produced by
Calculate the theoretical value of t H(→) ij (step 103);
(4) calculating the measurement error by e ij = t H(→) ij −m H(→) ij (step 104);
(5) calculating the sum of squares of the errors by E ij =Σe ij 2 (step 105);
(6) Calculate x, y, z, θ, and φ that minimize the error sum of squares (step 106)
(7) Find the positions X, Y, Z of the magnet and the orientations Θ, Φ (step 107),
Positional accuracy of 0.5mm or less, azimuth accuracy of 1 degree or less, measurement sampling rate of 1 to 50H
In this method, the position and orientation are measured at z, and the data are calculated at a rate of 1 Hz to 50 Hz. By this method, the position and orientation of the magnet in the Ch system can be measured with a sensor grid with a position accuracy of 0.1 mm or less and an orientation accuracy of 1 degree or less.

本発明の第2実施形態は、第1実施形態を利用して、ハンドピースの先端部A点を治療箇所B点に誘導するための方法で、図11により説明する。
まず、3次元のX線CT画像マップから、口腔内の磁石体マーカの位置を特定し、磁石体マーカの中心点Omと磁化の向きをX軸、磁石体の縦方向をZ軸とするCm系を想定して、治療位置B点の位置と方位を指定する。
次に、センサグリッドでC系における磁石体の位置と方位を測定し、その磁石体の向きθ、φの測定値を使って、C系をC系のZ軸を回転軸に-θ回転で、両系のXY面の角度ずれを、C系のY軸を回転軸に-φ回転でZX面の角度ずれを、それぞれ修正し、両系の方位を一致させることができる。
回転後のC系における、Cm系における治療位置B点の座標点をC系のそれに変換することによって、C系におけるベクトルABを求めることができる。このベクトルABによって、ハンドピースの先端位置A点と治療位置B点との相対的な位置方位関係が指定できる。
A second embodiment of the present invention is a method for guiding point A on the distal end of the handpiece to point B to be treated using the first embodiment, and will be described with reference to FIG.
First, from a three-dimensional X-ray CT image map, the position of the magnet marker in the oral cavity is specified, and Cm is determined with the center point Om of the magnet marker and the direction of magnetization as the X axis and the vertical direction of the magnet as the Z axis. Assuming a system, specify the position and orientation of the treatment position B point.
Next, the sensor grid measures the position and orientation of the magnet in the C system, and using the measured values of the orientation θ and φ of the magnet, the C system is rotated by −θ with the Z axis of the C system as the rotation axis. , the angle deviation of the XY plane of both systems can be corrected, and the angle deviation of the ZX plane can be corrected by -φ rotation of the C system about the Y axis as the rotation axis, so that the orientations of both systems can be matched.
A vector AB in the C system can be obtained by transforming the coordinate point of the treatment position B point in the Cm system in the C system after rotation to that in the C system. This vector AB can specify the relative position-orientation relationship between the tip position A point of the handpiece and the treatment position B point.

<誘導システム>
この方法を使ったハンドピースを、自動制御装置のロボットハンドで把持して歯の治療を行なう誘導システムは、図12に示す手順で行うものである。
(1)あらかじめ、ハンドピースC系におけるハンドピースの先端部Aの座標位置と、口腔内の磁石系Cmにおける治療箇所Bの座標位置、および穴あけ加工の向きY軸を回転軸にβ角回転、次にX軸を回転軸にγ角回転と穴の深さHを入力しておき、ハンドピース先端を水平にして、歯に設置した磁石の近くに保持し、その状態を誘導システムの初期位置として、この状態の座標系CをC1(図13)とし、センサグリッドによって前記磁石体から発する磁界を前記磁界ベクトルで測定し、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出する(ステップ201)。
<Guidance system>
A guidance system in which a hand piece using this method is gripped by a robot hand of an automatic control device to treat a tooth is carried out according to the procedure shown in FIG.
(1) In advance, the coordinate position of the distal end A of the handpiece in the handpiece C system, the coordinate position of the treatment site B in the intraoral magnetic system Cm, and the direction of drilling processing are rotated by β angle around the Y axis as the rotation axis, Next, with the X axis as the rotation axis, enter the γ angle rotation and the depth H of the hole, level the tip of the handpiece, hold it near the magnet installed on the tooth, and place it in the initial position of the guidance system. Assuming that the coordinate system C in this state is C1 (FIG. 13), the magnetic field emitted from the magnet by the sensor grid is measured by the magnetic field vector, and the position (x, y, z) and orientation (θ, φ ) is calculated (step 201).

(2)ハンドピースの向きを、Z軸を軸に-θ回転させてこの状態の座標系CをC2系とし、治療位置BとY軸との角度αを計算する(ステップ202)。 (2) Rotate the direction of the handpiece by -θ about the Z axis, change the coordinate system C in this state to the C2 system, and calculate the angle α between the treatment position B and the Y axis (step 202).

(3)ハンドピースのZ軸を回転軸にα角回転させて、ハンドピースを治療箇所Bの方向に向ける。その後穴あけ加工の方向にドリルを向けるために、Y軸を回転軸にβ角回転し、次にX軸を回転軸にγ角回転させ、この状態の座標系CをC3系(図14)とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出してハンドピース先端の位置Aを所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算する(ステップ203)。
(3) Rotate the Z-axis of the handpiece at an angle of α around the rotation axis to orient the handpiece in the direction of the treatment site B. After that, in order to orient the drill in the direction of drilling, the drill is rotated by β angle around the Y axis, and then rotated by γ angle around the X axis. ,
By calculating the position (x, y, z) and the orientation (θ, φ) of the magnet, the positional relationship AB between the position A of the tip of the handpiece and the predetermined treatment position B is calculated (step 203).

(4)ハンドピースの先端AをY軸にそって移動させて、所定の治療位置Bに誘導して静止し、この状態の座標系CをC4系(図14)とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算し、両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下となっており、両者が一致していることを確認する(ステップ204)。
(4) Move the tip A of the handpiece along the Y-axis, guide it to a predetermined treatment position B, and stop it.
The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body were calculated, and the positional relationship AB between the tip position A of the handpiece and the predetermined treatment position B was calculated. The azimuth deviation is 1 mm or less and 1 degree or less, and it is confirmed that the two match (step 204).

(5)両者が一致していない場合には、各軸を微小移動させて、位置ずれを0.1mm以下となるように補正し、各軸を回転軸に微小回転させて、方位ずれが1度以下となるように補正し、この状態の座標系CをC5系とする(ステップ205)。 (5) If the two do not match, each axis is finely moved to correct the positional deviation so that it is 0.1 mm or less, and each axis is finely rotated about the rotation axis so that the azimuth deviation is 1. The coordinate system C in this state is changed to the C5 system (step 205).

(6)ハンドピースを指定された向きに指定された距離Hだけ移動させて治療を終えて、この状態の座標系CをC6系とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aが、指定された穴の方向に深さHの位置にあることを確認する(ステップ206)。
(6) Move the handpiece in the specified direction by the specified distance H to complete the treatment, and let the coordinate system C in this state be the C6 system,
Calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, and confirm that the tip position A of the handpiece is at the depth H in the direction of the specified hole (step 206).

(7)ハンドピースをC6系のZ軸に沿って、Hだけ戻し、次にY軸に沿って距離ABそのまま原点間距離ベクトル(-X、-Y、-Z)だけ移動させて、C4系のA点の位置に戻すことにより、インプラント穴あけ加工を自動制御で行うことができる(ステップ207)。 (7) Return the handpiece by H along the Z-axis of the C6 system, then move the distance AB along the Y-axis as it is by the distance vector between origins (-X, -Y, -Z), and By returning to the position of point A, the implant hole drilling can be performed under automatic control (step 207).

なお、ハンドピース誘導中は固定ホルダーで患者の顎顔面部は固定されているが、患者が動いた場合には次の対策を予め用意する。
常時、ハンドピースの位置方位を計測しておき、ハンドピースの移動量から計算できる変化量と1mm以上異なる場合にはハンドピースの移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。
Although the patient's maxillofacial region is fixed with a fixed holder while the handpiece is being guided, the following countermeasures should be prepared in advance if the patient moves.
Always measure the position and orientation of the handpiece, and if there is a difference of 1 mm or more from the amount of change that can be calculated from the amount of movement of the handpiece, temporarily stop the movement of the handpiece, and use that state as the C1 system, and perform the above guidance operation. shall be resumed, and a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 1 degree or less shall be secured.

または、CCDカメラでCCDカメラ系Caと口腔内の歯列系Cbの角度を初期設定しておき、患者の顎顔面部が移動して歯列系CbがCa系に対して、位置移動量が1mm以上の変化が確認できた場合、移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。 Alternatively, the angle between the CCD camera system Ca and the intraoral dentition system Cb is initially set by the CCD camera, and the patient's maxillofacial region moves to move the dentition system Cb relative to the Ca system. If a change of 1 mm or more can be confirmed, the movement shall be temporarily stopped, the state shall be regarded as C1 system, and the above guidance operation shall be resumed to ensure the position accuracy of 0.1 mm or less and the azimuth accuracy of 1 degree or less. .

<術者への誘導アシストシステム>
本発明の第3実施形態は、第2実施形態を利用して、自動制御装置に代えて、術者が手でハンドピースを把持し、その術者へアシストするシステムである。
(1)術者は表示画面により指定された入力値、A点とB点の位置、および穴あけ加工の向きと穴の深さHを記憶しておき、
ハンドピース先端を水平にして、歯に設置した磁石の近くに保持し、その状態で、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、誘導システムの初期位置として、その値を術者に伝えてアシストし、この状態の座標系CをC1とする(ステップ301)。
<Guidance assistance system to the operator>
The third embodiment of the present invention utilizes the second embodiment to provide a system in which the operator holds the handpiece by hand instead of the automatic control device and assists the operator.
(1) The operator memorizes the input values specified on the display screen, the positions of points A and B, the direction of drilling and the depth H of the hole,
Hold the tip of the handpiece horizontally and close to the magnet installed on the tooth. In this state, calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, and the initial position of the guidance system. , the value is conveyed to the operator to assist, and the coordinate system C in this state is set to C1 (step 301).

(2)ハンドピースの向きを、Z軸を軸に-θ回転させる際に回転中の回転角の変化を術者に伝えてアシストし、回転量がθに到達した時に静止し、この状態の座標系CをC2系とし、治療位置BとY軸との角度αを計算する(ステップ302)。 (2) When rotating the direction of the handpiece by -θ around the Z axis, the operator is assisted by conveying the change in rotation angle during rotation to the operator, and when the amount of rotation reaches θ, the handpiece stops and this state is restored. The coordinate system C is defined as the C2 system, and the angle α between the treatment position B and the Y axis is calculated (step 302).

(3)術者は、ハンドピースのZ軸を回転軸にα角回転させて、ハンドピースを治療箇所Bの方向に向ける。その後穴あけ加工の方向にドリルをむけるために、Y軸を回転軸にβ角回転し、次にX軸を回転軸にγ角回転させ、この状態の座標系CをC3系とし、回転の際には、回転角度の変化を術者に伝えてアシストし、所定の回転量に到達した時に静止し、この状態の座標系CをC3系(図13)とし、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aを所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算する(ステップ303)。 (3) The operator rotates the handpiece through an α angle around the Z axis of the handpiece, and orients the handpiece in the direction of the treatment site B. After that, in order to orient the drill in the direction of drilling, the Y axis is rotated by an angle of β, and then the X axis is rotated by an angle of γ. , the operator is assisted by conveying the change in rotation angle to the operator, and stops when a predetermined amount of rotation is reached. , z) and the orientation (θ, φ) are calculated, and the positional relationship AB between the position A of the tip of the handpiece and the predetermined treatment position B is calculated (step 303).

(4)術者は、ハンドピースの先端AをY軸にそって、所定の治療位置Bに移動する。移動の際には、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係を計算し、移動量を術者に伝えてアシストし、B点に到達して静止し、この状態の座標系CをC4系とし、両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下となっていることを確認する(ステップ304)。 (4) The operator moves the tip A of the handpiece along the Y-axis to a predetermined treatment position B. When moving, the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet are calculated, the positional relationship between the position A of the tip of the handpiece and the predetermined treatment position B is calculated, and the amount of movement is conveyed to the operator to assist, and the coordinate system C in this state is assumed to be the C4 system, and the positional deviation between the two is 0.1 mm or less and the azimuth deviation is 1 degree or less. is confirmed (step 304).

(5)両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下でない場合は、術者は、各軸を微小移動させて位置ずれを0.1mm以下となるように補正し、各軸を回転軸に微小回転させて方位ずれが1度以下となるように補正する。補正結果は術者に伝えられてアシストされ、この状態の座標系CをC5系とする(ステップ305)。 (5) If the positional deviation between the two is 0.1 mm or less and the azimuth deviation is not 1 degree or less, the operator finely moves each axis to correct the positional deviation to 0.1 mm or less. is slightly rotated about the rotation axis to correct the azimuth deviation to 1 degree or less. The correction result is communicated to the operator for assistance, and the coordinate system C in this state is changed to the C5 system (step 305).

(6)ハンドピースを指定された向きに指定された距離Hだけ移動させる際に、移動中の移動量を術者に伝え、指定された値Hに到達すると術者が加工を終えることができるようにアイシトし、この状態の座標系CをC6系とする。
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aが穴の方向に深さHの位置にあることを確認する(ステップ306)。
(6) When the handpiece is moved in a specified direction by a specified distance H, the amount of movement during movement is communicated to the operator, and when the specified value H is reached, the operator can finish processing. and let the coordinate system C in this state be the C6 system.
The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet are calculated, and it is confirmed that the tip position A of the handpiece is at the depth H in the direction of the hole (step 306).

(7)術者は、ハンドピースをC6系のZ軸に沿って、Hだけ戻し、次にY軸に沿って距離ABそのまま原点間距離ベクトル(-X、-Y、-Z)だけ移動させて、C4系のA点の位置に戻す動作において、動作中の移動距離を術者に伝えて(ステップ307)、
インプラント穴あけ加工をアイシトすることを特徴とするハンドピース誘導アシストシステム。
(7) The operator returns the handpiece by H along the Z-axis of the C6 system, and then moves the distance AB along the Y-axis by the distance vector between origins (-X, -Y, -Z). In the operation to return to the position of point A in the C4 system, the operator is informed of the movement distance during the operation (step 307),
A handpiece guidance assist system characterized by facilitating implant drilling.

本発明の第4実施形態は、第2実施形態において、
ハンドピースの先端の円筒部にグリッドを配置する方法に代えて、ハンドピースの先端部にグリッド板を配置し、そのグリッド板に12個のベクトルセンサを配置したグリッド(図7)を用いたもので、グリッドの形状以外は第2実施形態と同じである。
In the fourth embodiment of the present invention, in the second embodiment,
Instead of placing a grid on the cylindrical portion of the tip of the handpiece, a grid plate is placed on the tip of the handpiece, and a grid (Fig. 7) with 12 vector sensors placed on the grid plate is used. , and is the same as the second embodiment except for the shape of the grid.

[実施例1]
第1実施形態で用いた磁界ベクトルセンサグリッドをベースにし、磁石体としてパルス型電磁石、磁界ベクトルセンサとして3次元素子とASICよりなる一体式タイプを用いたものである。
[Example 1]
Based on the magnetic field vector sensor grid used in the first embodiment, a pulse-type electromagnet is used as the magnet body, and an integrated type consisting of a three-dimensional element and an ASIC is used as the magnetic field vector sensor.

磁石体は、パルス型電磁石よりなり、サイズ幅は4mm、長さは5mm、厚み1mmにて、磁石体の磁気モーメントは40×10-9Wbmとし、パルス周期は500Hz、パルス幅は5m秒とした。磁針の磁性材料は透磁率30,000、保磁力80A/mよりなるパーマロイを使用した。コイル巻き数は400回にて1mm当たり100回で、励磁電流は0.5A、磁化力Hは200A/mとし、磁針を飽和させた。 The magnet body is a pulse-type electromagnet with a size width of 4 mm, a length of 5 mm, and a thickness of 1 mm. did. Permalloy having a magnetic permeability of 30,000 and a coercive force of 80 A/m was used as the magnetic material of the magnetic needle. The number of turns of the coil was 400 times, 100 times per 1 mm, the exciting current was 0.5 A, the magnetizing force H was 200 A/m, and the magnetic needle was saturated.

なお、周辺磁界ノイズ対策として、磁界ベクトルセンサは、周辺磁界を中心に磁石体の発する磁界の強さHに相当する振動する磁界を検知する。振動した振動幅の平均の半分が磁石体から発する磁界ベクトルとなる。しかも周辺の磁界の環境の変動、特にハンドピースの移動による磁界Hの変動の影響を受けないことを確認した。 As a countermeasure against peripheral magnetic field noise, the magnetic field vector sensor detects an oscillating magnetic field corresponding to the strength Hm of the magnetic field generated by the magnet around the peripheral magnetic field. A magnetic field vector generated from the magnet body is half of the average amplitude of the vibration. Moreover, it was confirmed that there is no influence of environmental fluctuations of the surrounding magnetic field, especially fluctuations of the magnetic field H0 caused by movement of the handpiece.

磁界ベクトルセンサは、ハンドピースの最先端部の円筒の上に貼り付けるので、小型サイズであることを優先して、一体的なタイプを採用した。その性能は1kHzの測定速度で50nTの検出力を有し、サイズは1.2mm×1.2mm×高さ1mmである。 Since the magnetic field vector sensor is attached on the cylinder at the tip of the handpiece, we adopted an integrated type, giving priority to its small size. Its performance has a power of 50 nT at a measurement rate of 1 kHz and a size of 1.2 mm x 1.2 mm x 1 mm height.

磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースの先端の円筒部に図7に示すように9個のセンサを円筒状に配置したもので、直径10mmの円筒の両端に3列に6個、最先端部に3個張り付けた。
グリッドの中心は、6個のセンサを配置した平面の中心を原点にし、ハンドピース軸をY軸、グリッド板の水平方向をX軸とし、グリッド板の縦方向をZ軸とする座標系をC系とした。
As shown in Fig. 7, the magnetic field vector sensor grid has 9 sensors arranged in a cylindrical shape on the cylindrical part of the tip of the handpiece. I attached three.
The center of the grid is the center of the plane on which the six sensors are arranged. system.

磁石体の位置・方位を算出するプログラムは、第1実施形態で図9に示す方法を用いた。その結果、磁石体の位置と方位を、ハンドピース系の原点から磁石体の距離が5mmから50mmの距離の範囲で、20Hzの測定速さで、位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で求めることができた。 The method shown in FIG. 9 was used in the first embodiment as a program for calculating the position and orientation of the magnet. As a result, the position and orientation of the magnet body were measured within a range of 5 mm to 50 mm from the origin of the handpiece system, at a measurement speed of 20 Hz, the position accuracy was 0.1 mm or less, and the azimuth accuracy was It could be obtained at 0.7 degrees or less.

[実施例2]
第1実施例の磁石体の位置・方位検出装置を用いて、ハンドピースの先端部を口腔内の治療位置に誘導するシステムである。
ハンドピースの初期位置は、ハンドピースに加速度センサを設置して、Y軸は水平に保ち、グリッドセンサ面であるXZ面を垂直面に保つことにした。ハンドピースのC系のXZ面と磁石のCm系のXZ面が対向するように向けて、Y軸に沿ってハンドピースを口腔内に近づけて、可能な限り近い位置で、ハンドピースの初期位置を決定した。
[Example 2]
This is a system for guiding the distal end of a handpiece to a treatment position in the oral cavity using the magnet position/orientation detection device of the first embodiment.
As for the initial position of the handpiece, the acceleration sensor is installed on the handpiece, the Y axis is kept horizontal, and the XZ plane, which is the grid sensor plane, is kept vertical. With the C-based XZ plane of the handpiece and the Cm-based XZ plane of the magnet facing each other, the handpiece is brought closer to the oral cavity along the Y-axis, and the initial position of the handpiece is set as close as possible. It was determined.

センサグリッドで磁石体が発する磁界を検出し、そのデータをセンサグリッドデータ処理回路に転送した。センサグリッドデータ処理回路は、磁界センサグリッドにより計測した測定データを高速で処理するもので、データ処理装置は、C座標系の原点から磁石体マーカの位置(X、Y,Z)と方位Θ、Φをガウスニュートン法によりC系における磁石体の位置と方位を計算した。ここで、θは両系のXY面の角度ずれでZ軸回転により一致させることができる。φはZX面の角度ずれでY軸回転により一致させることができる。
その値を使って、ハンドピースの先端を口腔内の指定された治療箇所に誘導していくことにした。
The sensor grid detected the magnetic field generated by the magnet and transferred the data to the sensor grid data processing circuit. The sensor grid data processing circuit processes measurement data measured by the magnetic field sensor grid at high speed. Φ was calculated by the Gauss-Newton method for the position and orientation of the magnet body in the C system. Here, .theta. is the angular deviation of the XY planes of both systems, which can be matched by Z-axis rotation. φ is an angular deviation of the ZX plane and can be matched by Y-axis rotation.
Using that value, we decided to guide the tip of the handpiece to the designated treatment site in the oral cavity.

図12に示すフローチャートでハンドピースを誘導した結果、ハンドピースの先端を、位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で、誘導することができた。 As a result of guiding the handpiece according to the flow chart shown in FIG. 12, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

[実施例3]
実施例2において、磁石体に交流型電磁石を用いたものである。
磁石体は交流型電磁石で、サイズ幅は4mm、長さは5mm、厚みは1mmとし、磁石体マーカの磁気モーメントは40×10-9Wbmとし、交流周期は500Hzとした。磁針の磁性材料は透磁率30,000、保磁力80A/mよりなるパーマロイを使用し、コイル巻き数は400回にて1mm当たり100回で、励磁電流は0.1A、磁化力Hは40A/mとし、パーマロイのBH曲線における直線域を活用した。
[Example 3]
In Example 2, an AC electromagnet is used as the magnet.
The magnet was an AC electromagnet with a width of 4 mm, a length of 5 mm, and a thickness of 1 mm. Permalloy with a magnetic permeability of 30,000 and a coercive force of 80 A/m is used as the magnetic material of the magnetic needle. m, and the linear region of the permalloy BH curve was utilized.

なお、周辺磁界ノイズ対策として、磁界ベクトルセンサは、周辺磁界を中心に磁石体マーカの発する磁界の強さHに相当する振動する磁界を検知する。振動した振動幅の平均の半分が磁石体マーカから発する磁界ベクトルとなる。しかも周辺の磁界の環境の変動、特にハンドピースに移動による磁界Hの変動の影響を受けないことを確認した。 As a countermeasure against peripheral magnetic field noise, the magnetic field vector sensor detects an oscillating magnetic field corresponding to the magnetic field strength H m generated by the magnetic marker around the peripheral magnetic field. A half of the average of the vibrating amplitude becomes the magnetic field vector emitted from the magnetic marker. Moreover, it has been confirmed that there is no influence of environmental changes in the surrounding magnetic field, especially changes in the magnetic field H0 due to movement of the handpiece.

磁石体の位置・方位を算出するプログラムは、第1実施形態で用いた図9に示す方法と同じにした。この結果、磁石体の位置と方位は、ハンドピース系の原点から磁石体の距離が5mmから50mmの距離の範囲にて20Hzの測定速さでもって、位置の精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で求めることができた。
図12に示すフローチャートでハンドピースを誘導した結果、ハンドピースの先端は、位置の精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で、誘導することができた。
The program for calculating the position and orientation of the magnet was the same as the method shown in FIG. 9 used in the first embodiment. As a result, the position and orientation of the magnet were measured at a speed of 20 Hz within a distance of 5 mm to 50 mm from the origin of the handpiece system. Accuracy could be obtained at 0.7 degrees or less.
As a result of guiding the handpiece according to the flow chart shown in FIG. 12, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

[実施例4]
実施例2において、パルス型電磁石を永久磁石にしたものである
永久磁石として、NdFeB磁石を用いた。周辺磁界ノイズ対策としては、ハンドピースの初期位置と治療位置の両方の位置における周辺磁界を測定した。次に患者を手術の際の所定の位置に固定して、ハンドピースのグリッドセンサを使って、患者の歯に設置した磁石からの磁界を測定した。両者の差分を磁石からの磁界の測定値としてその測定値を使って、初期位置および治療位置での位置からハンドピースの位置を求めることにした。この時、非磁性素材を使ったハンドピースを用いることが好ましいい。
その結果、ハンドピースの先端を位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で誘導することができた。
[Example 4]
In Example 2, an NdFeB magnet was used as a permanent magnet that is a permanent magnet made from a pulse-type electromagnet. As a countermeasure against peripheral magnetic field noise, the peripheral magnetic field was measured at both the initial position of the handpiece and the treatment position. The patient was then held in place during surgery and the handpiece's grid sensor was used to measure the magnetic field from magnets placed on the patient's teeth. Using the difference between the two as a measurement of the magnetic field from the magnet, we decided to determine the position of the handpiece from the position at the initial position and the treatment position. At this time, it is preferable to use a handpiece using a non-magnetic material.
As a result, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

[実施例5]
実施例2において、磁界ベクトルセンサとして、組み立て式を使用し、ハンドピースの先端部にグリッド板を配置し、そこに12個の磁界ベクトルセンサを配置したグリッドを用いたものである。
[Example 5]
In Example 2, as the magnetic field vector sensor, a prefabricated type is used, and a grid is used in which a grid plate is arranged at the tip of the handpiece and 12 magnetic field vector sensors are arranged there.

磁界ベクトルセンサの組立式タイプは、1KHzの測定速度で5nT以下の検出力を有し、サイズは幅5mm×長さ5mm×高さ2mmの超小型で磁界検出力の優れた磁界ベクトルセンサである。グリッド板に取り付ける方式は、先端の円筒部に設置する場合に比べて磁石体との距離が大きくなる。そこで、より高い検出力を有する磁界ベクトルセンサを使用することにした。 The assembly type magnetic field vector sensor has a detection power of 5 nT or less at a measurement speed of 1 kHz, and is an ultra-compact magnetic field vector sensor with a size of 5 mm (width) x 5 mm (length) x 2 mm (height) and excellent in magnetic field detection power. . In the method of attaching to the grid plate, the distance from the magnet becomes larger than in the case of installing in the cylindrical portion at the tip. Therefore, we decided to use a magnetic field vector sensor with higher detection power.

磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースに取り付けた透明なセンサグリッド板、サイズは横幅60mm、縦幅45mmに、磁界ベクトルセンサを平面上に15mmの磁界センサ間隔に12個のセンサをグリッド上に配置し、かつハンドピース軸上に1個のセンサを設置した(図7)。センサグリッド基板は、列ごとにマルチプレクサMUXと連結し、次に全データが最終MUXと連結し、外部の信号処理回路に転送される。電源配線系統はセンサグリッド稼働には、すべてのセンサに電源供給するようにしている。センサグリッドの組み立て精度については、10μm以下で組み立てた。 The magnetic field vector sensor grid is a transparent sensor grid plate attached to the handpiece, with a width of 60 mm and a length of 45 mm. , and placed one sensor on the handpiece shaft (Fig. 7). The sensor grid substrate is connected with multiplexer MUX column by column, then all data is connected with the final MUX and transferred to the external signal processing circuit. The power wiring system provides power to all sensors for sensor grid operation. The assembly accuracy of the sensor grid was set to 10 μm or less.

磁石体の位置・方位を算出するプログラムは、第1実施形態で用いた図9に示す方法と同じとした。この結果、磁石体マーカの位置と方位は、ハンドピース系の原点から磁石体の距離が5mmから50mmの距離の範囲において20Hzの測定速さで、位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で求めることができた。
図12に示すフローチャートでハンドピースを誘導した結果、ハンドピースの先端は、位置の精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で、誘導することができた。
The program for calculating the position and orientation of the magnet was the same as the method shown in FIG. 9 used in the first embodiment. As a result, the position and orientation of the magnet marker were measured at a measurement speed of 20 Hz within a distance range of 5 mm to 50 mm from the origin of the handpiece system, the position accuracy was 0.1 mm or less, and the orientation accuracy was It could be obtained at 0.7 degrees or less.
As a result of guiding the handpiece according to the flow chart shown in FIG. 12, the tip of the handpiece was guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

なお、ハンドピース誘導中は固定ホルダーで患者の顎顔面部は固定されているが、患者が動く場合があるので、次の対策を予め用意する。
常時、ハンドピースの位置方位を計測しておき、ハンドピースの移動量から計算できる変化量と1mm以上異なる場合にはハンドピースの移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。
Although the patient's maxillofacial region is fixed with a fixed holder while the handpiece is being guided, the patient may move, so the following countermeasures should be prepared in advance.
Always measure the position and orientation of the handpiece, and if there is a difference of 1 mm or more from the amount of change that can be calculated from the amount of movement of the handpiece, temporarily stop the movement of the handpiece, and use that state as the C1 system, and perform the above guidance operation. shall be resumed, and a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 1 degree or less shall be secured.

または、CCDカメラでCCDカメラ系Caと口腔内の歯列系Cbの角度を初期設定しておき、患者の顎顔面部が移動して歯列系CbがCa系に対して、位置移動量が1mm以上の変化が確認できた場合、移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。 Alternatively, the angle between the CCD camera system Ca and the intraoral dentition system Cb is initially set by the CCD camera, and the patient's maxillofacial region moves to move the dentition system Cb relative to the Ca system. If a change of 1 mm or more can be confirmed, the movement shall be temporarily stopped, the state shall be regarded as C1 system, and the above guidance operation shall be resumed to ensure the position accuracy of 0.1 mm or less and the azimuth accuracy of 1 degree or less. .

本発明により、口腔内のインプラント加工に必要な顎骨の穴加工は治療用ハンドピースの自動誘導が可能となり、インプラント治療がより安全で精度よく行うことができるようになり、本発明は今後広く応用されるものと期待される。 According to the present invention, it is possible to automatically guide the treatment handpiece for hole processing of the jawbone necessary for implant processing in the oral cavity, and implant treatment can be performed more safely and accurately. expected to be

1:GSR素子
11:基板、12:磁性ワイヤ、13:コイル、14:ワイヤ端子、15:ワイヤ電極、16:接続配線(ワイヤ電極用)、17:コイル端子、18:コイル電極、19:接続配線(コイル電極用)
2:電子回路(GSRセンサの電子回路)
21:パルス発振器、22:GSR素子、221:ワイヤ電極、222:コイル電極、23:寄生容量、24:回路入力電極、25a:1段目検波タイミング調整回路(T1)、25b:2段目検波タイミング調整回路(T2)、26:サンプルホールド回路(出力側回路)、27a:1段目電子スイッチ(SW1)、27b:2段目電子スイッチ(SW2)、28a:1段目サンプルホールド用コンデンサ(C1)、28b:2段目サンプルホールド用コンデンサ(C2)、29:増幅器
3:磁界ベクトルセンサ(一体式)
31:ASIC、32:磁性ワイヤ、33:ワイヤ電極、34:コイル電極、35:上部軟磁性体、36:下部軟磁性体、37:レジスト層(感光性樹脂)、38:連結用電極ホール、391:集磁(放磁)、392:放磁(集磁)、X1:X1軸素子、X2:X2軸素子、Y1:Y1軸素子、Y2:Y2軸素子
4:磁界ベクトルセンサ(組み立て式)
40:台座(四角錘台)、401:三角形の斜面、402:長方形の斜面(四角錘台の稜線部)、403:正方形の上面、404:傾斜角(θs)、41:GSRセンサ(on-ASICタイプ)、411:ASIC、412:GSR素子、413:磁性ワイヤ
5:ハンドピース(円筒部タイプ)
50:円筒部、51:磁界ベクトルセンサ、52:ドリル先端、Oh:原点
6:ハンドピース(軸部グリッド板タイプ)
60:軸部、61:磁界ベクトルセンサグリッド、62:グリッド板(軸部設置)、63:磁界ベクトルセンサ、64:ドリル、65:加速度センサ、Oh:原点
7:3次元X画像マップ
71:ハンドピース、710:ハンドピースの原点Oh、711:位置関係OhA
72:磁石体(パルス型電磁石)、720:磁石体の原点Om、721:磁化の向き(X軸)、722:位置関係OmB
73:骨
74:歯
A:ハンドピースの先端
B:治療位置
8:誘導システムにおける座標系C
801:磁界ベクトルセンサ(磁界ベクトルセンサグリッドを構成するセンサ)
81:ハンドピース、8101:C1系の原点Oh1、8103:C3系の原点Oh3、8104:C4系の原点Oh4
82:磁石体、820:磁石体の原点Om、821:角度θ、822:α回転角
83:歯
C1:初期状態の座標系、C3:ハンドピース移動開始状態の座標系、C4:ハンドピースの治療位置への到達時の座標系
R1:C1系における磁石の位置、R3:C3系における磁石の位置、R4:C4系おける磁石の位置

1: GSR element 11: substrate 12: magnetic wire 13: coil 14: wire terminal 15: wire electrode 16: connection wiring (for wire electrode) 17: coil terminal 18: coil electrode 19: connection Wiring (for coil electrodes)
2: Electronic circuit (electronic circuit of GSR sensor)
21: pulse oscillator, 22: GSR element, 221: wire electrode, 222: coil electrode, 23: parasitic capacitance, 24: circuit input electrode, 25a: first stage detection timing adjustment circuit (T1), 25b: second stage detection Timing adjustment circuit (T2), 26: sample and hold circuit (output side circuit), 27a: 1st stage electronic switch (SW1), 27b: 2nd stage electronic switch (SW2), 28a: 1st stage sample and hold capacitor ( C1), 28b: second-stage sample-and-hold capacitor (C2), 29: amplifier 3: magnetic field vector sensor (integrated type)
31: ASIC, 32: magnetic wire, 33: wire electrode, 34: coil electrode, 35: upper soft magnetic body, 36: lower soft magnetic body, 37: resist layer (photosensitive resin), 38: connection electrode hole, 391: magnetism collection (discharge), 392: magnetism discharge (collection), X1: X1-axis element, X2: X2-axis element, Y1: Y1-axis element, Y2: Y2-axis element 4: Magnetic field vector sensor (assembly type)
40: pedestal (frustum of square pyramid), 401: slope of triangle, 402: slope of rectangle (ridge of square pyramid), 403: upper surface of square, 404: angle of inclination (θs), 41: GSR sensor (on- ASIC type), 411: ASIC, 412: GSR element, 413: magnetic wire 5: hand piece (cylindrical part type)
50: cylindrical portion, 51: magnetic field vector sensor, 52: drill tip, Oh: origin 6: handpiece (axis grid plate type)
60: shaft, 61: magnetic field vector sensor grid, 62: grid plate (installed on shaft), 63: magnetic field vector sensor, 64: drill, 65: acceleration sensor, Oh: origin 7: three-dimensional X image map 71: hand piece, 710: origin of handpiece Oh, 711: positional relationship OhA
72: magnet body (pulse-type electromagnet), 720: origin Om of magnet body, 721: direction of magnetization (X-axis), 722: positional relationship OmB
73: Bone 74: Teeth A: Handpiece Tip B: Treatment Position 8: Coordinate System C in Guidance System
801: Magnetic field vector sensor (sensors that make up the magnetic field vector sensor grid)
81: handpiece, 8101: C1 system origin Oh1, 8103: C3 system origin Oh3, 8104: C4 system origin Oh4
82: magnet, 820: magnet origin Om, 821: angle θ, 822: α rotation angle 83: tooth C1: initial state coordinate system, C3: handpiece movement start state coordinate system, C4: handpiece Coordinate system R1: position of the magnet in the C1 system, R3: position of the magnet in the C3 system, R4: position of the magnet in the C4 system when the treatment position is reached.

本発明は、口腔内の歯にミニ磁石を貼り付けて、ハンドピースに磁界ベクトルセンサグリッドを取り付けて、ハンドピースと磁石体との位置関係を測定して、それを基準にハンドピースの位置と方位を高精度かつリアルタイムに計測する検出装置および誘導システムに関するものである。 The present invention attaches mini magnets to the teeth in the oral cavity, attaches a magnetic field vector sensor grid to the handpiece, measures the positional relationship between the handpiece and the magnet, and determines the position of the handpiece based on that. The present invention relates to a detection device and a guidance system for measuring azimuth with high precision and in real time.

歯科のインプラント治療分野においては、インプラント埋設ホールとハンドピースの位置方位関係の高精度な計測とハンドピースを誘導するシステムの開発に関するニーズが高まっている。
光学的な位置方位関係を計測する方法が開発されている(非特許文献1)が、精度が悪くて直接的に口腔内でハンドピースを誘導することができていない。そのため、複雑な間接的な方法、つまり、口腔内の模型を作製し、模型とマウスピースに取り付けた光学的マーカを使って、模型上でハンドピースと光学的マーカの位置方位関係のデータを取りながら、模型上の治療を行い、その際のハンドピースの誘導軌跡をコンピュータに記憶させ、このデータに基づいて実際の治療を自動制御で行うが、その際、口腔内治療箇所とでハンドピースの相対的な位置関係をハンドピースとマウスピースに取り付けた光学的マーカとの位置方位関係を計測して、補正しながら治療を行っている。
In the field of dental implant treatment, there is an increasing need for the development of a system for highly accurate measurement of the positional orientation relationship between the implant embedding hole and the handpiece and for guiding the handpiece.
A method for optically measuring the position-orientation relationship has been developed (Non-Patent Document 1), but the accuracy is poor and the handpiece cannot be directly guided in the oral cavity. Therefore, a complicated indirect method, that is, to create an intraoral model and use optical markers attached to the model and the mouthpiece, acquires position-orientation data of the handpiece and the optical marker on the model. While performing treatment on the model, the guidance trajectory of the handpiece at that time is stored in the computer, and based on this data, the actual treatment is automatically controlled. Treatment is performed while correcting the relative positional relationship by measuring the positional relationship between the handpiece and the optical marker attached to the mouthpiece.

磁石式は、口腔内に基準となる磁石マーカを歯に取り付けて、患者側に固定し設置した磁気センサグリッドを取り付けて、ハンドピースの位置と方位を計測するものである。簡便ではあるが、磁石体マーカとしては歯のサイズを最大の大きさとすると、幅4mm、長さ8mm程度の小さなものしか使用できないために優れた測定精度を実現するのは非常に困難である。しかも外部で磁石体マーカが発する微小磁界を感度よく計測する磁界ベクトルセンサは、開発されておらず、その結果現状では磁石式位置決め精度が1~5mmと市場が要求する0.1mm以下の精度と比べると大幅に劣るものしか開発されていない。また既存開発品の測定速さは1Hzと遅く、大幅な改善が求められている。 The magnetic type measures the position and orientation of the handpiece by attaching a magnetic marker to the teeth as a reference in the oral cavity and attaching a magnetic sensor grid that is fixed and installed on the patient's side. Although it is simple, it is very difficult to achieve excellent measurement accuracy because only a small magnetic marker with a width of 4 mm and a length of 8 mm can be used if the tooth size is the maximum size. Moreover, a magnetic field vector sensor capable of sensitively measuring minute magnetic fields emitted by external magnetic markers has not yet been developed. Only significantly inferior ones have been developed. In addition, the measurement speed of the existing developed product is as slow as 1 Hz, and significant improvement is required.

特許文献1に、磁石式の位置方位算出システムが開示されている。これは、4.8×10-9Wbm程度の磁気モーメントを有するNdFeB磁石(サイズは0.8mm×2.5mm、3個の磁石)を、1nT程度の磁界検出力を有するFGセンサなどからなる3軸の磁界センサを使って、磁石体マーカの位置の計測を可能にしたものである。この開示によると、磁石側が移動し、外部に固定された磁気センサで磁石体マーカの位置をトレースする方法である。ハンドピースと歯に張り付けた磁石体マーカとは、ハンドピースと患者自体にも動きがあり、磁石体マーカの位置も動くというもので、この開示をそのまま活用することはできない。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200001 discloses a magnet type position/orientation calculation system. It consists of an NdFeB magnet (size: 0.8 mm x 2.5 mm, three magnets) with a magnetic moment of about 4.8 × 10 -9 Wbm, and an FG sensor with a magnetic field detection power of about 1 nT. A three-axis magnetic field sensor is used to enable measurement of the position of the magnetic marker. According to this disclosure, the magnet side moves, and the method traces the position of the magnet body marker with an externally fixed magnetic sensor. The magnetic markers attached to the handpiece and teeth mean that the handpiece and the patient themselves move, and the positions of the magnetic markers also move, so this disclosure cannot be used as it is.

さらに、位置精度は4mm程度と、インプラント治療が求めている位置精度0.5mm以下に比べると大幅に性能が劣るものである。この主な原因は、磁界ベクトルセンサを使用していないため、3軸の磁界センサの相互の測定値の位置の間に大きなずれがあるためと思われる。本文献には、使用されている3軸磁気センサ(特許文献1、図2)は正確には記載されていないが、磁界センサの径を3mmから5mmと仮定すると,およそ各磁界センサが測定する位置は、1.5mmから2.5mm程度相互にずれることになり、この相互誤差が本開示の位置精度を大幅に損なう原因になっていると思われる。
また、この開示は、磁界ベクトルセンサを使用していないため、ガウスニュートン法に従って計算することができない。そのため、磁界勾配を活用した反復プロセスを行って、測定値と理論値の誤差を最小限にするX、Y、Z、Θ、Φを求めているが、反復プロセスのために計算速度が遅く、リアルタイム性に難点があると思われる。実際特許文献1には測定速度が記載されていない。以上、磁界ベクトルセンサを前提としていない本開示では磁石体マーカの位置を高精度に測定することはできない。
Furthermore, the positional accuracy is about 4 mm, which is significantly inferior to the positional accuracy of 0.5 mm or less required for implant treatment. The main reason for this is thought to be that since no magnetic field vector sensor is used, there is a large deviation between the positions of the mutual measurement values of the three-axis magnetic field sensors. Although the three-axis magnetic sensor used (Patent Document 1, FIG. 2) is not accurately described in this document, assuming that the diameter of the magnetic field sensor is 3 mm to 5 mm, approximately each magnetic field sensor measures The positions are shifted from each other by about 1.5 mm to 2.5 mm, and it is believed that this mutual error causes a significant loss of the positional accuracy of the present disclosure.
Also, since this disclosure does not use a magnetic field vector sensor, it cannot be calculated according to the Gauss-Newton method. Therefore, an iterative process utilizing magnetic field gradients is performed to obtain X, Y, Z, Θ, and Φ that minimize the error between the measured and theoretical values. There seems to be a problem with real-time performance. In fact, Patent Document 1 does not describe the measurement speed. As described above, the position of the magnetic marker cannot be measured with high accuracy in the present disclosure that does not presuppose the magnetic field vector sensor.

3軸の磁界センサとして、MIセンサを使ったタイプとしては、愛知製鋼(株)の電子コンパス(特許文献2)があるが、これは3個の素子を組み立てたもので、X軸、Y軸、Z軸方向の磁界の測定位置が1mm程度喰い違っており、所定の位置の磁界ベクトルを測定できないものである。また磁界検出力は200nTと劣るものである。本製品を特許文献1の発明に応用しても、磁石体マーカの位置精度の改善は期待できない。位置精度の向上のためには、磁界測定には3軸の磁界センサに代えて、3次元の磁気センサを使ってピンポイントに磁界ベクトルを測定できる磁界ベクトルセンサを利用することが重要である。 As a three-axis magnetic field sensor, there is an electronic compass (Patent Document 2) of Aichi Steel Co., Ltd., which uses an MI sensor. , the magnetic field measurement positions in the Z-axis direction are shifted by about 1 mm, and the magnetic field vector at a predetermined position cannot be measured. Also, the magnetic field detection power is as low as 200 nT. Even if this product is applied to the invention of Patent Document 1, improvement in the positional accuracy of the magnetic marker cannot be expected. In order to improve the positional accuracy, it is important to use a magnetic field vector sensor capable of pinpoint magnetic field vector measurement using a three-dimensional magnetic sensor instead of a three-axis magnetic field sensor for magnetic field measurement.

磁界ベクトルセンサは、ホールセンサを使った磁界測定器として旭化成(株)の電子コンパス(特許文献3)がある。4個のホール素子と1個のパーマロイ集磁体を組み合わせたもので、センサ素子の間隔は1mm程度でピンポイントの所定の位置での磁界ベクトルの測定が可能であり、サイズは2mmでセンサ間隔を高密度に配置したセンサグリッドを製作することは可能であるが、磁界検出能が10mG(=1000nT)程度しかなくて、微小磁界が計測できないという問題がある。 As a magnetic field vector sensor, there is an electronic compass (Patent Document 3) manufactured by Asahi Kasei Corporation as a magnetic field measuring device using a Hall sensor. It is a combination of four Hall elements and one permalloy magnetic collector, and the sensor element spacing is about 1 mm, and it is possible to measure the magnetic field vector at a pinpoint predetermined position. Although it is possible to fabricate a sensor grid arranged at a high density, there is a problem that the magnetic field detection capability is only about 10 mG (=1000 nT), and minute magnetic fields cannot be measured.

GMRセンサを使った磁界ベクトルセンサが、特許文献4に紹介されている。これはサイズが2mm×2mmと小さく、検出力は500nT程度で、しかもHx、HyとHzの測定精度が異なるという問題があり、特にHx、Hyの測定精度は800nT程度まで低下してしまう。その結果、微小磁界が計測できないという問題がある。 A magnetic field vector sensor using a GMR sensor is introduced in US Pat. It has a small size of 2 mm x 2 mm, a detection power of about 500 nT, and a problem that the measurement accuracy of Hx and Hy differs from that of Hz. As a result, there is a problem that a minute magnetic field cannot be measured.

FGセンサを使った磁界ベクトルセンサとしては、MTI社のnTメータ(非特許文献2)がある。検出力は1nTレベルであるが、サイズが30mmの立方体の6面に素子を張り付けたもので、センサ素子の間隔は30mm程度もあり、ミニ磁石が作る大きな勾配の磁界ベクトルを測定した場合、磁界勾配を測定することになり、特定の位置で磁界測定をピンポイントで測定することはできない。またハンドピースのサイズよりも大きくて、それに貼り付けることができない。 As a magnetic field vector sensor using an FG sensor, there is an nT meter (Non-Patent Document 2) manufactured by MTI. Although the detection power is at the 1 nT level, the elements are attached to the six sides of a 30 mm cube, and the spacing between the sensor elements is about 30 mm. You will be measuring the gradient and cannot pinpoint the magnetic field measurement at a particular location. It is also larger than the size of the handpiece and cannot be attached to it.

GSRセンサ(特許文献5)を使ったタイプとしては、マグネデザイン(株)の電子コンパス(特許文献6)がある。4個のGSR素子と一対のパーマロイ集磁体を組み合わせたもので、センサ素子の間隔は0.5mm程度で、ピンポイントの所定の位置の磁界ベクトルの測定が可能で、しかも、磁界検出能が測定速さ200Hzで100nT以下とホールセンサやMIセンサよりは優れている。しかし、求められている磁界検出力が測定速さ1KHzで50nT以下と比較すると、不十分である。本製品を特許文献1の発明に応用すると、磁石体マーカの位置精度の改善は期待できるが、磁界検出能が低いので1.5mm程度が限界と思われる。また反復プロセス法である以上、測定速度は1Hz未満にならざるを得ないと考えられる。 As a type using a GSR sensor (Patent Document 5), there is an electronic compass (Patent Document 6) by Magnedesign. It is a combination of four GSR elements and a pair of permalloy magnetic collectors, and the sensor element spacing is about 0.5 mm. It is possible to measure the magnetic field vector at a pinpoint predetermined position, and the magnetic field detectability is also measured. It is 100nT or less at a speed of 200Hz, which is superior to Hall sensors and MI sensors. However, the required magnetic field detection power is insufficient when compared to 50 nT or less at a measurement speed of 1 KHz. If this product is applied to the invention of Patent Document 1, improvement in the positional accuracy of the magnetic marker can be expected. Moreover, since it is an iterative process method, the measurement speed must be less than 1 Hz.

検出体に設置した小さな磁石の位置方位を精度良くかつ高速に測定するためには、小型で高い磁界検出力を有する磁界ベクトルセンサの開発が必要である。具体的には、1KHzの測定速度で微小磁界50nT以下の検出能で、4mm×4mm×2mm以下の微小空間内でピンポイントの所定の位置の磁界ベクトルを測定できる磁界ベクトルセンサの開発が求められている。 In order to accurately and quickly measure the position and orientation of a small magnet placed on a detection object, it is necessary to develop a compact magnetic field vector sensor with high magnetic field detection capability. Specifically, there is a demand for the development of a magnetic field vector sensor that can detect a minute magnetic field of 50 nT or less at a measurement speed of 1 kHz and can measure the magnetic field vector at a pinpoint predetermined position in a minute space of 4 mm × 4 mm × 2 mm or less. ing.

磁石体の位置と方位の計算アルゴリズムについて、磁界ベクトルセンサグリッドを使って磁石体の位置と方位を同時に求める方法として、非特許文献3に誤差関数を定義して、誤差関数を最小にする座標成分X、Y、Zの三成分を求める方法が記載されている。ただし、θとφの求め方は記載されておらず、誤算関数から座標成分X、Y、Zの三成分および方位θ、φを求める方法は記載されていない。なお、非特許文献3の測定位置誤差は5.5mmと大きく、実用できるレベルのものではない。これは、本文献に記載されている磁界ベクトルセンサは、厳密には3軸センサの測定位置の間には1.8mmのずれがあり、それを無視して磁界ベクトルセンサとみなして計算をしているためと思われる。さらに使用しているセンサのサイズが大きすぎてハンドピースに貼り付けることはできない。 Regarding the algorithm for calculating the position and orientation of the magnet, as a method of simultaneously obtaining the position and orientation of the magnet using the magnetic field vector sensor grid, an error function is defined in Non-Patent Document 3, and the coordinate components that minimize the error function A method for determining the three components of X, Y, and Z is described. However, it does not describe how to obtain .theta. and .phi., and does not describe how to obtain the three coordinate components X, Y and Z and the directions .theta. and .phi. from the error function. Note that the measurement position error in Non-Patent Document 3 is as large as 5.5 mm, which is not of a practical level. Strictly speaking, the magnetic field vector sensor described in this document has a deviation of 1.8 mm between the measurement positions of the three-axis sensor. It seems to be because Furthermore, the size of the sensor used is too large to be attached to the handpiece.

歯科用ハンドピースの磁石式位置方位測定および誘導システムの開発するにあたり、従来の磁石式位置決め方法の精度の向上を図るためには、高性能な磁界ベクトルセンサの開発と小さなハンドピース上にセンサグリッドを設計し、ハンドピースおよび口腔内部の磁石体の動きに関わらず、両者の相対的位置・方位関係を刻々と精度よく測定できる測定システムを開発する必要がある。性能の点では、1Hzから50Hzの測定速さで、0.1mm以下の位置精度と従来の100倍程度の性能を有する装置の開発が求められている。 In developing a magnetic position and orientation measurement and guidance system for a dental handpiece, in order to improve the accuracy of the conventional magnetic positioning method, we developed a high-performance magnetic field vector sensor and installed a sensor grid on a small handpiece. It is necessary to develop a measurement system that can accurately measure the relative position and orientation of the handpiece and the magnetic body inside the oral cavity every moment, regardless of the movement of the handpiece and the magnetic body inside the oral cavity. In terms of performance, there is a demand for the development of a device that has a measurement speed of 1 Hz to 50 Hz, a position accuracy of 0.1 mm or less, and performance that is about 100 times that of conventional devices.

特開2001-524012号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-524012 特許第3781056号公報Japanese Patent No. 3781056 特開2004-61380号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-61380 特表2013-518273号公報Japanese Patent Publication No. 2013-518273 特許第6506466号公報Japanese Patent No. 6506466 特許第6021239号公報Japanese Patent No. 6021239 特許第6021239号公報Japanese Patent No. 6021239

近藤尚知、小山田勇太朗:「口腔インプラント治療におけるロボット手術の現状と未来」、日本補綴会誌、13-21,2021Naotomo Kondo, Yutaro Oyamada: "Current status and future of robotic surgery in oral implant treatment", Journal of Japan Prosthodontics, 13-21, 2021 (株)エムティアイ社 ホームページ 製品情報FGS3-1000MTI Co., Ltd. Website Product information FGS3-1000 永岡隆, 内山明彦著:立石科学技術振興財団助成研究成果集:15 号 52-55ページ(2006年)Takashi Nagaoka, Akihiko Uchiyama: Tateishi Science and Technology Foundation Grant Research Report: No. 15, pp. 52-55 (2006) Y.Honkura, S.Honkura ; JMMM513(2020)167240Y.Honkura, S.Honkura ; JMMM513(2020)167240

本発明は、歯に設置した磁石体をハンドピースに設置した磁界センサグリッドを使って、磁石体の位置と方位関係を計測し、その測定値を利用して、ハンドピースの先端の位置と口腔内の治療位置との相対的位置・方位関係を精度良く測定し、それを使ったハンドピース誘導システムを実現することである。そのために、歯に設置した磁石体とハンドピース先端との位置・方位関係を精度よく測定する技術を開発することである。 The present invention measures the position and azimuth relationship of the magnet by using a magnetic field sensor grid in which the magnet installed on the tooth is installed on the handpiece, and uses the measured values to determine the position of the tip of the handpiece and the oral cavity. It is to measure the relative position and azimuth relationship with the treatment position in the inside with high accuracy and realize a handpiece guidance system using it. For this purpose, we need to develop a technique for accurately measuring the position/orientation relationship between the magnet attached to the tooth and the tip of the handpiece.

本発明は、磁石体マーカとしての磁石体は、交流型電磁石またはパルス型電磁石または永久磁石にて、サイズの幅は6mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体マーカの磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとし、磁石体1個を口腔内の特定の歯に、磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置して、磁石体の中心を原点にして、磁化ベクトルの向きをX軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする磁石座標系をCm系とし、
磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースに取り付けたグリッドに、少なくとも5個以上の磁界ベクトルセンサをグリッド状に配置したもので、グリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸をY軸、グリッドの横方向を水平方向X軸とし、グリッドの縦方向をZ軸とする座標系をC系とし、
両座標系の位置関係と方位関係を、1Hzから50Hz以下の測定速さで、位置精度0.1mm以下で、方位精度1度以下で測定することを可能とするハンドピースの位置・方位検出装置に関するものである。
According to the present invention, the magnet as the magnet marker is an AC electromagnet, a pulse electromagnet, or a permanent magnet with a width of 6 mm or less, a length of 10 mm or less, and a magnetic moment of 5×10 mm. -9 to 100 × 10 -9 Wbm, one magnet is placed on a specific tooth in the oral cavity, the magnetization vector is set in the horizontal direction (X axis), and the center of the magnet is the origin. Let the magnet coordinate system with the direction of the vector as the X axis, the thickness direction of the magnet as the Y axis, and the longitudinal direction as the Z axis be the Cm system,
The magnetic field vector sensor grid has at least five magnetic field vector sensors arranged in a grid on the grid attached to the handpiece. Let the coordinate system with the horizontal X-axis and the vertical direction of the grid as the Z-axis be the C system,
Position/azimuth detector for a handpiece that can measure the positional relationship and azimuth relationship between both coordinate systems at a measurement speed of 1 Hz to 50 Hz or less, with a position accuracy of 0.1 mm or less, and an azimuth accuracy of 1 degree or less. It is about.

そのための技術開発課題として、第1の課題は、検出力が1KHzの測定速度にて、50nT以下の検出力を有する磁界ベクトルセンサの開発である。小型で微小磁界を検出することができるセンサとしてGSRセンサが開発されており、本発明はGSRセンサを使って、ピンポイントの測定位置の磁界(Hx、Hy、Hz)をHx、Hy、Hzの測定誤差を同じとすることができる磁界ベクトルセンサの構造を考案することである。 As a technical development task for that purpose, the first task is to develop a magnetic field vector sensor having a detection power of 50 nT or less at a measurement speed of 1 KHz. A GSR sensor has been developed as a small sensor capable of detecting minute magnetic fields. The object is to devise a magnetic field vector sensor structure that can make the measurement error the same.

第2の課題は、磁石体の設計に関するものである。磁石体のサイズは、歯に張り付けることができるほどの小さなサイズで、しかも20mmから100mmも離れた位置においても位置精度を0.1mm以下、方位精度を1度以下の精度でもって、計測することを可能にする必要がある。しかも周辺の磁界環境の変動、特にハンドピースに移動による変動の影響を受けないようにする工夫が必要である。さらに、歯に設置した1個の磁石体を使って、磁石座標系Cm系を特定する工夫が必要である。 A second issue relates to the design of the magnet. The size of the magnet is so small that it can be attached to the teeth, and the positional accuracy is 0.1 mm or less and the azimuth accuracy is 1 degree or less even at a distance of 20 mm to 100 mm. need to make it possible. In addition, it is necessary to devise ways to avoid the effects of fluctuations in the surrounding magnetic field environment, especially fluctuations due to movement of the handpiece. Furthermore, it is necessary to devise a way to specify the magnet coordinate system Cm using one magnet placed on the tooth.

第3の課題は、ハンドピース上に幾何学的にデザインされた磁界ベクトルセンサグリッドを設計することである。磁界ベクトルセンサグリッドの磁界ベクトルセンサ数が増えるほど位置・方位計算の精度は向上するが、設置する磁界ベクトルセンサが多くなるほど、ハンドピースのサイズが大きくなり、作業性を害するので、磁界ベクトルセンサを適切に配置することが重要である。 A third challenge is to design a geometrically designed magnetic field vector sensor grid on the handpiece. As the number of magnetic field vector sensors on the grid increases, the accuracy of position and azimuth calculations improves. Proper placement is important.

第4の課題は、精度よくかつリアルタイム性に優れた磁石体の位置と方位を計算する計算プログラムの考案である。磁界ベクトルセンサグリッドで、磁石体マーカが発する磁界ベクトルを各測定点で磁界ベクトルとして測定した場合、反復プロセスを必要とせず、測定値と理論値のずれを誤差として、それらを加算した関数として誤差関数を定義して、その最小値からX、Y、Z、およびθ、φを計算する方法は、ガウスニュートン法として広く知られている。この原理を用いて、磁石性能、センサ性能、センサの数と配置、磁石体マーカと磁界ベクトルセンサグリッドの距離および磁界ベクトルセンサをグリッドに配置する対象品の形状とサイズなどを考慮して、実際の計算プログラムを考案することは設計パラーメータの選択とは言えない難しさがある。 The fourth task is to devise a calculation program for calculating the position and orientation of the magnet with high precision and excellent real-time performance. With the magnetic field vector sensor grid, when the magnetic field vector emitted by the magnetic marker is measured as the magnetic field vector at each measurement point, no iterative process is required. A method of defining a function and calculating X, Y, Z and θ, φ from its minimum value is widely known as the Gauss-Newton method. Using this principle, we consider the magnet performance, sensor performance, the number and arrangement of sensors, the distance between the magnetic marker and the magnetic field vector sensor grid, and the shape and size of the target product on which the magnetic field vector sensor is placed on the grid. There is a difficulty that can not be said to be the selection of design parameters to devise a calculation program for .

第5の課題は、磁界ベクトルセンサグリッドを利用してハンドピースの先端と口腔内の治療位置との相対的位置関係を求めて、所定の治療位置にハンドピースの先端が、位置ずれが0.1mm以下、方位ずれが1度以下となるように、誘導することができる誘導システムに関するものである。 The fifth problem is to obtain the relative positional relationship between the tip of the handpiece and the treatment position in the oral cavity using the magnetic field vector sensor grid, and to ensure that the tip of the handpiece is at a predetermined treatment position with a displacement of 0.5. The present invention relates to a guidance system capable of providing guidance such that the misorientation is 1 mm or less and the misorientation is 1 degree or less.

第6の課題は、ハンドピースの誘導中に患者が動いた場合の対策である。 A sixth issue is countermeasures against movement of the patient during guidance of the handpiece.

従来方法は、装置に固定したグリッド系(言い換えれば装置の座標系)において、移動する磁石体の位置と方位を求めるもので、装置と磁石体の位置関係がそのまま把握できるというものであった。しかし、本発明の対象は、ハンドピースは方位と位置が変動し、磁石体の位置と方位も患者の動きによって微妙に変動する場合である。つまり、両者は稼働的なもので、単に両者の相対的位置・方位関係を求めるだけでは、ハンドピースを操作する術者またはロボットなどの機械的な制御装置からはハンドピースの位置・方位がつかめず、制御に必要な情報を得ることができない。このような、稼働的なグリッド系と磁石を対象とした位置・方位を測定するアルゴリズムを新たに考案する必要がある。 The conventional method obtains the position and orientation of the moving magnet in a grid system fixed to the device (in other words, the coordinate system of the device), and the positional relationship between the device and the magnet can be grasped as it is. However, the subject of the present invention is the case where the orientation and position of the handpiece fluctuate, and the position and orientation of the magnet also slightly fluctuate according to the movement of the patient. In other words, both are active, and simply obtaining the relative position/orientation relationship between the two does not allow the operator of the handpiece or a mechanical control device such as a robot to grasp the position/orientation of the handpiece. information necessary for control cannot be obtained. It is necessary to devise a new algorithm for measuring the position and orientation of such a working grid system and magnets.

本発明は、磁石体、磁界ベクトルセンサ、磁界ベクトルセンサグリッド、センサグリッドデータ処理回路および位置・方位計算プログラムとそれを内蔵したデータ処理装置およびハンドピース誘導システムとからなっている。
そこで、本発明者は、まず第1の課題である高い検出力を有する磁界ベクトルセンサの開発に取り組んだ。
The present invention consists of a magnet, a magnetic field vector sensor, a magnetic field vector sensor grid, a sensor grid data processing circuit, a position/orientation calculation program, a data processing device incorporating it, and a handpiece guidance system.
Therefore, the present inventor first worked on the development of a magnetic field vector sensor having high detection power, which is the first problem.

GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサとしては、特許文献6、7に開示されているように、200Hzの測定速度で100nT以下の検出力を有し、サイズは集積回路のサイズ1.4×1.4mmを考えると2×2mm程度のものである。 As a magnetic field vector sensor using a GSR sensor, as disclosed in Patent Documents 6 and 7, it has a detection power of 100 nT or less at a measurement speed of 200 Hz, and its size is the size of an integrated circuit 1.4×1. Considering 4 mm, it is about 2×2 mm.

ここで、GSRセンサについては、特許文献5に詳細に記載されており、本発明において引用する。GSRセンサは、図1に示すように、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルとワイヤ通電用の電極2個とコイル電圧検出用電極2個の電極を接続する配線で構成されるGSR素子、およびその磁性ワイヤにGHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路(図2)とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。 Here, the GSR sensor is described in detail in Patent Document 5, which is cited in the present invention. As shown in FIG. 1, the GSR sensor consists of a detection coil formed of a magnetic field detection magnetic wire having conductivity on a substrate, a circulating coil wound around the wire, two electrodes for wire conduction, and an electrode for detecting coil voltage. A means for applying a pulse current having a frequency of GHz to a GSR element composed of wiring connecting two electrodes and a magnetic wire, and a coil voltage generated when the pulse current is applied are detected, and the coil voltage is detected by an external magnetic field H It is an ultrasensitive micro magnetic sensor consisting of an electronic circuit (Fig. 2) that converts to

本発明者は、GSR素子の長さを長くし、コイル巻き数を増加し、パーマロイの形状と磁気回路を工夫してZ軸方向の磁界Hzの集磁力を強化することや、ASIC表面に直接形成し電極用ビアホールでASIC回路と接続するによって、センササイズはそのままにして、磁界ベクトルセンサの性能を1KHzの測定速度で50nT以下の検出力へと向上させることができ、この一体式の磁界ベクトルセンサを本発明に用いることにした。なおASICとは、特定用途用集積回路である。 The present inventors have tried to increase the length of the GSR element, increase the number of coil turns, improve the shape of permalloy and the magnetic circuit to strengthen the magnetic gathering force of the magnetic field Hz in the Z-axis direction, and directly apply the magnetic field to the ASIC surface. By forming and connecting to the ASIC circuit with via holes for electrodes, the performance of the magnetic field vector sensor can be improved to 50 nT or less detection power at a measurement rate of 1 KHz without changing the sensor size. It was decided to use the sensor in the present invention. ASIC is an application specific integrated circuit.

この一体式の磁界ベクトルセンサについて、図3、4により説明する。
ASIC31の上に原点を中心にしてX軸方向にX1素子、X2素子を対称的に配置し、X軸方向と直交するY軸方向にY1素子、Y2素子を対称的に配置する。各素子はASICの上面に塗布され、溝が加工されたレジスト層に磁性ワイヤ32が配置され、磁性ワイヤ32を周回する検出コイル、4つの電極(33、34)が形成されている。4つの電極(33、34)は連結用電極ホール38を介してASICと接続される。原点には磁性ワイヤ32の上部に上部軟磁性体35が1個形成され、4個の素子の原点とは反対側の端部には磁性ワイヤ32の下部に下部軟磁性体36がそれぞれ形成されている。
この構成により、X軸方向およびY軸方向の磁界を検出するとともにZ軸方向の磁界は上部軟磁性体35により集磁391(又は放磁)され、磁性ワイヤ32を介して下部軟磁性体36により放磁392(又は集磁)されることによって検出される。したがって、原点における磁界ベクトル(Hx、Hy、Hz)が検出される。
This integrated magnetic field vector sensor will be described with reference to FIGS.
On the ASIC 31, the X1 element and the X2 element are symmetrically arranged in the X-axis direction with the origin as the center, and the Y1 element and the Y2 element are symmetrically arranged in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction. Each element is coated on the upper surface of the ASIC, a magnetic wire 32 is arranged in a grooved resist layer, and a detection coil and four electrodes (33, 34) are formed around the magnetic wire 32. The four electrodes (33, 34) are connected to the ASIC through connecting electrode holes 38. FIG. One upper soft magnetic body 35 is formed above the magnetic wire 32 at the origin, and lower soft magnetic bodies 36 are formed below the magnetic wire 32 at the ends of the four elements opposite to the origin. ing.
With this configuration, the magnetic field in the X-axis direction and the Y-axis direction is detected, and the magnetic field in the Z-axis direction is collected 391 (or discharged) by the upper soft magnetic body 35. It is detected by being discharged (or collected) by 392 . Therefore, the magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) at the origin is detected.

GSRセンサは、1MHzから5MHzの速度で磁界を計測し、それを平均化して、200Hzから500KHzの測定速度で出力して用いられている。GSRセンサの検出力は磁性ワイヤの長さに比例して向上する。本発明者は、1kHzの測定速度で5nT以下の微小磁界を微小空間範囲で測定するために、磁性ワイヤの長さ1~2.4mmと長くしたGSR素子をASIC表面に直接成形し、小型のOn-ASICタイプのGSRセンサ(非特許文献4)を製作し、それを使って組み立て式の磁界ベクトルセンサを開発し、本発明に使用することにした。 A GSR sensor is used to measure a magnetic field at a rate of 1 MHz to 5 MHz, average it, and output it at a measurement rate of 200 Hz to 500 KHz. The detection power of the GSR sensor increases in proportion to the length of the magnetic wire. In order to measure a minute magnetic field of 5 nT or less at a measurement speed of 1 kHz in a minute space range, the present inventor directly molded a GSR element with a long magnetic wire length of 1 to 2.4 mm on the surface of an ASIC to achieve a small size. An On-ASIC type GSR sensor (Non-Patent Document 4) was manufactured, and using it, an assembly type magnetic field vector sensor was developed and used in the present invention.

組み立て式の磁界ベクトルセンサは、図5、6に示すように、On-ASICタイプのGSRセンサ41(サイズは、長さ2mm、幅1mm)の4個を、四角錐台40の稜線部402の4つの斜面に、4回対称かつ鏡面対称に貼り付けたものである。サイズは、底辺は最大6mmで、台座の高さは、最大2mmである。傾斜角度θsは、20度から45度とした。なお、on-ASICタイプのGSRセンサについては、本発明者により特開2019-191016号公報で詳細に記載されており、本発明において引用するものである。
本発明は、小型で高性能の磁界ベクトルセンサを使用するものであって、上記二つの発明品の使用に限定されるものではない。
As shown in FIGS. 5 and 6, the assembly-type magnetic field vector sensor consists of four On-ASIC type GSR sensors 41 (size: 2 mm long, 1 mm wide) attached to the ridge line 402 of the truncated square pyramid 40. It is affixed on four slopes in four-fold symmetry and mirror symmetry. The maximum size of the base is 6 mm, and the maximum height of the pedestal is 2 mm. The inclination angle θs was set to 20 degrees to 45 degrees. The on-ASIC type GSR sensor is described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 2019-191016 by the inventor of the present invention, which is cited in the present invention.
The present invention uses a compact, high performance magnetic field vector sensor and is not limited to the use of the above two inventions.

第2の課題は、磁石体の設計に関するもので、歯に張り付けることができるほどのサイズで、しかも2cmから10cmも離れた位置で、位置精度を0.1mm以下、方位精度を1度以下にて磁石座標系Cm系における磁石体の位置と方位の測定を可能にする必要がある。しかも周辺の磁界環境の変動、特にハンドピースの移動による変動の影響を受けないようにする工夫が必要である。 The second issue relates to the design of the magnet, which is small enough to be attached to a tooth, and has a positional accuracy of 0.1 mm or less and a azimuth accuracy of 1 degree or less at a distance of 2 cm to 10 cm. should allow measurement of the position and orientation of the magnet body in the magnet coordinate system Cm. Moreover, it is necessary to devise ways to avoid the effects of fluctuations in the surrounding magnetic field environment, especially fluctuations due to movement of the handpiece.

そこで、発明者は、先ずパルス磁界型電磁石を考案した。
磁界ベクトルセンサは、振動する磁界を検知し、周辺磁界の影響を排除することができる。製作した電磁石のパルス周期は、50Hzから1KHz、パルス幅は0.1m秒から5m秒とした。励磁電流Iは、磁針素材を飽和することができる強さ、すなわちコイルの磁化力Hが保磁力Hcの5倍以上となるようにコイル巻き数を考慮して電流強度を決めた。
Therefore, the inventor first devised a pulse magnetic field type electromagnet.
A magnetic field vector sensor can detect an oscillating magnetic field and eliminate the effects of surrounding magnetic fields. The produced electromagnet had a pulse period of 50 Hz to 1 KHz and a pulse width of 0.1 msec to 5 msec. The excitation current I was determined by considering the number of turns of the coil so that the magnetic needle material could be saturated, ie, the magnetizing force H of the coil was five times or more the coercive force Hc.

次に、交流式電磁石を考案した。
この場合、GSRセンサのノイズフィルターのバンドパスフィルターを指定された周波数を優先的に検知できるように設定する。電磁石の周波数は10Hzから1KHzとした。励磁電流Iは、磁針素材を直線的に磁化できる磁化力の範囲、およそ保磁力Hcの0.5倍以下として、コイルの磁化力HがH<0.5Hcとなるように、コイル巻き数を考慮して電流強度を求める。
Next, we devised an AC electromagnet.
In this case, the band-pass filter of the noise filter of the GSR sensor is set so that the designated frequency can be detected preferentially. The frequency of the electromagnet was set from 10 Hz to 1 KHz. The excitation current I is set to a range of magnetizing force that can linearly magnetize the magnetic needle material, approximately 0.5 times or less than the coercive force Hc, and the number of coil turns is adjusted so that the magnetizing force H of the coil is H<0.5Hc. Determine the current intensity by taking into account

最後に、永久磁石を使用する場合には、周辺磁界の影響を受けやすいので、可能な限り大きな磁石、例えば、20×10-9~100×10-9Wbm程度を使用し、その上で、特別な対策が必要である。ハンドピースの初期位置と治療位置を設定しておき、両位置での周辺磁界を測定しておく。つぎに患者を手術の際の所定の位置に固定して、ハンドピースのグリッドセンサを使って、患者の歯に設置した磁石からの磁界を測定して、両者の差分を磁石からの磁界の測定値として、その測定値を使って、初期位置および治療位置での位置は、ハンドピースの位置を求めることにする。また磁界測定中には、ハンドピースを稼働させないことにする。さらに、非磁性素材を使ったハンドピースを用いることが好ましい。 Finally, when a permanent magnet is used, it is easily affected by the surrounding magnetic field. Special measures are required. Set the initial position and treatment position of the handpiece, and measure the peripheral magnetic field at both positions. Next, the patient is fixed at a predetermined position for surgery, and the grid sensor of the handpiece is used to measure the magnetic field from the magnet placed on the patient's teeth, and the difference between the two is used to measure the magnetic field from the magnet. Using that measurement as a value, the position at the initial position and the treatment position will determine the position of the handpiece. Also, the handpiece is not operated during the magnetic field measurement. Furthermore, it is preferable to use handpieces using non-magnetic materials.

さらに、第2の課題において、歯に設置した1個の磁石体を使って、磁石座標系Cm系を特定する工夫が必要である。この点に対しては、通常の磁石体は、反磁界を小さくするために磁化方向と長手方向が一致している。このような磁石体を使った場合、磁化の向き(=磁石体マーカの長手方向)を歯の長手方向に合わせて、垂直方向に張り付けてZ軸とすると、磁石体の幅方向が水平方向になるが、水平方向は360度存在し、特定の方向をX軸に指定できない。そこで、磁石体の幅方向を磁化の向きとした電磁石を製作し、磁石体の長手方向を垂直方向にして歯に貼り付けてZ軸とし、その磁石体の磁化方向をX軸として、X軸とZ軸からY軸を求めて、磁石体の中心を原点にした磁石座標系Cm系を設定して、この問題を解決した。 Furthermore, in the second problem, it is necessary to devise a way to specify the magnet coordinate system Cm using one magnet placed on the tooth. With respect to this point, the magnetization direction and the longitudinal direction of a normal magnet are aligned in order to reduce the demagnetizing field. When such a magnet is used, if the direction of magnetization (=longitudinal direction of the magnet marker) is aligned with the longitudinal direction of the teeth and the Z-axis is attached in the vertical direction, the width direction of the magnet will be the horizontal direction. However, the horizontal direction exists 360 degrees, and a specific direction cannot be specified as the X axis. Therefore, an electromagnet whose magnetization direction is in the width direction of the magnet is manufactured, and the longitudinal direction of the magnet is perpendicular to the teeth and attached to the teeth as the Z axis. This problem was solved by finding the Y-axis from the Z-axis and setting the magnet coordinate system Cm with the center of the magnet as the origin.

以上の結果、交流型電磁石、パルス型電磁石および永久磁石のサイズ幅は6mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体の磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとし、磁石体1個を口腔内の特定の歯に磁石体の幅方向を垂直方向(Z軸)に、磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置して、磁石体の中心を原点Omにして、磁化ベクトルの向きをY軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする磁石座標系をCm系とする。磁石体の垂直方向の貼り付け誤差は、0.5度以下が好ましい。 As a result, the AC electromagnet, the pulse electromagnet, and the permanent magnet have a size width of 6 mm or less and a length of 10 mm or less, and the magnetic moment of the magnet is 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm. One piece is installed on a specific tooth in the oral cavity with the width direction of the magnet in the vertical direction (Z-axis) and the magnetization vector in the horizontal direction (X-axis), and the center of the magnet is the origin Om, A magnet coordinate system in which the direction of the magnetization vector is the Y-axis, the thickness direction of the magnet body is the Y-axis, and the longitudinal direction is the Z-axis is defined as a Cm system. It is preferable that the attachment error in the vertical direction of the magnet body is 0.5 degrees or less.

第3の課題である磁界ベクトルセンサグリッド(センサグリッドという。の設計については、ハンドピースを口腔内に挿入するために空間的制約および形状の制約を強く受ける。磁界ベクトルセンサ(以下、センサという)の数が多いほど、かつ磁石に近いほど磁界ベクトルセンサグリッドの性能は向上するが、幾何学的配置が難しくなる。
本発明では、ハンドピースの先端の円筒部に5個以上のセンサを円筒状に配置したグリッド(一例を図7に示す。)と、ハンドピースの先端部にグリッド板を配置し、そこに9個以上のセンサを配置したグリッド(一例を図8に示す。)を試作した。
磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸の向きをY軸、センサグリッドの横方向(水平方向)をX軸とし、センサグリッド板の縦方向(垂直方向)をZ軸とする座標系をC系としている。
The design of the magnetic field vector sensor grid (called sensor grid), which is the third issue, is strongly subject to spatial and shape constraints due to the insertion of the handpiece into the oral cavity. Magnetic field vector sensor (hereinafter called sensor) The higher the number of and the closer to the magnet, the better the performance of the magnetic field vector sensor grid, but the more difficult the geometry.
In the present invention, a grid (an example is shown in FIG. 7) in which five or more sensors are arranged in a cylindrical shape on the cylindrical portion of the tip of the handpiece, and a grid plate is arranged on the tip of the handpiece. A prototype of a grid (an example is shown in FIG. 8) in which more than one sensor is arranged was made.
A coordinate system with the center of the magnetic field vector sensor grid as the origin, the direction of the handpiece axis as the Y axis, the lateral direction (horizontal direction) of the sensor grid as the X axis, and the vertical direction (vertical direction) of the sensor grid plate as the Z axis. is C system.

磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点Ohにし、ハンドピース軸をY軸、センサグリッド板の水平方向をX軸とし、センサグリッド板の縦方向をZ軸とする座標系をC系とし、ハンドピースに加速度センサを設置して、Y軸は水平に保ち、グリッドセンサ面であるXZ面を垂直面に保つことにする。ハンドピースの初期位置は、ハンドピースのC系のXZ面と磁石座標系Cm系のXZ面が対向するように向けることにして、Y軸に沿ってハンドピースを口腔内に近づけて、ハンドピースの先端を口腔内の指定された治療位置に誘導していくことにする。この過程でハンドピースの先端と磁石の位置・方位関係は磁界ベクトルセンサグリッドを使って計測し、そのデータをセンサグリッドデータ処理回路に転送する。 The center of the magnetic field vector sensor grid is the origin Oh, the handpiece axis is the Y axis, the horizontal direction of the sensor grid plate is the X axis, and the vertical direction of the sensor grid plate is the Z axis. An acceleration sensor is installed, the Y-axis is kept horizontal, and the XZ plane, which is the grid sensor plane, is kept vertical. The initial position of the handpiece is such that the XZ plane of the C system of the handpiece faces the XZ plane of the Cm system of the magnet coordinate system, and the handpiece is brought closer to the oral cavity along the Y axis. to the designated treatment position in the oral cavity. In this process, the position/orientation relationship between the tip of the handpiece and the magnet is measured using the magnetic field vector sensor grid, and the data is transferred to the sensor grid data processing circuit.

センサグリッドデータ処理回路は、磁界ベクトルセンサグリッドにより計測した測定データを高速で処理する機能を有し、データ処理装置は、C座標系の原点から磁石体の位置(X、Y、Z)および方位Θ、Φをガウスニュートン法により計算する。ここで、Θは両系のXY面の角度ずれでZ軸回転することにより一致させることができる。ΦはZX面の角度ずれでY軸回転することにより一致させることができる。 The sensor grid data processing circuit has a function of processing the measurement data measured by the magnetic field vector sensor grid at high speed. Θ and Φ are calculated by the Gauss-Newton method. Here, Θ can be matched by rotating the Z-axis with the angle deviation of the XY planes of both systems. Φ can be made to match by Y-axis rotation with angular displacement of the ZX plane.

磁界ベクトルセンサグリッド基板は、各センサとマルチプレクサMUXとを連結し、次の全データが最終MUXと連結し、外部の信号処理回路に転送される。電源配線は、図示していないが、電源配線VDDとグランド配線GNDとが各センサに連結して、センサグリッド稼働時にはすべての磁界ベクトルセンサに電源が供給できるようにしている。グリッド電子回路基板は、ハンドピース本体に設置することが好ましい。
センサグリッドの組み立て精度については、極力小さくすることが求められて、10μm以下の精度が好ましい。
The magnetic field vector sensor grid board connects each sensor to a multiplexer MUX, all subsequent data is connected to the final MUX and forwarded to external signal processing circuitry. Although not shown, power supply wiring VDD and ground wiring GND are connected to each sensor so that power can be supplied to all the magnetic field vector sensors when the sensor grid is in operation. The grid electronics board is preferably mounted on the handpiece body.
The assembly accuracy of the sensor grid is required to be as small as possible, and an accuracy of 10 μm or less is preferable.

第4の課題は、精度よくかつリアルタイム性に優れた磁石体の位置と方位を計算する計算プログラムの考案である。
本発明者は、磁界ベクトルセンサグリッドで、磁石体が発する磁界ベクトルを各測定点で磁界ベクトルとして測定した場合、反復プロセスを必要とせず、測定値と理論値のずれを誤差として、それらを加算した関数として誤差関数を定義して、その最小値からX、Y、ZおよびΘ、Φを計算する方法は、ガウスニュートン法として広く知られている。この原理を用いて、磁石性能、センサ性能、センサの数と配置、磁石体マーカとセンサグリッドの距離およびセンサグリッド配置する対象品の形状とサイズなどを考慮して、実際の計算プログラムを考案することは設計パラーメータの選択とは言えない難しさがある。
この課題を解決するために、本発明者はまず磁石体マーカから発する磁界を磁界ベクトルセンサグリッドで磁界測定を行い、そのデータをガウスニュートン法により、磁石体マーカの位置・方位を計算するプログラム(図9)を作成した。
The fourth task is to devise a calculation program for calculating the position and orientation of the magnet with high precision and excellent real-time performance.
In the magnetic field vector sensor grid, when the magnetic field vector emitted by the magnet is measured as the magnetic field vector at each measurement point, the inventor does not need an iterative process, and adds the deviation between the measured value and the theoretical value as an error. A method of defining an error function as a function obtained by calculating X, Y, Z and Θ, Φ from its minimum value is widely known as the Gauss-Newton method. Using this principle, consider the magnet performance, sensor performance, the number and arrangement of sensors, the distance between the magnetic marker and the sensor grid, and the shape and size of the object to be placed on the sensor grid, and devise an actual calculation program. There is a difficulty that cannot be said to be the selection of design parameters.
In order to solve this problem, the present inventors have developed a program ( Figure 9) was created.

ガウスニュートン法に基づく位置と方位を同時に求める計算プログラムは次の通りである。前記磁界センサグリッドの中心を原点Ohにして、グリッド面をXY平面、XY平面に垂直軸をZ軸としたC座標系を指定して、前記磁石体マーカ( )の位置を(X、Y、Z)とし、方位は、Z軸に対する回転角をΘとし、Y軸に対する回転角をΦとして、さらにセンサのグリッド上の配置位置をグリッドの原点Ohを中心に、横方向に-iから+i、縦方向に-jから+jの位置(i,j、0)とし、これらの位置にある磁界ベクトルの測定値を使って、磁石体マーカ( )の位置X、Y、Zと方位Θ、Φを以下の要領で計算するものである。 A calculation program for simultaneously determining the position and orientation based on the Gauss-Newton method is as follows. The center of the magnetic field sensor grid is the origin Oh, the grid surface is the XY plane, and the C coordinate system with the Z axis being the axis perpendicular to the XY plane is specified, and the position of the magnetic marker ( ) is (X, Y, Z), the azimuth is Θ as the rotation angle with respect to the Z axis, and Φ as the rotation angle with respect to the Y axis. Positions (i, j, 0) from -j to +j in the vertical direction, and using the measured values of the magnetic field vectors at these positions, the positions X, Y, Z and the directions Θ, Φ of the magnetic marker ( ) It is calculated in the following manner.

(1)先ずステップ101にて、センサグリッド位置(i,j、k)における磁気を計測して磁気測定値H(→)ijkを求める。
(2)ステップ102にて、センサの測定誤差の値Nの割合S/Nが、500以上となることを確認する。
(3)次に、ステップ103にて、磁石体マーカ( )がセンサグリッドの(i,j、k)番目のセンサ位置であるPijkに作る磁気の理論値H(→)ijkを式(1)から求める。ここでまた磁石の傾きをZ軸に対する回転角をφ、X軸に対する回転角をθとする。ここで、磁石体マーカ( )と位置Pijkまでの距離ベクトルを ijkとする。
H(→)ijk = 1/4πμo {-M(→)/rijk 3 +3(M(→)・ r(→)ijk )r(→)ijk /rijk 5 }・・・(1)

(4)次に、ステップ104にて、磁気理論値と磁気測定値との差を測定誤差εijkとして、求める。
ijkH(→)ijkH(→)ijk
(5)次に、ステップ105にて、ステップ103により求めた測定誤差εijの誤差関数Eijを誤差の平方和として求める。
ijk=Σeijk
(6)次に、ステップ106にて、ガウスニュートン法で、ステップ104により求めた誤差平方和が最小となるx、y、z、θ、φを、以下の連立方程式を使って求める。
∂Eijk/∂x=0、∂Eijk/∂y=0、∂Eijk/∂z=0、
∂Eijk/∂φ=0、∂Eijk/∂θ=0
(7)次いでステップ107にて、上記方程式から座標系Oh―XYZにおける磁石体マーカの位置X、Y、Zと磁石の磁化の向きΘとΦを求める。
X=x+d×a、Y=y+d×b、Z=z、Θ=θ、Φ=φ
(1) First, in step 101, the magnetism at the sensor grid position (i, j, k ) is measured to obtain the magnetism measurement value mH(→) ijk .
(2) In step 102, confirm that the ratio S/N of the sensor measurement error value N is 500 or more.
(3) Next, in step 103, the magnetic theoretical value tH(→) ijk generated by the magnet marker ( ) at the (i, j, k )-th sensor position P ijk of the sensor grid is expressed by the formula ( 1). Here, the inclination of the magnet is defined as φ as the rotation angle with respect to the Z-axis and θ as the rotation angle with respect to the X-axis. Let ijk be the distance vector between the magnet marker ( ) and the position Pijk .
t H(→) ijk = 1/4πμ o {−M(→)/r ijk 3 +3(M(→) r(→) ijk )r(→) ijk /r ijk 5 } (1)

(4) Next, in step 104, the difference between the theoretical magnetic value and the measured magnetic value is obtained as the measurement error ε ijk .
eijk = tH(→) ijk - mH (→) ijk
(5) Next, in step 105, the error function Eij of the measurement error εij obtained in step 103 is obtained as the sum of squares of the errors.
E ijk =Σe ijk 2
(6) Next, in step 106, x, y, z, θ, and φ that minimize the error sum of squares obtained in step 104 are obtained by the Gauss-Newton method using the following simultaneous equations.
∂Eijk /∂x=0, ∂Eijk /∂y=0, ∂Eijk /∂z=0,
∂Eijk /∂φ=0, ∂Eijk /∂θ=0
(7) Next, in step 107, the positions X, Y, and Z of the magnet body marker in the coordinate system Oh-XYZ and the directions of magnetization Θ and Φ of the magnet are obtained from the above equations.
X=x+d×a, Y=y+d×b, Z=z, Θ=θ, Φ=φ

グリッド板は60mm×60mm、そこに10nTの検出力を持つ磁界ベクトルセンサを、列間隔は30mm、横間隔は15mmとして、3列5個に15個配置し、ハンドピース軸上の3cm歯に近い位置に1個を配置した合計16個のセンサグリッドを製作した。この磁界ベクトルセンサグリッドで歯に貼り付けた20×10-9Wbmの強さの磁石体マーカが発する磁界を測定するとして、上記計算プログラムを使って、磁石体マーカの位置と方位を計算して求めることにした。 The grid plate is 60 mm x 60 mm, and 15 magnetic field vector sensors with a detection power of 10 nT are arranged in 3 rows of 5 sensors with a row interval of 30 mm and a horizontal interval of 15 mm. A total of 16 sensor grids were fabricated, one in position. Assuming that the magnetic field vector sensor grid is used to measure the magnetic field emitted by a magnetic marker with a strength of 20×10 −9 Wbm attached to the tooth, the position and orientation of the magnetic marker are calculated using the above calculation program. decided to ask.

誤差を確認する実験は、高さを40mmと基準点として固定し、磁石体マーカをX、Y、Z方向に±10mmの移動およびθとφを±30度回転を繰り返して、もとの位置に戻るたびに位置測定を繰り返して、そのばらつきを測定した。その結果、計算誤差を確認して、位置誤差は0.1mm以下、方位誤差は0.5度以下と、良好な測定誤差範囲で計算できることを確認した。 In the experiment to confirm the error, the height was fixed at 40 mm as a reference point, and the magnet marker was moved ±10 mm in the X, Y, and Z directions and rotated ±30 degrees in θ and φ. We repeated the position measurement each time we returned to , and measured its variability. As a result, the calculation error was confirmed, and it was confirmed that the position error was 0.1 mm or less and the orientation error was 0.5 degrees or less, and that the calculation could be performed within a good measurement error range.

計算プログラム上で、磁石の磁気モーメントを1×10-9~200×10-9Wbmまで変化させてさらにセンサノイズを0.1nT、1nTおよび10nTと変えて入力して、た。また測定を繰り返して位置方位計算の誤差に対する磁気モーメントとセンサ性能の影響を調査した。その結果は、位置X、Y、Zの位置精度は、磁石体マーカからの距離に強く依存するが、言い換えれば磁石体とセンサグリッド面との距離に依存する。 On the calculation program, the magnetic moment of the magnet was changed from 1×10 −9 to 200×10 −9 Wbm, and the sensor noise was changed to 0.1 nT, 1 nT and 10 nT and input. The measurements are also repeated to investigate the effect of magnetic moment and sensor performance on the error of position and orientation calculation. The result is that the positional accuracy of the positions X, Y, Z strongly depends on the distance from the magnet marker, which in turn depends on the distance between the magnet and the sensor grid surface.

その結果、図10(a)に示すように、磁気モーメントが増加するほど位置精度は向上した。磁気モーメントが、4倍になると精度が4倍、9倍になると9倍、100倍になると100倍改善し、センサノイズを0.1nT、1nTおよび10nTと変えて調査した結果、センサ性能を10倍にすると位置計算精度は10倍向上することが分かった。 As a result, as shown in FIG. 10(a), the position accuracy improved as the magnetic moment increased. When the magnetic moment is quadrupled, the accuracy improves fourfold, when it increases ninefold, it improves ninefold, and when it increases 100fold, it improves 100fold. It was found that doubling the position improves the accuracy of the position calculation by a factor of 10.

同様に、方位精度計算の結果、図10(b)に示すように、磁気モーメントが増加するほど方位精度は向上した。なお、Y方向の位置精度およびφ角の方位精度に及ぼす磁気モーメントの影響と磁界センサ間隔の影響についても同様の結果が得られた。 Similarly, as a result of azimuth accuracy calculation, as shown in FIG. 10(b), the azimuth accuracy improved as the magnetic moment increased. Similar results were obtained for the effect of the magnetic moment and the effect of the magnetic field sensor spacing on the positional accuracy in the Y direction and the azimuth accuracy of the φ angle.

以上の結果から、本発明では、0.1mm以下の位置精度と1度以下の方位精度を得るために、磁石体マーカの磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmおよび磁界センサの検出力を50nT以下とすることにした。 From the above results, in the present invention, in order to obtain a position accuracy of 0.1 mm or less and an orientation accuracy of 1 degree or less, the magnetic moment of the magnet body marker is set to 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm and the magnetic field sensor It was decided that the power of detection should be 50 nT or less.

本発明は、磁石体は交流型電磁石またはパルス型電磁石とし、サイズ幅は4mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体の磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとし、磁界ベクトルセンサグリッドに用いた磁気センサの検出力を0.1~10nTとした。交流型電磁石またはパルス型電磁石を使用する場合は、磁界の変動幅を磁石から発すル磁界の強さと判断して計測値とするプログラムを付加して、周辺磁界の影響を取り除いた。 In the present invention, the magnet body is an AC electromagnet or a pulse electromagnet, the size width is 4 mm or less, the length is 10 mm or less, the magnetic moment of the magnet body is 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm, and the magnetic field The detection power of the magnetic sensors used in the vector sensor grid was 0.1-10 nT. When using an AC type electromagnet or a pulse type electromagnet, a program was added to determine the fluctuation width of the magnetic field as the strength of the magnetic field emitted from the magnet and use it as a measured value to eliminate the influence of the surrounding magnetic field.

永久磁石を使用する場合には、事前に周辺磁界分布を測定しておき、ハンドピースの位置に合わせて補正磁界を計算プログラムに取り組み、測定磁界から補正磁界を引き算するプログラムを付加した。また、このケースの場合、ハンドピースの稼働を停止、つまり電力が供給されていな状態にしておくことが必要である。そして、できるならハンドピースは非磁性であることが好ましい。 In the case of using a permanent magnet, the peripheral magnetic field distribution was measured in advance, a correction magnetic field was calculated according to the position of the handpiece, and a program was added to subtract the correction magnetic field from the measured magnetic field. Also, in this case, it is necessary to stop the operation of the handpiece, that is, to leave it in a state in which no power is supplied. And preferably the handpiece is non-magnetic.

第5の課題は、センサグリッドを利用してハンドピースの先端と口腔内の治療位置との相対的位置関係を求めて、所定の治療位置にハンドピース先端が、位置ずれが0.1mm以下、方位ずれが1度以下となるように、誘導することができる誘導システムを考案することである。
そのために、本発明者は、患者の口腔内の治療位置を、3次元X線CT画像上で、歯に取り付けた磁石体を原点に指定し、磁石体とハンドピース先端との相対的関係をセンサグリッドで計測し、その測定値を使って、以下に示す方法を考案した。
The fifth problem is to obtain the relative positional relationship between the tip of the handpiece and the treatment position in the oral cavity using a sensor grid, and to ensure that the tip of the handpiece is at a predetermined treatment position with a displacement of 0.1 mm or less. To devise a guidance system capable of guiding so that the misorientation is 1 degree or less.
For this purpose, the present inventor designated the treatment position in the patient's oral cavity on the three-dimensional X-ray CT image as the origin of the magnet attached to the tooth, and determined the relative relationship between the magnet and the tip of the handpiece. We measured with a sensor grid and devised the following method using the measured values.

患者の口腔内の治療位置は、3次元X線画像上で、磁石体の中心を原点Omとして、磁化の向きをX軸、磁石の長手方向をZ軸、XZ平面に垂直な向きをY軸とした磁石座標系Cm系を設定し、Cm系において、治療位置の中心点をB点(以下、治療位置Bという。)として、B点の位置をOmB=(Bx、By、Bz)とする(図11)。
また発明者は、ハンドピースに3軸加速度センサを取り付けて、傾斜度を測定し、それをつかってハンドピースのY軸を水平に維持し、ハンドピースの先端近くに磁気ベクトルセンサグリッドを取り付けて、グリッドの原点をOhとして、ハンドピースの長手方向をY軸とし、グリッドの横方向をX軸、縦方向をZ軸として、座標系C0とした。ハンドピースのドリルの先端位置をA点(以下、先端位置Aという。)とし、その位置をOhA=(0、L、―H)とした。なお、患者の開口した口腔部が手術中に動かないように、患者の顎顔面部を手術用ホルダーで固定しておく。
The treatment position in the patient's oral cavity is determined on the three-dimensional X-ray image, with the center of the magnet as the origin Om, the direction of magnetization as the X axis, the longitudinal direction of the magnet as the Z axis, and the direction perpendicular to the XZ plane as the Y axis. In the Cm system, the center point of the treatment position is point B (hereinafter referred to as treatment position B) , and the position of point B is OmB = (Bx, By, Bz). (Fig. 11).
The inventor also attached a 3-axis accelerometer to the handpiece to measure the degree of inclination, used it to keep the Y-axis of the handpiece horizontal, and attached a magnetic vector sensor grid near the tip of the handpiece. , the origin of the grid is Oh, the longitudinal direction of the handpiece is the Y axis, the horizontal direction of the grid is the X axis, and the vertical direction is the Z axis, and a coordinate system C0 is established. The tip position of the drill of the handpiece was defined as point A (hereinafter referred to as tip position A) , and this position was defined as OhA=(0, L, -H). The maxillofacial region of the patient is fixed with a surgical holder so that the patient's open oral cavity does not move during surgery.

両座標系の相対的な初期位置として、C1系のXZ面とCm系のXZ面が対面するように向け、ハンドピースの先端を磁石に近づけて、ハンドピースの先端の初期位置とし、この初期状態におけるハンドピース上のグリッド系をC1系とした。 As a relative initial position of both coordinate systems, the XZ plane of the C1 system and the XZ plane of the Cm system are directed to face each other, the tip of the handpiece is brought close to the magnet, and the initial position of the tip of the handpiece is set. The grid system on the handpiece in this state was designated as the C1 system.

次に、その状態で、まずグリッドを使って座標系C1における磁石の位置R1と方位(θ、φ)を計算し、その計算値を使って、C1系の方位はZ軸を回転軸に-θ度回転させ、Y軸を回転軸に-φ度回転させて、両座標系の方位関係を一致させた。この状態のハンドピース系をC2系とした。
C2系から見て、A2B2=OmB2+R2-OhA2となる。ここで、C2系とCm系の方位は一致しているので、OmB2=OmB1になり、OhA2は、C系のベクトル量なので、OhA1と同じになる。R2は、C1系で求めたベクトル量なので、座標系の回転に対応して、R2=Ry(φ1)Rz(θ1)R1となる。
Next, in that state, the grid is used to calculate the position R1 and the orientation (θ, φ) of the magnet in the coordinate system C1. By rotating the Y axis by θ degrees and rotating the Y axis by −φ degrees, the azimuth relationship between both coordinate systems was matched. The handpiece system in this state was designated as C2 system.
Viewed from the C2 system, A2B2=OmB2+R2-OhA2. Here, since the orientations of the C2 system and the Cm system match, OmB2=OmB1, and OhA2 is the same as OhA1 since it is a vector quantity of the C system. Since R2 is a vector quantity obtained by the C1 system, R2=Ry(φ1)Rz(θ1)R1 corresponding to the rotation of the coordinate system.

両系の相対的な位置と方位関係が把握できたので、治療位置に向けての進入パスを、3次元X線画像上で選択し、そのパスに沿って、ハンドピースの先端Aを治療位置Bに移動させる。最も基本的なパスは、ハンドピースの先端位置Aをまっすぐに治療箇所Bに移動させることである。R2とA2B2の水平面上の角度αを、両ベクトルの内積から求める。次に、Z軸を回転軸にα度回転させて、Y軸を点B2に向け、この状態をC3系とする。
C3系において、グリッドを使って磁石の位置R3と方位(θ、φ)を計算し、A3B3=OmB3+R3-OhA3となる。ここで、OmB3=R(-α)OmB2を求める。OhA3は、C系のベクトルなので変化はしない。
Since the relative position and azimuth relationship between the two systems have been grasped, an approach path toward the treatment position is selected on the three-dimensional X-ray image, and the tip A of the handpiece is moved to the treatment position along that path. Move to B. The most basic path is to move the tip position A of the handpiece straight to the treatment site B. The angle α on the horizontal plane between R2 and A2B2 is obtained from the inner product of both vectors. Next, rotate the Z-axis about the rotation axis by α degrees, direct the Y-axis to the point B2, and assume this state as the C3 system.
In the C3 system, the grid is used to calculate the position R3 and orientation (θ 3 , φ 3 ) of the magnet, A3B3=OmB3+R3-OhA3. Here, OmB3=R(-α)OmB2 is obtained. OhA3 does not change because it is a C-system vector.

A3B3とZ軸(0,0,1)の角度から、Y軸の傾斜角βを求めて、C3系をX軸の回転軸にβ度回転させて、Z軸を点Bの方向に向け、その状態をC4系とする。
C4系で、グリッドを使って磁石の位置R4と方位(θ、φ)を計算し、A4B4=OmB4+R4-OhAを求める。ここで、OmB4=R(-β)OmB3である。
From the angle between A3B3 and the Z-axis (0, 0, 1), the tilt angle β of the Y-axis is obtained, the C3 system is rotated by β degrees about the rotation axis of the X-axis, and the Z-axis is directed toward the point B, This state is called C4 system.
In the C4 system, using the grid, calculate the position R4 and orientation (θ 4 , φ 4 ) of the magnet to obtain A4B4=OmB4+R4-OhA. where OmB4=R(-β)OmB3.

進入パスの方向と距離が決まったので、そのパスに沿って、ハンドピースの先端位置A治療位置Bに移動させて、その時の座標系をC5系とする。C5系で、グリッドを使って磁石の位置R5と方位(θ、φ)を計算し、R5≒0を確認する。 Since the direction and distance of the approach path are determined, the tip position A of the handpiece is moved to the treatment position B along the path, and the coordinate system at that time is defined as the C5 system. In the C5 system, use the grid to calculate the position R5 and orientation (θ 5 , φ 5 ) of the magnet and confirm that R5≈0.

インプラント埋入するための穴加工を行う。穴加工の方向は、X軸を回転軸にEx度、Y軸を回転軸にEy度傾斜している方向で、穴の深さはDとすると、まずX軸を回転軸に(Ex-β)度回転させて、Y軸方向に(Ex-B)×hだけ水平移動させる。つぎにY軸を回転軸にEy度回転させて、X軸方向にEy×hだけ水平移動させる。この状態をC6系とする。C6系で、グリッドを使って磁石の位置R6と方位(θ、φ)を計算し、R6≒0を確認する。 Drill holes for implant placement. The direction of drilling is Ex degrees with the X axis as the rotation axis and Ey degrees with the Y axis as the rotation axis. ) degrees and horizontally moved by (Ex−B)×h in the Y-axis direction. Next, the Y-axis is rotated by Ey degrees around the rotation axis, and horizontally moved by Ey×h in the X-axis direction. This state is referred to as C6 system. In the C6 system, using the grid, calculate the position R6 and the orientation (θ 6 , φ 6 ) of the magnet and confirm that R6≈0.

ハンドピースの向きと位置を確認した後、ドリルを回転させながら、ハンドピースを距離Dだけ移動させて、C7系とする。C7系で、グリッドを使って磁石の位置R7と方位(θ、φ)を計算し、R7-R6≒Dを確認する。
確認後、ハンドピースを進入パスの逆ルートで初期位置まで戻す。以上の要領でハンドピースを誘導することができる。
After confirming the orientation and position of the handpiece, the drill is rotated and the handpiece is moved by a distance D to form the C7 system. In the C7 system, use the grid to calculate the position R7 and orientation (θ 6 , φ 6 ) of the magnet and confirm R7−R6≈D.
After confirmation, return the handpiece to the initial position in the reverse route of the approach path. The handpiece can be guided in the manner described above.

第6の課題は、固定用ホルダーで患者の顎顔面部を固定しておくが、それでも患者がハンドピース誘導中に、動いた場合の対策については、常時位置方位を計測しておき、ハンドピースの移動量から計算できる変化量と1mm以上異なる場合、移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開して、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保する。 The sixth problem is to fix the patient's maxillofacial area with a fixing holder, but to prevent the patient from moving while the handpiece is being guided, the position and orientation of the patient should be measured at all times. If there is a difference of 1 mm or more from the amount of change that can be calculated from the amount of movement in , the movement is temporarily stopped, the state is set as the C1 system, and the above guidance operation is resumed, and the position accuracy is 0.1 mm or less and the azimuth accuracy is 1 degree or less. Secure.

または、CCDカメラでCCDカメラ系Caと口腔内の歯列系Cbの角度を初期設定しておき、患者の顎顔面部が移動して歯列系CbがCa系に対して、位置移動量が1mm以上の変化が確認きた場合は移動を一時停止し、その状態をC1系として上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保する。 Alternatively, the angle between the CCD camera system Ca and the intraoral dentition system Cb is initially set by the CCD camera, and the patient's maxillofacial region moves to move the dentition system Cb relative to the Ca system. When a change of 1 mm or more is confirmed, the movement is temporarily stopped, and the guidance operation is restarted as the C1 system in that state to ensure the position accuracy of 0.1 mm or less and the azimuth accuracy of 1 degree or less.

本発明により、デンタル治療に於ける口腔内でのハンドピースの精密な位置と方位が測定できて、しかもハンドピースを正確に誘導することが可能となり、インプラント治療のロボット化を実現することができるようになると期待される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to measure the precise position and orientation of a handpiece in the oral cavity in dental treatment, and to accurately guide the handpiece, thereby realizing robotization of implant treatment. It is expected that

GSR素子の平面図である。2 is a plan view of a GSR element; FIG. GSRセンサ用の電子回路図である。Fig. 3 is an electronic circuit diagram for a GSR sensor; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(一体式タイプ)の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a magnetic field vector sensor (integrated type) using a GSR sensor; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(一体式タイプ)のA1-A2線の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic field vector sensor (integrated type) using a GSR sensor taken along line A1-A2; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(組み立て式タイプ)の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a magnetic field vector sensor (assembled type) using a GSR sensor; GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサ(組み立て式タイプ)のB1-B2線の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic field vector sensor (assembled type) using a GSR sensor taken along line B1-B2; ハンドピースの先端に設置した円筒型グリッドセンサの斜視図である。Fig. 10 is a perspective view of a cylindrical grid sensor installed at the tip of the handpiece; ハンドピースの先端部に設置したグリッド板型配グリッドセンサの斜視図である。Fig. 10 is a perspective view of a grid plate type distribution grid sensor installed at the distal end of the handpiece; 計算プログラムのフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of a calculation program. (a)は位置精度に及ぼす磁石の磁気モーメントの影響を示し、(b)は方位精度に及ぼす磁気モーメントの影響を示す図である。(a) shows the influence of the magnetic moment of the magnet on the positional accuracy, and (b) shows the influence of the magnetic moment on the azimuth accuracy. 誘導プログラムのフローチャートを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a flow chart of a guidance program; ハンドピースの誘導システムの概念図である。1 is a conceptual diagram of a guidance system for a handpiece; FIG. 誘導システムにおける初期状態の座標C1系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate C1 system of the initial state in a guidance system. 誘導システムにおける移動開始状態の座標C3系を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a coordinate system C3 in the guidance system in a movement start state; 誘導システムにおける治療位置(B4)状態の座標C4系を示す図である。FIG. 11 shows the coordinate C4 system of the treatment position (B4) state in the guidance system;

本発明の第1実施形態は、以下の通りである。
歯に磁石体を貼り付けて、ハンドピースの位置・方位検出装置は、磁石体1個を口腔内の特定の歯に磁石体マーカの長さ方向を垂直方向(Z軸)にし、磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置して、前記磁石体の中心を原点Omにして、磁化ベクトルの向きをX軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする座標系Cmとし、口腔内の治療位置の中心点をB点(以下、治療位置Bという。)として、、磁石体マーカの中心からの位置関係をOmBと定めておき、
前記ハンドピースは、本体に3軸加速度センサと、磁界ベクトルセンサからなる磁界ベクトルセンサグリッドを有し、
前記3軸加速度センサは、前記ハンドピースの本体に設置し、水平面に対する前記ハンドピースの傾斜角ηを計測し、その測定値を前記データ処理装置に転送する機能を有し、
A first embodiment of the present invention is as follows.
A magnet is attached to a tooth, and the position/direction detection device of the handpiece attaches one magnet to a specific tooth in the oral cavity so that the length direction of the magnet marker is perpendicular (Z-axis), and the magnetization vector is A coordinate system installed in the horizontal direction (X-axis), with the center of the magnet as the origin Om, the direction of the magnetization vector as the X-axis, the thickness direction of the magnet as the Y-axis, and the longitudinal direction as the Z-axis. Cm, the center point of the treatment position in the oral cavity is defined as point B (hereinafter referred to as treatment position B), and the positional relationship from the center of the magnetic marker is defined as OmB,
The handpiece has a magnetic field vector sensor grid consisting of a three-axis acceleration sensor and a magnetic field vector sensor in its main body,
The three-axis acceleration sensor is installed in the body of the handpiece, has a function of measuring an inclination angle η of the handpiece with respect to a horizontal plane, and transfers the measured value to the data processing device,

前記磁界ベクトルセンサグリッドは、前記ハンドピースの患者の口腔側の先端近くに設置され、前記磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点Ohにし、前記ハンドピースの軸をY軸、前記磁界ベクトルセンサグリッドのグリッド板の横方向をX軸とし、グリッド板の縦方向をZ軸とする座標系C系とし、前記磁石体が発する磁界を測定し、測定データを前記センサデータ処理装置に転送する機能を有し、
さらにハンドピースのドリルの先端位置をA点(以下、先端位置Aという。)として、として、座標系Cとし、グリッドの中心からの位置関係をOhAと定めておき、
センサデータ処理装置は、前記3軸加速度センサおよび前記磁界ベクトルセンサグリッドより検出された測定値およびOmBとOhAの固定値とを一体的に処理して、腔内の治療位置とハンドピース先端部の位置・方位関係を算出する機能を有し、およびそれらの値を術者に知らせる表示装置とからなり、
The magnetic field vector sensor grid is installed near the tip of the handpiece on the patient's oral cavity side, the center of the magnetic field vector sensor grid is the origin Oh, the axis of the handpiece is the Y axis, and the grid of the magnetic field vector sensor grid is It has a coordinate system C with the horizontal direction of the plate as the X axis and the vertical direction of the grid plate as the Z axis, and has a function of measuring the magnetic field emitted by the magnet and transferring the measured data to the sensor data processing device. ,
Furthermore , the tip position of the drill of the handpiece is defined as point A (hereinafter referred to as tip position A), the coordinate system is set to C, and the positional relationship from the center of the grid is defined as OhA,
The sensor data processing device integrally processes the measured values detected by the three-axis acceleration sensor and the magnetic field vector sensor grid and the fixed values of OmB and OhA to determine the treatment position in the cavity and the tip of the handpiece. It consists of a display device that has a function to calculate the position and orientation relationship and informs the operator of those values,

前記センサデータ処理装置は、前記磁界ベクトルセンサグリッドの測定値を使って、前記C系による前記磁石体マーカの位置X、Y、Zおよび方位θ、φを計算し、また加速度センサの測定値を使って、方位ηを計算して、C系とCm系の方位関係および原点間の距離を計算し、さらにCm系のデータOmBをC系に座標転換することによって、口腔内の治療位置とハンドピース先端部の位置・方位関係を計算し、術者に知らせることを特徴とするものである。 The sensor data processor calculates the positions X, Y, Z and the orientations θ, φ of the magnetic marker by the C system using the magnetic field vector sensor grid measurements, and also calculates the acceleration sensor measurements. to calculate the azimuth η, the azimuth relationship between the C system and the Cm system and the distance between the origins; It is characterized by calculating the position/orientation relationship of the tip of the piece and notifying the operator of it.

各構成要素を具体的に以下に説明する。
<磁石体>
磁石体としては、パルス型電磁石、交流型電磁石または永久磁石とし、サイズ幅は4mm以下、長さは10mm以下とし、磁石体マーカの磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとする。磁石体マーカは歯に設置できるほど小さいことが必要であるが、小さいと磁気モーメントが小さくなって発生する磁界が弱くなり、位置決め精度が低下することから上記のサイズとする。
Each component will be specifically described below.
<Magnet body>
The magnetic body is a pulse-type electromagnet, an AC-type electromagnet, or a permanent magnet, the size width is 4 mm or less, the length is 10 mm or less, and the magnetic moment of the magnetic body marker is 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm. do. The magnetic marker must be small enough to be placed on the tooth, but if it is small, the magnetic moment will be small, the generated magnetic field will be weak, and the positioning accuracy will be lowered.

パルス磁界型電磁石は、パルス周期は、50Hzから1kHz、パルス幅0.1秒から5m秒とした。励磁電流Iは、磁針素材を飽和することができる強さ、すなわち磁化力Hが保磁力Hcの5倍以上となるようにコイル巻き数を考慮した電流強度とする。 The pulse magnetic field type electromagnet has a pulse period of 50 Hz to 1 kHz and a pulse width of 0.1 seconds to 5 ms. The excitation current I has a strength that can saturate the magnetic needle material, that is, a current strength that takes into consideration the number of coil turns so that the magnetizing force H is five times or more the coercive force Hc.

交流式電磁石は、磁性体にコイルを巻き付けたもので、周波数は10Hzから10kHzとする。励磁電流Iは、磁針素材を直線的に磁化できる磁化力の範囲、およそ保磁力Hcの0.5倍以下として、磁化力HがH<0.5Hcとなるように、コイル巻き数を考慮した電流強度とする。 The AC electromagnet is a coil wound around a magnetic body, and has a frequency of 10 Hz to 10 kHz. The excitation current I is set to a range of magnetizing force that can linearly magnetize the magnetic needle material, approximately 0.5 times or less than the coercive force Hc, and the number of coil turns is taken into account so that the magnetizing force H is H<0.5Hc. be the current intensity.

永久磁石を使用する場合には、周辺磁界の影響を受けやすいので、可能な限り大きな磁気モーメント、例えば、20×10-9~100×10-9Wbm程度を有する磁石体マーカを使用する。そのために、BHmax30MGOeから55MGOeの性能を有する希土類磁石を防錆処理して用いる。本発明は特定の磁石材質に限定されるものではないが、できるだけ磁力が大きい磁石を使用することが好ましい。 When a permanent magnet is used, it is easily affected by a surrounding magnetic field, so a magnet body marker having as large a magnetic moment as possible, for example, about 20×10 −9 to 100×10 −9 Wbm is used. For this purpose, a rare earth magnet having a BHmax of 30MGOe to 55MGOe is used after being subjected to antirust treatment. Although the present invention is not limited to a specific magnet material, it is preferable to use magnets with as large a magnetic force as possible.

<磁界ベクトルセンサ>
GSRセンサは、1MHzから5MHzのパルス周期で磁界を繰り返し高速で測定し、それを平均化して、200Hzから1KHzの測定速度で出力する。
GSRセンサを使った磁界ベクトルセンサとしては、3次元GSR素子をASIC表面と直接形成した一体式タイプ(図3、4)と、On-ASICタイプのGSRセンサ(サイズは、長さ2mm、幅1mm)の4個を、四角錐台の稜線部の4つの斜面に、4回対称かつ鏡面対称に貼り付けた組み立て式タイプ(図5、6)を用いる。
<Magnetic field vector sensor>
The GSR sensor repeatedly and rapidly measures the magnetic field with a pulse period of 1 MHz to 5 MHz, averages it, and outputs it at a measurement rate of 200 Hz to 1 KHz.
Magnetic field vector sensors using GSR sensors include an integrated type (Figs. 3 and 4) in which a 3D GSR element is directly formed on the ASIC surface, and an On-ASIC type GSR sensor (size: 2 mm long, 1 mm wide). ) are attached to the four slopes of the ridge of the truncated square pyramid in four-fold symmetry and mirror symmetry (FIGS. 5 and 6).

一体式タイプは、1kHzの測定速度で50nT以下の検出力を有し、サイズは幅1.2mm×長さ1.2mm×高さ1mmから幅2mm×長さ2mm×高さ2mm程度のものである。
組み立て式タイプは、1KHzの測定速度は5nT以下で、サイズは幅5mm×長さ5mm×高さ2mm以下の超小型で磁界検出力の優れた組み立て式の磁界ベクトルセンサである。
本発明は、小型で高性能の磁界ベクトルセンサを使用するものであって、上記二つのタイプの使用に限定されるものではない。
The integrated type has a detection power of 50 nT or less at a measurement speed of 1 kHz, and the size ranges from 1.2 mm wide x 1.2 mm long x 1 mm high to about 2 mm wide x 2 mm long x 2 mm high. be.
The assembly-type type sensor has a measurement speed of 5 nT or less at 1 kHz, and is an assembly-type magnetic field vector sensor that is ultra-compact with a size of width 5 mm×length 5 mm×height 2 mm or less and excellent in magnetic field detection capability.
The present invention uses small, high performance magnetic field vector sensors and is not limited to the above two types of use.

磁界ベクトルセンサは、磁石体から発する磁界と周辺磁界と同時に測定するので、その測定値から周辺磁界の影響を排除して磁石体から発する磁界だけを検知して用いる。
パルス磁界型電磁石と交流式電磁石の場合、検出した磁界の変動幅を磁石体マーカから発する磁界とした。永久磁石の場合、あらかじめ周辺磁界を測定しておき、測定値からその値を差し引いて補正する。
Since the magnetic field vector sensor simultaneously measures the magnetic field emitted from the magnet body and the surrounding magnetic field, the influence of the surrounding magnetic field is eliminated from the measured value and only the magnetic field emitted from the magnet body is detected and used.
In the case of the pulse magnetic field type electromagnet and the AC type electromagnet, the variation width of the detected magnetic field was taken as the magnetic field emitted from the magnet body marker. In the case of permanent magnets, the peripheral magnetic field is measured in advance and corrected by subtracting the value from the measured value.

<磁界ベクトルセンサグリッド>
磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースを口腔内に挿入するために空間的制約および形状の制約を強く受ける。
磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースの先端部に磁界ベクトルセンサを幾何学的に取り付けたもので、磁界ベクトルセンサがセンサグリッド体に3~25mmの磁界ベクトルセンサ間隔にて5個以上配置され、センサグリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸の向きをY軸、センサグリッドの横方向(水平方向)をX軸とし、センサグリッド板の縦方向(垂直方向)をZ軸とする座標系をC系としている。
<Magnetic field vector sensor grid>
Magnetic field vector sensor grids are highly spatially and geometrically constrained due to the intraoral insertion of the handpiece.
The magnetic field vector sensor grid has magnetic field vector sensors geometrically attached to the tip of the handpiece, and five or more magnetic field vector sensors are arranged on the sensor grid body at magnetic field vector sensor intervals of 3 to 25 mm. The center of the grid is the origin, the direction of the handpiece axis is the Y axis, the lateral direction (horizontal direction) of the sensor grid is the X axis, and the vertical direction (vertical direction) of the sensor grid plate is the Z axis. and

第1実施形態は、ハンドピースの先端の円筒部に図7に示す9個の磁界ベクトルセンサを幾何学的に配置し、それをグリッド体とする。
磁界ベクトルセンサグリッドは、各磁界ベクトルセンサとマルチプレクサMUXと連結し、次の全データが最終MUXと連結し、外部の信号処理回路に転送される。電源配線は、図示していないが、電源配線VDDとグランド配線GNDとが各磁界ベクトルセンサに連結して、センサグリッド稼働時にはすべての磁界ベクトルセンサに電源が供給できるようにしている。グリッド電子回路基板は、ハンドピース本体に設置することが好ましい。
センサグリッドの組み立て精度については、極力小さくすることが求められており、10μm以下の誤差が好ましい。
In the first embodiment, the nine magnetic field vector sensors shown in FIG. 7 are geometrically arranged on the cylindrical portion at the tip of the handpiece, and this is used as a grid body.
The magnetic field vector sensor grid connects each magnetic field vector sensor with a multiplexer MUX and all subsequent data is connected with the final MUX and forwarded to external signal processing circuitry. Although not shown, power supply wiring VDD and ground wiring GND are connected to each magnetic field vector sensor so that power can be supplied to all magnetic field vector sensors when the sensor grid is in operation. The grid electronic circuit board is preferably mounted on the handpiece body.
The assembly accuracy of the sensor grid is required to be as small as possible, and an error of 10 μm or less is preferable.

<磁界ベクトルセンサグリッドによる計測>
磁界ベクトルセンサグリッドによる磁石体マーカの計測については、グリッドの中心を原点にし、ハンドピース軸をY軸、グリッド板の水平方向をX軸とし、グリッド板の縦方向をZ軸とする座標系をC系とし、ハンドピースに加速度センサを設置して、Y軸は水平に保ち、グリッドセンサ面であるXZ面を垂直面に保つことにする。
ハンドピースの初期位置は、ハンドピースのC系のXZ面と磁石のCm系のXZ面が対向するように向けることにして、Y軸に沿ってハンドピースを口腔内に近づけて、ハンドピースの先端を口腔内の指定された治療位置に誘導していくことにする。この過程でハンドピースの先端と磁石の位置・方位関係を磁界ベクトルセンサグリッドにより計測し、そのデータをセンサグリッドデータ処理回路に転送し、そこで、磁界ベクトルセンサグリッドにより計測した測定データを高速で処理する。
<Measurement by magnetic field vector sensor grid>
For the measurement of the magnetic marker by the magnetic field vector sensor grid, a coordinate system with the center of the grid as the origin, the handpiece axis as the Y axis, the horizontal direction of the grid plate as the X axis, and the vertical direction of the grid plate as the Z axis. A C system is used, an acceleration sensor is installed on the handpiece, the Y axis is kept horizontal, and the XZ plane, which is the grid sensor plane, is kept vertical.
The initial position of the handpiece is such that the XZ plane of the C system of the handpiece and the XZ plane of the Cm system of the magnet face each other. The tip will be guided to the designated treatment position in the oral cavity. In this process, the position and orientation relationship between the tip of the handpiece and the magnet is measured by the magnetic field vector sensor grid, and the data is transferred to the sensor grid data processing circuit, where the measurement data measured by the magnetic field vector sensor grid is processed at high speed. do.

<データ処理装置における計算>
データ処理装置では、グリッドによる磁石体マーカの測定値を使って、磁石体マーカの位置と方位を算出する。C座標系の原点から磁石体の位置(X、Y、Z)と方位Θ、Φをガウスニュートン法により計算する。
<Calculation in data processor>
The data processor calculates the position and orientation of the magnetic marker using the grid-based measurement of the magnetic marker. The position (X, Y, Z) and orientations Θ and Φ of the magnet are calculated from the origin of the C coordinate system by the Gauss-Newton method.

その計算方法は、図9に示す通りで、C座標系における前記磁石体( )の位置を(X、Y、Z)とし、磁化ベクトルの向きをX軸に対する回転角をΘとし、Z軸に対する回転角をΦとして、磁石体の位置と方位(X、Y、Z、ΘおよびΦ)を、ガウスニュートン法に従って、

(1)C座標系に固定された磁界センサグリッドの各磁界ベクトルセンサの位置(i,j)における磁界ベクトルH(→)ijを計測し(ステップ101)、
(2)その絶対値がS/N比で500倍以上あることを確認(ステップ102)し、
(3)磁石体( )が、C座標系に対して、位置(x、y、z)および方位(θ、φ)にあるとして、前記磁界センサグリッドの位置(i,j)がつくる磁界ベクトル
H(→)ijの理論値を計算し(ステップ103)、
(4)測定誤差を、eijH(→)ijH(→)ijにより計算し(ステップ104)、
(5)誤差の平方和を、Eij=Σeij により計算し(ステップ105)、
(6)誤差平方和を最小とするx、y、z、θ、φを算出して(ステップ106)
(7)磁石体の位置X、Y、Zおよび方位Θ、Φを求め(ステップ107)、
位置精度0.5mm以下、方位精度1度以下、測定サンプリング速度は1~50H
zで位置・方位を測定し、データを1Hzから50Hzの速度で計算する方法であ
る。この方法により、センサグリッドでCh系における磁石体の位置と方位を、位置
精度0.1mm以下、方位精度1度以下で測定することができる。
The calculation method is as shown in FIG. 9. Let (X, Y, Z) be the position of the magnet ( ) in the C coordinate system, let The position and orientation (X, Y, Z, Θ and Φ) of the magnet body, with the rotation angle Φ, according to the Gauss-Newton method,

(1) Measure the magnetic field vector m H (→) ij at the position (i, j) of each magnetic field vector sensor of the magnetic field sensor grid fixed to the C coordinate system (step 101),
(2) Confirm that the absolute value is 500 times or more in S/N ratio (step 102),
(3) Assuming that the magnet ( ) is at a position (x, y, z) and an orientation (θ, φ) with respect to the C coordinate system, the magnetic field vector created by the position (i, j) of the magnetic field sensor grid
Calculate the theoretical value of t H(→) ij (step 103);
(4) calculating the measurement error by e ij = t H(→) ij −m H(→) ij (step 104);
(5) calculating the sum of squares of the errors by E ij =Σe ij 2 (step 105);
(6) Calculate x, y, z, θ, and φ that minimize the error sum of squares (step 106)
(7) Find the positions X, Y, Z of the magnet and the orientations Θ, Φ (step 107),
Positional accuracy of 0.5mm or less, azimuth accuracy of 1 degree or less, measurement sampling rate of 1 to 50H
In this method, the position and orientation are measured at z, and the data are calculated at a rate of 1 Hz to 50 Hz. By this method, the position and orientation of the magnet in the Ch system can be measured with a sensor grid with a position accuracy of 0.1 mm or less and an orientation accuracy of 1 degree or less.

本発明の第2実施形態は、第1実施形態を利用して、ハンドピースの先端位置A治療位置Bに誘導するための方法で、図11により説明する。
まず、3次元のX線CT画像マップから、口腔内の磁石体マーカの位置を特定し、磁石体マーカの中心点Omと磁化の向きをX軸、磁石体の縦方向をZ軸とするCm系を想定して、治療位置Bの位置と方位を指定する。
次に、センサグリッドでC系における磁石体の位置と方位を測定し、その磁石体の向きθ、φの測定値を使って、C系をC系のZ軸を回転軸に-θ回転で、両系のXY面の角度ずれを、C系のY軸を回転軸に-φ回転でZX面の角度ずれを、それぞれ修正し、両系の方位を一致させることができる。
回転後のC系における、Cm系における治療位置Bの座標点をC系のそれに変換することによって、C系におけるベクトルABを求めることができる。このベクトルABによって、ハンドピースの先端位置A治療位置Bとの相対的な位置方位関係が指定できる。
A second embodiment of the present invention is a method for guiding the tip position A of the handpiece to the treatment position B using the first embodiment, and will be described with reference to FIG.
First, from a three-dimensional X-ray CT image map, the position of the magnetic body marker in the oral cavity is specified, and Cm with the center point Om of the magnetic body marker and the direction of magnetization as the X axis and the vertical direction of the magnet body as the Z axis. Assuming a system, specify the location and orientation of treatment location B.
Next, the sensor grid measures the position and orientation of the magnet in the C system, and using the measured values of the orientation θ and φ of the magnet, the C system is rotated by −θ with the Z axis of the C system as the rotation axis. , the angle deviation of the XY plane of both systems can be corrected, and the angle deviation of the ZX plane can be corrected by -φ rotation of the C system about the Y axis as the rotation axis, so that the orientations of both systems can be matched.
A vector AB in the C system can be obtained by transforming the coordinate point of the treatment position B in the Cm system in the C system after rotation to that in the C system. This vector AB can specify the relative position-orientation relationship between the tip position A and the treatment position B of the handpiece.

<誘導システム>
この方法を使ったハンドピースを、自動制御装置のロボットハンドで把持して歯の治療を行なう誘導システムは、図12に示す手順で行うものである。
(1)あらかじめ、ハンドピースC系におけるハンドピースの先端位置Aの座標位置と、口腔内の磁石系Cmにおける治療位置Bの座標位置、および穴あけ加工の向きY軸を回転軸にβ角回転、次にX軸を回転軸にγ角回転と穴の深さHを入力しておき、ハンドピースのY軸を水平に維持して、歯に設置した磁石の近くに保持し、その状態を誘導システムの初期位置として、この状態の座標系CをC1(図13)とし、センサグリッドによって前記磁石体から発する磁界を前記磁界ベクトルで測定し、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出する(ステップ201)。
<Guidance system>
A guidance system in which a handpiece using this method is gripped by a robot hand of an automatic control device to treat teeth is carried out according to the procedure shown in FIG.
(1) In advance, the coordinate position of the tip position A of the handpiece in the handpiece C system, the coordinate position of the treatment position B in the intraoral magnet system Cm, and the direction of drilling are rotated by β angle about the Y axis as the rotation axis, Next, input the γ angle rotation and the depth H of the hole with the X axis as the rotation axis, keep the Y axis of the handpiece horizontal, hold it near the magnet installed on the tooth, and induce that state. As the initial position of the system, the coordinate system C in this state is defined as C1 (FIG. 13), the magnetic field emitted from the magnet body is measured by the magnetic field vector by the sensor grid, and the position (x, y, z) and orientation of the magnet body (θ, φ) is calculated (step 201).

(2)ハンドピースの向きを、Z軸を軸に-θ回転させてこの状態の座標系CをC2系とし、治療位置BとY軸との角度αを計算する(ステップ202)。 (2) Rotate the direction of the handpiece by -θ about the Z axis, change the coordinate system C in this state to the C2 system, and calculate the angle α between the treatment position B and the Y axis (step 202).

(3)ハンドピースのZ軸を回転軸にα角回転させて、ハンドピースを治療位置Bの方向に向ける。その後穴あけ加工の方向にドリルを向けるために、Y軸を回転軸にβ角回転し、次にX軸を回転軸にγ角回転させ、この状態の座標系CをC3系(図14)とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出してハンドピースの先端位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算する(ステップ203)。
(3) Rotate the Z-axis of the handpiece at an angle α around the rotation axis to orient the handpiece in the treatment position B direction. After that, in order to orient the drill in the direction of drilling, the drill is rotated by β angle around the Y axis, and then rotated by γ angle around the X axis. ,
The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet are calculated to calculate the positional relationship AB between the tip position A of the handpiece and the predetermined treatment position B (step 203).

(4)ハンドピースの先端位置AをY軸にそって移動させて、所定の治療位置Bに誘導して静止し、この状態の座標系CをC4系(図14)とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算し、両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下となっており、両者が一致していることを確認する(ステップ204)。
(4) Move the tip position A of the handpiece along the Y-axis, guide it to a predetermined treatment position B, and stop it.
The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body were calculated, and the positional relationship AB between the tip position A of the handpiece and the predetermined treatment position B was calculated. The azimuth deviation is 1 mm or less and 1 degree or less, and it is confirmed that the two match (step 204).

(5)両者が一致していない場合には、各軸を微小移動させて、位置ずれを0.1mm以下となるように補正し、各軸を回転軸に微小回転させて、方位ずれが1度以下となるように補正し、この状態の座標系CをC5系とする(ステップ205)。 (5) If the two do not match, each axis is finely moved to correct the positional deviation so that it is 0.1 mm or less, and each axis is finely rotated about the rotation axis so that the azimuth deviation is 1. The coordinate system C in this state is changed to the C5 system (step 205).

(6)ハンドピースを指定された向きに指定された距離Hだけ移動させて治療を終えて、この状態の座標系CをC6系とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aが、指定された穴の方向に深さHの位置にあることを確認する(ステップ206)。
(6) Move the handpiece in the specified direction by the specified distance H to complete the treatment, and let the coordinate system C in this state be the C6 system,
Calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, and confirm that the tip position A of the handpiece is at the depth H in the direction of the specified hole (step 206).

(7)ハンドピースをC6系のZ軸に沿って、Hだけ戻し、次にY軸に沿って距離ABそのまま原点間距離ベクトル(-X、-Y、-Z)だけ移動させて、C4系のA点の位置に戻すことにより、インプラント穴あけ加工を自動制御で行うことができる(ステップ207)。 (7) Return the handpiece by H along the Z-axis of the C6 system, then move the distance AB along the Y-axis as it is by the distance vector between origins (-X, -Y, -Z), and By returning to the position of point A, the implant hole drilling can be performed under automatic control (step 207).

なお、ハンドピース誘導中は固定ホルダーで患者の顎顔面部は固定されているが、患者が動いた場合には次の対策を予め用意する。
常時、ハンドピースの位置方位を計測しておき、ハンドピースの移動量から計算できる変化量と1mm以上異なる場合にはハンドピースの移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。
Although the patient's maxillofacial region is fixed with a fixed holder while the handpiece is being guided, the following countermeasures should be prepared in advance if the patient moves.
Always measure the position and orientation of the handpiece, and if there is a difference of 1 mm or more from the amount of change that can be calculated from the amount of movement of the handpiece, temporarily stop the movement of the handpiece, and use that state as the C1 system, and perform the above guidance operation. shall be resumed, and a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 1 degree or less shall be secured.

または、CCDカメラでCCDカメラ系Caと口腔内の歯列系Cbの角度を初期設定しておき、患者の顎顔面部が移動して歯列系CbがCa系に対して、位置移動量が1mm以上の変化が確認できた場合、移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。 Alternatively, the angle between the CCD camera system Ca and the intraoral dentition system Cb is initially set by the CCD camera, and the patient's maxillofacial region moves to move the dentition system Cb relative to the Ca system. If a change of 1 mm or more can be confirmed, the movement shall be temporarily stopped, the state shall be regarded as C1 system, and the above guidance operation shall be resumed to ensure the position accuracy of 0.1 mm or less and the azimuth accuracy of 1 degree or less. .

<術者への誘導アシストシステム>
本発明の第3実施形態は、第2実施形態を利用して、自動制御装置に代えて、術者が手でハンドピースを把持し、その術者へアシストするシステムである。
(1)術者は表示画面により指定された入力値、A点とB点の位置、および穴あけ加工の向きと穴の深さHを記憶しておき、
ハンドピース先端を水平にして、歯に設置した磁石の近くに保持し、その状態で、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、誘導システムの初期位置として、その値を術者に伝えてアシストし、この状態の座標系CをC1とする(ステップ301)。
<Guidance assistance system to the operator>
The third embodiment of the present invention utilizes the second embodiment to provide a system in which the operator holds the handpiece by hand instead of the automatic control device and assists the operator.
(1) The operator memorizes the input values specified on the display screen, the positions of points A and B, the direction of drilling and the depth H of the hole,
Hold the tip of the handpiece horizontally and close to the magnet installed on the tooth. In this state, calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, and the initial position of the guidance system. , the value is conveyed to the operator to assist, and the coordinate system C in this state is set to C1 (step 301).

(2)ハンドピースの向きを、Z軸を軸に-θ回転させる際に回転中の回転角の変化を術者に伝えてアシストし、回転量がθに到達した時に静止し、この状態の座標系CをC2系とし、治療位置BとY軸との角度αを計算する(ステップ302)。 (2) When rotating the direction of the handpiece by -θ around the Z axis, the operator is assisted by conveying the change in rotation angle during rotation to the operator, and when the amount of rotation reaches θ, the handpiece stops and this state is restored. The coordinate system C is defined as the C2 system, and the angle α between the treatment position B and the Y axis is calculated (step 302).

(3)術者は、ハンドピースのZ軸を回転軸にα角回転させて、ハンドピースを治療位置Bの方向に向ける。その後穴あけ加工の方向にドリルをむけるために、Y軸を回転軸にβ角回転し、次にX軸を回転軸にγ角回転させ、この状態の座標系CをC3系とし、回転の際には、回転角度の変化を術者に伝えてアシストし、所定の回転量に到達した時に静止し、この状態の座標系CをC3系(図13)とし、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算する(ステップ303)。 (3) The operator rotates the handpiece through an α angle around the Z axis of the handpiece, and orients the handpiece in the treatment position B direction. After that, in order to orient the drill in the direction of drilling, the Y axis is rotated by an angle of β, and then the X axis is rotated by an angle of γ. , the operator is assisted by conveying the change in rotation angle to the operator, and stops when a predetermined amount of rotation is reached. , z) and the orientation (θ, φ) are calculated, and the positional relationship AB between the tip position A of the handpiece and the predetermined treatment position B is calculated (step 303).

(4)術者は、ハンドピースの先端位置AをY軸にそって、所定の治療位置Bに移動する。移動の際には、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係を計算し、移動量を術者に伝えてアシストし、B点に到達して静止し、この状態の座標系CをC4系とし、両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下となっていることを確認する(ステップ304)。 (4) The operator moves the tip position A of the handpiece to a predetermined treatment position B along the Y-axis. When moving, the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet are calculated, the positional relationship between the tip position A of the handpiece and the predetermined treatment position B is calculated, and the amount of movement is conveyed to the operator to assist, and the coordinate system C in this state is assumed to be the C4 system, and the positional deviation between the two is 0.1 mm or less and the azimuth deviation is 1 degree or less. is confirmed (step 304).

(5)両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下でない場合は、術者は、各軸を微小移動させて位置ずれを0.1mm以下となるように補正し、各軸を回転軸に微小回転させて方位ずれが1度以下となるように補正する。補正結果は術者に伝えられてアシストされ、この状態の座標系CをC5系とする(ステップ305)。 (5) If the positional deviation between the two is 0.1 mm or less and the azimuth deviation is not 1 degree or less, the operator finely moves each axis to correct the positional deviation to 0.1 mm or less. is slightly rotated about the rotation axis to correct the azimuth deviation to 1 degree or less. The correction result is communicated to the operator for assistance, and the coordinate system C in this state is changed to the C5 system (step 305).

(6)ハンドピースを指定された向きに指定された距離Hだけ移動させる際に、移動中の移動量を術者に伝え、指定された値Hに到達すると術者が加工を終えることができるようにアシストし、この状態の座標系CをC6系とする。
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピースの先端位置Aが穴の方向に深さHの位置にあることを確認する(ステップ306)。
(6) When the handpiece is moved in a specified direction by a specified distance H, the amount of movement during movement is communicated to the operator, and when the specified value H is reached, the operator can finish processing. , and let the coordinate system C in this state be the C6 system.
The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet are calculated, and it is confirmed that the tip position A of the handpiece is at the depth H in the direction of the hole (step 306).

(7)術者は、ハンドピースをC6系のZ軸に沿って、Hだけ戻し、次にY軸に沿って距離ABそのまま原点間距離ベクトル(-X、-Y、-Z)だけ移動させて、C4系のA点の位置に戻す動作において、動作中の移動距離を術者に伝えて(ステップ307)、
インプラント穴あけ加工をアシストすることを特徴とするハンドピース誘導アシストシステム。
(7) The operator returns the handpiece by H along the Z-axis of the C6 system, and then moves the distance AB along the Y-axis by the distance vector between origins (-X, -Y, -Z). In the operation to return to the position of point A of the C4 system, the operator is informed of the movement distance during the operation (step 307),
A handpiece guidance assist system characterized by assisting implant drilling.

本発明の第4実施形態は、第2実施形態において、
ハンドピースの先端の円筒部にグリッドを配置する方法に代えて、ハンドピースの先端部にグリッド板を配置し、そのグリッド板に12個のベクトルセンサを配置したグリッド(図7)を用いたもので、グリッドの形状以外は第2実施形態と同じである。
In the fourth embodiment of the present invention, in the second embodiment,
Instead of placing a grid on the cylindrical portion of the tip of the handpiece, a grid plate is placed on the tip of the handpiece, and a grid (Fig. 7) is used in which 12 vector sensors are placed on the grid plate. , and is the same as the second embodiment except for the shape of the grid.

[実施例1]
第1実施形態で用いた磁界ベクトルセンサグリッドをベースにし、磁石体としてパルス型電磁石、磁界ベクトルセンサとして3次元素子とASICよりなる一体式タイプを用いたものである。
[Example 1]
Based on the magnetic field vector sensor grid used in the first embodiment, a pulse-type electromagnet is used as the magnet body, and an integrated type consisting of a three-dimensional element and an ASIC is used as the magnetic field vector sensor.

磁石体は、パルス型電磁石よりなり、サイズ幅は4mm、長さは5mm、厚み1mmにて、磁石体の磁気モーメントは40×10-9Wbmとし、パルス周期は500Hz、パルス幅は5m秒とした。磁針の磁性材料は透磁率30,000、保磁力80A/mよりなるパーマロイを使用した。コイル巻き数は400回にて1mm当たり100回で、励磁電流は0.5A、磁化力Hは200A/mとし、磁針を飽和させた。 The magnet body is a pulse-type electromagnet with a size width of 4 mm, a length of 5 mm, and a thickness of 1 mm. did. Permalloy having a magnetic permeability of 30,000 and a coercive force of 80 A/m was used as the magnetic material of the magnetic needle. The number of turns of the coil was 400 times, 100 times per 1 mm, the exciting current was 0.5 A, the magnetizing force H was 200 A/m, and the magnetic needle was saturated.

なお、周辺磁界ノイズ対策として、磁界ベクトルセンサは、周辺磁界を中心に磁石体の発する磁界の強さHに相当する振動する磁界を検知する。振動した振動幅の平均の半分が磁石体から発する磁界ベクトルとなる。しかも周辺の磁界の環境の変動、特にハンドピースの移動による磁界Hの変動の影響を受けないことを確認した。 As a countermeasure against peripheral magnetic field noise, the magnetic field vector sensor detects an oscillating magnetic field corresponding to the strength Hm of the magnetic field generated by the magnet around the peripheral magnetic field. A magnetic field vector generated from the magnet body is half of the average amplitude of the vibration. Moreover, it was confirmed that there is no influence of environmental fluctuations of the surrounding magnetic field, especially fluctuations of the magnetic field H0 caused by movement of the handpiece.

磁界ベクトルセンサは、ハンドピースの最先端部の円筒の上に貼り付けるので、小型サイズであることを優先して、一体的なタイプを採用した。その性能は1kHzの測定速度で50nTの検出力を有し、サイズは1.2mm×1.2mm×高さ1mmである。 Since the magnetic field vector sensor is attached on the cylinder at the tip of the handpiece, we adopted an integrated type, giving priority to its small size. Its performance has a power of 50 nT at a measurement rate of 1 kHz and a size of 1.2 mm x 1.2 mm x 1 mm height.

磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースの先端の円筒部に図7に示すように9個のセンサを円筒状に配置したもので、直径10mmの円筒の両端に3列に6個、最先端部に3個張り付けた。
グリッドの中心は、6個のセンサを配置した平面の中心を原点にし、ハンドピース軸をY軸、グリッド板の水平方向をX軸とし、グリッド板の縦方向をZ軸とする座標系をC系とした。
As shown in Fig. 7, the magnetic field vector sensor grid has 9 sensors arranged in a cylindrical shape on the cylindrical part of the tip of the handpiece. I attached three.
The center of the grid is the center of the plane on which the six sensors are arranged. system.

磁石体の位置・方位を算出するプログラムは、第1実施形態で図9に示す方法を用いた。その結果、磁石体の位置と方位を、ハンドピース系の原点から磁石体の距離が5mmから50mmの距離の範囲で、20Hzの測定速さで、位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で求めることができた。 The method shown in FIG. 9 was used in the first embodiment as a program for calculating the position and orientation of the magnet. As a result, the position and orientation of the magnet body were measured within a distance of 5 mm to 50 mm from the origin of the handpiece system, at a measurement speed of 20 Hz, the position accuracy was 0.1 mm or less, and the azimuth accuracy was It could be obtained at 0.7 degrees or less.

[実施例2]
第1実施例の磁石体の位置・方位検出装置を用いて、ハンドピースの先端部を口腔内の治療位置に誘導するシステムである。
ハンドピースの初期位置は、ハンドピースに加速度センサを設置して、Y軸は水平に保ち、グリッドセンサ面であるXZ面を垂直面に保つことにした。ハンドピースのC系のXZ面と磁石のCm系のXZ面が対向するように向けて、Y軸に沿ってハンドピースを口腔内に近づけて、可能な限り近い位置で、ハンドピースの初期位置を決定した。
[Example 2]
This is a system for guiding the distal end of a handpiece to a treatment position in the oral cavity using the magnet position/orientation detection device of the first embodiment.
As for the initial position of the handpiece, the acceleration sensor is installed on the handpiece, the Y axis is kept horizontal, and the XZ plane, which is the grid sensor plane, is kept vertical. With the C-based XZ plane of the handpiece and the Cm-based XZ plane of the magnet facing each other, the handpiece is brought closer to the oral cavity along the Y-axis, and the initial position of the handpiece is set as close as possible. It was determined.

センサグリッドで磁石体が発する磁界を検出し、そのデータをセンサグリッドデータ処理回路に転送した。センサグリッドデータ処理回路は、磁界センサグリッドにより計測した測定データを高速で処理するもので、データ処理装置は、C座標系の原点から磁石体マーカの位置(X、Y,Z)と方位Θ、Φをガウスニュートン法によりC系における磁石体の位置と方位を計算した。ここで、θは両系のXY面の角度ずれでZ軸回転により一致させることができる。φはZX面の角度ずれでY軸回転により一致させることができる。
その値を使って、ハンドピースの先端を口腔内の指定された治療箇所に誘導していくことにした。
The sensor grid detected the magnetic field generated by the magnet and transferred the data to the sensor grid data processing circuit. The sensor grid data processing circuit processes measurement data measured by the magnetic field sensor grid at high speed. Φ was calculated by the Gauss-Newton method for the position and orientation of the magnet body in the C system. Here, .theta. is the angular deviation of the XY planes of both systems, which can be matched by Z-axis rotation. φ is an angular deviation of the ZX plane and can be matched by Y-axis rotation.
Using that value, we decided to guide the tip of the handpiece to the designated treatment site in the oral cavity.

図12に示すフローチャートでハンドピースを誘導した結果、ハンドピースの先端を、位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で、誘導することができた。 As a result of guiding the handpiece according to the flow chart shown in FIG. 12, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

[実施例3]
実施例2において、磁石体に交流型電磁石を用いたものである。
磁石体は交流型電磁石で、サイズ幅は4mm、長さは5mm、厚みは1mmとし、磁石体マーカの磁気モーメントは40×10-9Wbmとし、交流周期は500Hzとした。磁針の磁性材料は透磁率30,000、保磁力80A/mよりなるパーマロイを使用し、コイル巻き数は400回にて1mm当たり100回で、励磁電流は0.1A、磁化力Hは40A/mとし、パーマロイのBH曲線における直線域を活用した。
[Example 3]
In Example 2, an AC electromagnet is used as the magnet.
The magnet was an AC electromagnet with a width of 4 mm, a length of 5 mm, and a thickness of 1 mm. Permalloy with magnetic permeability of 30,000 and coercive force of 80 A/m is used as the magnetic material of the magnetic needle. m, and the linear region of the permalloy BH curve was utilized.

なお、周辺磁界ノイズ対策として、磁界ベクトルセンサは、周辺磁界を中心に磁石体マーカの発する磁界の強さHに相当する振動する磁界を検知する。振動した振動幅の平均の半分が磁石体マーカから発する磁界ベクトルとなる。しかも周辺の磁界の環境の変動、特にハンドピースに移動による磁界Hの変動の影響を受けないことを確認した。 As a countermeasure against peripheral magnetic field noise, the magnetic field vector sensor detects an oscillating magnetic field corresponding to the magnetic field strength H m generated by the magnetic marker around the peripheral magnetic field. A half of the average of the vibrating amplitude becomes the magnetic field vector emitted from the magnetic marker. Moreover, it has been confirmed that there is no influence of environmental changes in the surrounding magnetic field, especially changes in the magnetic field H0 due to movement of the handpiece.

磁石体の位置・方位を算出するプログラムは、第1実施形態で用いた図9に示す方法と同じにした。この結果、磁石体の位置と方位は、ハンドピース系の原点から磁石体の距離が5mmから50mmの距離の範囲にて20Hzの測定速さでもって、位置の精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で求めることができた。
図12に示すフローチャートでハンドピースを誘導した結果、ハンドピースの先端は、位置の精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で、誘導することができた。
The program for calculating the position and orientation of the magnet was the same as the method shown in FIG. 9 used in the first embodiment. As a result, the position and orientation of the magnet were measured at a speed of 20 Hz within a distance of 5 mm to 50 mm from the origin of the handpiece system. Accuracy could be obtained at 0.7 degrees or less.
As a result of guiding the handpiece according to the flow chart shown in FIG. 12, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

[実施例4]
実施例2において、パルス型電磁石を永久磁石にしたものである
永久磁石として、NdFeB磁石を用いた。周辺磁界ノイズ対策としては、ハンドピースの初期位置と治療位置の両方の位置における周辺磁界を測定した。次に患者を手術の際の所定の位置に固定して、ハンドピースのグリッドセンサを使って、患者の歯に設置した磁石からの磁界を測定した。両者の差分を磁石からの磁界の測定値としてその測定値を使って、初期位置および治療位置での位置からハンドピースの位置を求めることにした。この時、非磁性素材を使ったハンドピースを用いることが好ましい
その結果、ハンドピースの先端を位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で誘導することができた。
[Example 4]
In Example 2, an NdFeB magnet was used as a permanent magnet that is a permanent magnet made from a pulse-type electromagnet. As a countermeasure against peripheral magnetic field noise, the peripheral magnetic field was measured at both the initial position of the handpiece and the treatment position. The patient was then fixed in place during surgery and the handpiece's grid sensor was used to measure the magnetic field from magnets placed on the patient's teeth. Using the difference between the two as a measurement of the magnetic field from the magnet, we decided to determine the position of the handpiece from the position at the initial position and the treatment position. At this time, it is preferable to use a handpiece using a non-magnetic material.
As a result, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

[実施例5]
実施例2において、磁界ベクトルセンサとして、組み立て式を使用し、ハンドピースの先端部にグリッド板を配置し、そこに12個の磁界ベクトルセンサを配置したグリッドを用いたものである。
[Example 5]
In Example 2, as the magnetic field vector sensor, a prefabricated type is used, and a grid is used in which a grid plate is arranged at the tip of the handpiece and 12 magnetic field vector sensors are arranged there.

磁界ベクトルセンサの組立式タイプは、1KHzの測定速度で5nT以下の検出力を有し、サイズは幅5mm×長さ5mm×高さ2mmの超小型で磁界検出力の優れた磁界ベクトルセンサである。グリッド板に取り付ける方式は、先端の円筒部に設置する場合に比べて磁石体との距離が大きくなる。そこで、より高い検出力を有する磁界ベクトルセンサを使用することにした。 The assembly type magnetic field vector sensor has a detection power of 5 nT or less at a measurement speed of 1 kHz, and is an ultra-compact magnetic field vector sensor with a size of 5 mm (width) x 5 mm (length) x 2 mm (height) and excellent in magnetic field detection power. . In the method of attaching to the grid plate, the distance from the magnet becomes larger than in the case of installing in the cylindrical portion at the tip. Therefore, we decided to use a magnetic field vector sensor with higher detection power.

磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースに取り付けた透明なセンサグリッド板、サイズは横幅60mm、縦幅45mmに、磁界ベクトルセンサを平面上に15mmの磁界センサ間隔に12個のセンサをグリッド上に配置し、かつハンドピース軸上に1個のセンサを設置した(図7)。センサグリッド基板は、列ごとにマルチプレクサMUXと連結し、次に全データが最終MUXと連結し、外部の信号処理回路に転送される。電源配線系統はセンサグリッド稼働には、すべてのセンサに電源供給するようにしている。センサグリッドの組み立て精度については、10μm以下で組み立てた。 The magnetic field vector sensor grid is a transparent sensor grid plate attached to the handpiece, with a width of 60 mm and a length of 45 mm. , and placed one sensor on the handpiece shaft (Fig. 7). The sensor grid substrate is connected with multiplexer MUX column by column, then all data is connected with the final MUX and transferred to the external signal processing circuit. The power wiring system provides power to all sensors for sensor grid operation. The assembly accuracy of the sensor grid was set to 10 μm or less.

磁石体の位置・方位を算出するプログラムは、第1実施形態で用いた図9に示す方法と同じとした。この結果、磁石体マーカの位置と方位は、ハンドピース系の原点から磁石体の距離が5mmから50mmの距離の範囲において20Hzの測定速さで、位置精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で求めることができた。
図12に示すフローチャートでハンドピースを誘導した結果、ハンドピースの先端は、位置の精度は0.1mm以下、方位の精度は0.7度以下で、誘導することができた。
The program for calculating the position and orientation of the magnet was the same as the method shown in FIG. 9 used in the first embodiment. As a result, the position and orientation of the magnet marker were measured at a measurement speed of 20 Hz within a distance range of 5 mm to 50 mm from the origin of the handpiece system, the position accuracy was 0.1 mm or less, and the orientation accuracy was It could be obtained at 0.7 degrees or less.
As a result of guiding the handpiece according to the flow chart shown in FIG. 12, the tip of the handpiece could be guided with a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 0.7 degrees or less.

なお、ハンドピース誘導中は固定ホルダーで患者の顎顔面部は固定されているが、患者が動く場合があるので、次の対策を予め用意する。
常時、ハンドピースの位置方位を計測しておき、ハンドピースの移動量から計算できる変化量と1mm以上異なる場合にはハンドピースの移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。
Although the patient's maxillofacial region is fixed with a fixed holder while the handpiece is being guided, the patient may move, so the following countermeasures should be prepared in advance.
Always measure the position and orientation of the handpiece, and if there is a difference of 1 mm or more from the amount of change that can be calculated from the amount of movement of the handpiece, temporarily stop the movement of the handpiece, and use that state as the C1 system, and perform the above guidance operation. shall be resumed to ensure a positional accuracy of 0.1 mm or less and an azimuth accuracy of 1 degree or less.

または、CCDカメラでCCDカメラ系Caと口腔内の歯列系Cbの角度を初期設定しておき、患者の顎顔面部が移動して歯列系CbがCa系に対して、位置移動量が1mm以上の変化が確認できた場合、移動を一時停止して、その状態をC1系として、上記誘導操作を再開し、位置精度を0.1mm以下、方位精度1度以下を確保するものとする。 Alternatively, the angle between the CCD camera system Ca and the intraoral dentition system Cb is initially set by the CCD camera, and the patient's maxillofacial region moves to move the dentition system Cb relative to the Ca system. If a change of 1 mm or more can be confirmed, the movement shall be temporarily stopped, the state shall be regarded as C1 system, and the above guidance operation shall be resumed to ensure the position accuracy of 0.1 mm or less and the azimuth accuracy of 1 degree or less. .

本発明により、口腔内のインプラント加工に必要な顎骨の穴加工は治療用ハンドピースの自動誘導が可能となり、インプラント治療がより安全で精度よく行うことができるようになり、本発明は今後広く応用されるものと期待される。 According to the present invention, it is possible to automatically guide the treatment handpiece for hole processing of the jawbone necessary for implant processing in the oral cavity, and implant treatment can be performed more safely and accurately. expected to be

1:GSR素子
11:基板、12:磁性ワイヤ、13:コイル、14:ワイヤ端子、15:ワイヤ電極、16:接続配線(ワイヤ電極用)、17:コイル端子、18:コイル電極、19:接続配線(コイル電極用)
2:電子回路(GSRセンサの電子回路)
21:パルス発振器、22:GSR素子、221:ワイヤ電極、222:コイル電極、23:寄生容量、24:回路入力電極、25a:1段目検波タイミング調整回路(T1)、25b:2段目検波タイミング調整回路(T2)、26:サンプルホールド回路(出力側回路)、27a:1段目電子スイッチ(SW1)、27b:2段目電子スイッチ(SW2)、28a:1段目サンプルホールド用コンデンサ(C1)、28b:2段目サンプルホールド用コンデンサ(C2)、29:増幅器
3:磁界ベクトルセンサ(一体式)
31:ASIC、32:磁性ワイヤ、33:ワイヤ電極、34:コイル電極、35:上部軟磁性体、36:下部軟磁性体、37:レジスト層(感光性樹脂)、38:連結用電極ホール、391:集磁(放磁)、392:放磁(集磁)、X1:X1軸素子、X2:X2軸素子、Y1:Y1軸素子、Y2:Y2軸素子
4:磁界ベクトルセンサ(組み立て式)
40:台座(四角錘台)、401:三角形の斜面、402:長方形の斜面(四角錘台の稜線部)、403:正方形の上面、404:傾斜角(θs)、41:GSRセンサ(on-ASICタイプ)、411:ASIC、412:GSR素子、413:磁性ワイヤ
5:ハンドピース(円筒部タイプ)
50:円筒部、51:磁界ベクトルセンサ、52:ドリル先端、Oh:原点
6:ハンドピース(軸部グリッド板タイプ)
60:軸部、61:磁界ベクトルセンサグリッド、62:グリッド板(軸部設置)、63:磁界ベクトルセンサ、64:ドリル、65:加速度センサ、Oh:原点
7:3次元X画像マップ
71:ハンドピース、710:ハンドピースの原点Oh、711:位置関係OhA
72:磁石体(パルス型電磁石)、720:磁石体の原点Om、721:磁化の向き(X軸)、722:位置関係OmB
73:骨
74:歯
A:ハンドピースの先端位置
B:治療位置
8:誘導システムにおける座標系C
801:磁界ベクトルセンサ(磁界ベクトルセンサグリッドを構成するセンサ)
81:ハンドピース、8101:C1系の原点Oh1、8103:C3系の原点Oh3、8104:C4系の原点Oh4
82:磁石体、820:磁石体の原点Om、821:角度θ、822:α回転角
83:歯
C1:初期状態の座標系、C3:ハンドピース移動開始状態の座標系、C4:ハンドピースの治療位置への到達時の座標系
R1:C1系における磁石の位置、R3:C3系における磁石の位置、R4:C4系おける磁石の位置
1: GSR element 11: substrate 12: magnetic wire 13: coil 14: wire terminal 15: wire electrode 16: connection wiring (for wire electrode) 17: coil terminal 18: coil electrode 19: connection Wiring (for coil electrodes)
2: Electronic circuit (electronic circuit of GSR sensor)
21: pulse oscillator, 22: GSR element, 221: wire electrode, 222: coil electrode, 23: parasitic capacitance, 24: circuit input electrode, 25a: first stage detection timing adjustment circuit (T1), 25b: second stage detection Timing adjustment circuit (T2), 26: sample and hold circuit (output side circuit), 27a: 1st stage electronic switch (SW1), 27b: 2nd stage electronic switch (SW2), 28a: 1st stage sample and hold capacitor ( C1), 28b: second-stage sample-and-hold capacitor (C2), 29: amplifier 3: magnetic field vector sensor (integrated type)
31: ASIC, 32: magnetic wire, 33: wire electrode, 34: coil electrode, 35: upper soft magnetic body, 36: lower soft magnetic body, 37: resist layer (photosensitive resin), 38: connection electrode hole, 391: magnetism collection (discharge), 392: magnetism discharge (collection), X1: X1-axis element, X2: X2-axis element, Y1: Y1-axis element, Y2: Y2-axis element 4: Magnetic field vector sensor (assembly type)
40: pedestal (frustum of square pyramid), 401: slope of triangle, 402: slope of rectangle (ridge of square pyramid), 403: upper surface of square, 404: angle of inclination (θs), 41: GSR sensor (on- ASIC type), 411: ASIC, 412: GSR element, 413: magnetic wire 5: hand piece (cylindrical part type)
50: cylindrical portion, 51: magnetic field vector sensor, 52: drill tip, Oh: origin 6: handpiece (axis grid plate type)
60: shaft, 61: magnetic field vector sensor grid, 62: grid plate (installed on shaft), 63: magnetic field vector sensor, 64: drill, 65: acceleration sensor, Oh: origin 7: three-dimensional X image map 71: hand piece, 710: origin of handpiece Oh, 711: positional relationship OhA
72: magnet body (pulse-type electromagnet), 720: origin Om of magnet body, 721: direction of magnetization (X-axis), 722: positional relationship OmB
73: bone 74: tooth A: tip position of handpiece
B: treatment position 8: coordinate system C in the guidance system
801: Magnetic field vector sensor (sensors that make up the magnetic field vector sensor grid)
81: handpiece, 8101: C1 system origin Oh1, 8103: C3 system origin Oh3, 8104: C4 system origin Oh4
82: magnet, 820: origin Om of magnet, 821: angle θ, 822: α rotation angle 83: tooth C1: initial state coordinate system, C3: handpiece movement start state coordinate system, C4: handpiece Coordinate system R1: position of the magnet in the C1 system, R3: position of the magnet in the C3 system, R4: position of the magnet in the C4 system when the treatment position is reached.

その計算方法は、図9に示す通りで、C座標系における前記磁石体(M(→))の位置を(X、Y、Z)とし、磁化ベクトルの向きをX軸に対する回転角をΘとし、Z軸に対する回転角をΦとして、磁石体の位置と方位(X、Y、Z、ΘおよびΦ)を、ガウスニュートン法に従って、

(1)C座標系に固定された磁界センサグリッドの各磁界ベクトルセンサの位置(i,j)における磁界ベクトルH(→)ijを計測し(ステップ101)、
(2)その絶対値がS/N比で500倍以上あることを確認(ステップ102)し、
(3)磁石体(M(→))が、C座標系に対して、位置(x、y、z)および方位(θ、φ)にあるとして、前記磁界センサグリッドの位置(i,j)がつくる磁界ベクトル
H(→)ijの理論値を計算し(ステップ103)、
(4)測定誤差を、eijH(→)ijH(→)ijにより計算し(ステップ104)、
(5)誤差の平方和を、Eij=Σeij により計算し(ステップ105)、
(6)誤差平方和を最小とするx、y、z、θ、φを算出して(ステップ106)
(7)磁石体の位置X、Y、Zおよび方位Θ、Φを求め(ステップ107)、
位置精度0.5mm以下、方位精度1度以下、測定サンプリング速度は1~50H
zで位置・方位を測定し、データを1Hzから50Hzの速度で計算する方法であ
る。この方法により、センサグリッドでCh系における磁石体の位置と方位を、位置
精度0.1mm以下、方位精度1度以下で測定することができる。
The calculation method is as shown in FIG. 9, where the position of the magnet (M(→)) in the C coordinate system is (X, Y, Z), and the orientation of the magnetization vector is θ as the rotation angle with respect to the X axis. , the rotation angle with respect to the Z axis is Φ, and the position and orientation (X, Y, Z, Θ and Φ) of the magnet are calculated according to the Gauss-Newton method as follows:

(1) measuring the magnetic field vector m H (→) ij at the position (i, j) of each magnetic field vector sensor of the magnetic field sensor grid fixed to the C coordinate system (step 101);
(2) Confirm that the absolute value is 500 times or more in S/N ratio (step 102),
(3) Assuming that the magnet (M (→)) is at the position (x, y, z) and the orientation (θ, φ) with respect to the C coordinate system, the position (i, j) of the magnetic field sensor grid The magnetic field vector produced by
Calculate the theoretical value of t H(→) ij (step 103);
(4) calculating the measurement error by e ij = t H(→) ij −m H(→) ij (step 104);
(5) calculating the sum of squares of the errors by E ij =Σe ij 2 (step 105);
(6) Calculate x, y, z, θ, and φ that minimize the error sum of squares (step 106)
(7) Find the positions X, Y, Z of the magnet and the orientations Θ, Φ (step 107),
Positional accuracy of 0.5mm or less, azimuth accuracy of 1 degree or less, measurement sampling rate of 1 to 50H
In this method, the position and orientation are measured at z, and the data are calculated at a rate of 1 Hz to 50 Hz. By this method, the position and orientation of the magnet in the Ch system can be measured with a sensor grid with a position accuracy of 0.1 mm or less and an orientation accuracy of 1 degree or less.

Claims (9)

歯に取り付けた磁石体を原点にして口腔内の治療に使用するハンドピース先端部の
位置・方位検出装置において、
前記磁石体は、口腔内の特定の歯に磁石体1個を該磁石体の長さ方向を垂直方向(Z軸)にして磁化ベクトルを水平方向(X軸)に向けて設置されてなり、前記磁石体の中心を原点Omとして磁化ベクトルの向きをX軸、磁石体の厚み方向をY軸、長手方向をZ軸とする磁石座標系Cm系(以下、Cm系という。)とし、口腔内の治療位置を点Bとして、磁石体の原点Omからの位置関係をOmBと定め、
前記ハンドピースは、3軸加速度センサと磁界ベクトルセンサよりなる磁界ベクトルセンサグリッドとを備え、
前記3軸加速度センサは、前記ハンドピースの本体に設置し、水平面に対する前記ハンドピースの傾斜角ηを測定し、その測定値をセンサデータ処理装置に転送し、
前記磁界ベクトルセンサグリッドは、前記ハンドピースの患者の口腔側の先端近くに設置され、前記磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点Ohとして、前記ハンドピースの軸をY軸、前記磁界ベクトルセンサグリッドのグリッド板の横方向をX軸、グリッド板の縦方向をZ軸とするグリッド座標系C系(以下、C系という。)とし、前記磁石体が発する磁界を測定し、その測定値を前記センサデータ処理装置に転送し、
さらに、ハンドピース先端部を点Aとして、グリッドの原点Ohからの位置関係をOhAと定め、
前記センサデータ処理装置は、前記3軸加速度センサの測定値と、前記磁界ベクトルセンサグリッドの測定値と、前記Cm系の前記OmBと前記C系の前記OhAとを一体的に処理して、腔内の治療位置Bとハンドピース先端部の位置・方位関係を算出してそれらの値を術者に知らせる表示装置を備え、
また、前記センサデータ処理装置は、前記磁界ベクトルセンサグリッドの測定値を使って、前記C系による前記磁石体の位置X、Y、Zおよび方位Θ、Φを計算し、また加速度センサの測定値を使って、傾斜角ηを計算して、前記C系と前記Cm系の方位関係および原点間の距離を計算し、さらに前記Cm系のデータOmBを前記C系に座標転換することによって、口腔内の治療位置Bとハンドピース先端部Aの位置・方位関係を計算し、術者に知らせることを特徴とするハンドピース先端部の位置・方位検出装置。
In the position and direction detection device for the tip of the handpiece used for intraoral treatment with the magnet attached to the tooth as the origin,
The magnet body is installed on a specific tooth in the oral cavity with the length direction of the magnet body in the vertical direction (Z-axis) and the magnetization vector in the horizontal direction (X-axis), A magnetic coordinate system Cm system (hereinafter referred to as Cm system) having the center of the magnet as the origin Om, the direction of the magnetization vector as the X axis, the thickness direction of the magnet as the Y axis, and the longitudinal direction as the Z axis, With the treatment position of as point B, the positional relationship from the origin Om of the magnet is defined as OmB,
The handpiece comprises a magnetic field vector sensor grid consisting of a 3-axis acceleration sensor and a magnetic field vector sensor,
The three-axis acceleration sensor is installed in the main body of the handpiece, measures an inclination angle η of the handpiece with respect to a horizontal plane, and transfers the measured value to a sensor data processing device;
The magnetic field vector sensor grid is installed near the tip of the handpiece on the oral cavity side of the patient. A grid coordinate system C (hereinafter referred to as C system) in which the horizontal direction of the plate is the X axis and the vertical direction of the grid plate is the Z axis, the magnetic field generated by the magnet is measured, and the measured value is used as the sensor data. transfer to processing equipment;
Further, with the tip of the handpiece as point A, the positional relationship from the grid origin Oh is defined as OhA,
The sensor data processing device integrally processes the measured values of the three-axis acceleration sensor, the measured values of the magnetic field vector sensor grid, the OmB of the Cm system and the OhA of the C system, Equipped with a display device that calculates the position and orientation relationship between the treatment position B and the tip of the handpiece and notifies the operator of these values,
The sensor data processor also uses the magnetic field vector sensor grid measurements to calculate the positions X, Y, Z and orientations .THETA., .PHI. is used to calculate the tilt angle η, the azimuth relationship between the C system and the Cm system and the distance between the origins, and the coordinate transformation of the Cm system data OmB to the C system. A position/orientation detection device for the distal end of a handpiece, which calculates the position/orientation relationship between the treatment position B and the distal end A of the handpiece, and informs the operator of the position/orientation.
請求項1において、
前記磁石体は、交流型電磁石、パルス型電磁石または永久磁石とし、
前記磁石体のサイズは、幅6mm以下、長さ10mm以下とし、
前記磁石体の磁気モーメントを5×10-9~100×10-9Wbmとすることを特徴とするハンドピース先端部の位置・方位検出装置。
In claim 1,
The magnet body is an AC electromagnet, a pulse electromagnet or a permanent magnet,
The size of the magnet is 6 mm or less in width and 10 mm or less in length,
A position/orientation detecting device for a distal end of a handpiece, characterized in that the magnetic moment of the magnet body is 5×10 −9 to 100×10 −9 Wbm.
請求項1または2において、
前記磁界ベクトルセンサは、X軸方向とY軸方向に2個ずつ配置した4個の磁界センサ素子とZ軸方向の磁界を集磁・放磁する軟磁性体とからなり、4つの磁界センサ素子で検出した磁界Hx1、Hx2、Hy1、Hy2を、Hx=(Hx1+Hx2)/2、Hy=(Hy1+Hy2)/2、Hz=(Hx1+Hx2+Hy1+Hy2)/4なる式で、電子回路と演算回路とを使って計算して、前記4個の磁界センサの中央部の磁界ベクトル(Hx、Hy、Hz)を計測する一体的なものであって、
大きさは、底辺は2mm~6mm、高さは0.5mm~2mm、1KHzの高速で測定した場合の磁界検出力は50nT以下の性能を有し、一体型の磁界ベクトル(Hx、Hy、Hz)で測定し得ることを特徴とするハンドピース先端部の位置・方位検出装置。
In claim 1 or 2,
The magnetic field vector sensor is composed of four magnetic field sensor elements arranged two each in the X-axis direction and two Y-axis directions, and a soft magnetic material for collecting and releasing the magnetic field in the Z-axis direction. Calculate the magnetic fields Hx1, Hx2, Hy1, Hy2 detected by using an electronic circuit and an arithmetic circuit using the formulas Hx = (Hx1 + Hx2) / 2, Hy = (Hy1 + Hy2) / 2, Hz = (Hx1 + Hx2 + Hy1 + Hy2) / 4 and integrally measure the magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) at the center of the four magnetic field sensors,
The size is 2 mm to 6 mm at the base and 0.5 mm to 2 mm in height. ).
請求項1または2において、
前記磁界ベクトルセンサ素子は、一軸のGSR素子をASIC上面に形成したOn-ASICタイプのGSRセンサの4個を傾斜角度θの四角錐台の4つの斜面に、4回対称かつ鏡面対称に貼り付け、4個のセンサの出力電圧Vx1、Vx2、Vy1、Vy2を計測し、
Hx=(1/2cosθ)(Hx1-Hx2)、
Hy=(1/2cosθ)(Hy1-Hy2)、
Hz=(1/4sinθ)(Hx1+Hx2+Hy1+Hy2)、
なる式で、4個の磁界センサの中央部の磁界ベクトル(Hx、Hy、Hz)を計測する組み立て式なものであって、
サイズは、長さ2mmから6mm、高さ1mmから2mm、傾斜角度θは、20度から45度で、1KHzの高速で測定した場合の磁界検出力は1nT以下の性能を有し、磁界ベクトル(Hx、Hy、Hz)で測定し得ることを特徴とするハンドピース先端部の位置・方位検出装置。
In claim 1 or 2,
The magnetic field vector sensor elements are four On-ASIC type GSR sensors in which a uniaxial GSR element is formed on the top surface of the ASIC, and are attached to four slopes of a truncated square pyramid with an inclination angle θ in a four-fold symmetrical and mirror symmetrical manner. , measuring the output voltages Vx1, Vx2, Vy1, Vy2 of the four sensors,
Hx = (1/2 cos θ) (Hx1-Hx2),
Hy = (1/2 cos θ) (Hy1-Hy2),
Hz = (1/4 sin θ) (Hx1 + Hx2 + Hy1 + Hy2),
is an assembly type that measures the magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) at the center of the four magnetic field sensors,
The size is 2 mm to 6 mm in length, 1 mm to 2 mm in height, and the angle of inclination θ is 20 degrees to 45 degrees. (Hx, Hy, Hz).
請求項1~3のいずれか1項において、
前記磁界ベクトルセンサグリッドは、前記ハンドピースの先端部に磁界ベクトルセンサを幾何学的に取り付けたものであって、
前記磁界ベクトルセンサが前記磁界ベクトルセンサグリッド体に3~25mmの磁界センサ間隔にて5個以上配置され、
前記磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点にし、前記ハンドピース軸の向きをY軸、前記センサグリッドの横方向(水平方向)をX軸とし、前記センサグリッド板の縦方向(垂直方向)をZ軸とする座標系をC系としていることを特徴とするハンドピースの位置・方位検出装置。
In any one of claims 1 to 3,
The magnetic field vector sensor grid comprises magnetic field vector sensors geometrically attached to the distal end of the handpiece,
5 or more of the magnetic field vector sensors are arranged on the magnetic field vector sensor grid body with a magnetic field sensor interval of 3 to 25 mm,
The center of the magnetic field vector sensor grid is the origin, the direction of the handpiece axis is the Y axis, the lateral direction (horizontal direction) of the sensor grid is the X axis, and the longitudinal direction (vertical direction) of the sensor grid plate is the Z axis. A position/orientation detection device for a handpiece, characterized in that the coordinate system is the C system.
請求項1~4のいずれか1項において、
前記磁界ベクトルセンサグリッドは、ハンドピースの先端部の特定の位置にグリッド板を配置し、そのグリッド板に9個以上の前記磁界ベクトルセンサを3~25mmの磁界センサ間隔にて平面幾何学的に配置したグリッドを用いたものであって、
前記磁界ベクトルセンサグリッドの中心を原点にし、前記ハンドピース軸の向きをY軸、前記センサグリッドの横方向(水平方向)をX軸とし、前記センサグリッド板の縦方向(垂直方向)をZ軸とする座標系をC系としていることを特徴とするハンドピースの位置・方位検出装置。
In any one of claims 1 to 4,
For the magnetic field vector sensor grid, a grid plate is placed at a specific position on the tip of the handpiece, and nine or more magnetic field vector sensors are placed on the grid plate at a magnetic field sensor interval of 3 to 25 mm in a plane geometric manner. using an arranged grid,
The center of the magnetic field vector sensor grid is the origin, the direction of the handpiece axis is the Y axis, the lateral direction (horizontal direction) of the sensor grid is the X axis, and the longitudinal direction (vertical direction) of the sensor grid plate is the Z axis. A position/orientation detection device for a handpiece, characterized in that the coordinate system is the C system.
請求項1~4のいずれか1項において、
Oh-XYZ座標系における前記磁石体(M(→))の位置を(X、Y、Z)とし、前記磁化ベクトルの向きをX軸に対する回転角をΘとし、Z軸に対する回転角をΦとして、磁石体の位置と方位(X、Y、Z、Θ、Φ)を、ガウスニュートン法に従って、
(1)前記C系に固定された前記磁界センサグリッドの各磁界センサの位置(i,j)における磁界ベクトルH(→)ijを計測し、
(2)前記磁石体(M(→))が、前記C系に対して、位置(X、Y、Z)および方位(Θ、Φ)にあるとして、前記磁界センサグリッドの位置(i,j)がつくる磁界ベクトルH(→)ijの理論値を計算し、
(3)測定誤差を、eijH(→)ijH(→)ijにより計算し、
(4)誤差の平方和を、Eij=Σeij により計算し、
(5)誤差平方和を最小とするx、y、z、θ、φを算出して、
(6)磁石体の位置X、Y、Zおよび方位Θ、Φを求め、
位置精度0.5mm以下、方位精度1度以下、測定サンプリング速度は1~50Hzで位置・方位を測定し、データを1Hzから50Hzの速度で計算することを特徴とするハンドピース先端部の位置・方位検出装置。
In any one of claims 1 to 4,
Let the position of the magnet (M(→)) in the Oh-XYZ coordinate system be (X, Y, Z), let the orientation of the magnetization vector be Θ as the rotation angle with respect to the X axis, and Φ as the rotation angle with respect to the Z axis. , the position and orientation of the magnet body (X, Y, Z, Θ, Φ) according to the Gauss-Newton method,
(1) measuring the magnetic field vector m H (→) ij at the position (i, j) of each magnetic field sensor of the magnetic field sensor grid fixed to the C system;
(2) Assuming that the magnet (M(→)) is at the position (X, Y, Z) and the orientation (Θ, Φ) with respect to the C system, the position (i, j ) to calculate the theoretical value of the magnetic field vector t H(→) ij ,
(3) calculating the measurement error by e ij = t H(→) ijm H(→) ij ;
(4) Calculate the sum of squared errors by E ij =Σe ij 2 ,
(5) Calculate x, y, z, θ, and φ that minimize the error sum of squares,
(6) find the positions X, Y, Z of the magnet and the orientations Θ, Φ;
Position accuracy of 0.5 mm or less, orientation accuracy of 1 degree or less, position and orientation are measured at a measurement sampling rate of 1 to 50 Hz, and data is calculated at a rate of 1 Hz to 50 Hz. Orientation detection device.
請求項1~5のいずれか1項に記載されている前記ハンドピースを自動制御装置のロボットハンドで把持して歯の治療を行なう誘導システムにおいて、
(1)あらかじめ、ハンドピースC系における前記ハンドピースの先端部Aの座標位置と、口腔内の前記Cm系における治療位置Bの座標位置、および穴あけ加工の向きY軸を回転軸にβ角回転、次にX軸を回転軸にγ角回転と穴の深さHを入力しておき、
前記ハンドピース先端を水平にして、歯に設置した前記磁石体の近くに保持し、その状態を誘導システムの初期位置として、この状態の座標系CをC1系とし、
前記センサグリッドによって前記磁石体から発する磁界を前記磁界ベクトルセンサで測定し、前記磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、
(2)前記ハンドピースの向きを、Z軸を軸に-θ回転させてこの状態の座標系CをC2系とし、治療位置BとY軸との角度αを計算し、
(3)前記ハンドピースのZ軸を回転軸にα角回転させて前記ハンドピースを治療位置Bの方向に向ける。その後穴あけ加工の方向にドリルを向けるために、Y軸を回転軸にβ角回転させ、次にX軸を回転軸にγ角回転させた状態の座標系CをC3系とし、
前記磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aを所定の治療位置Bとの位置関係ABを計算し、
(4)ハンドピースの先端AをY軸に沿って移動させて、所定の治療位置Bに誘導して静止し、この状態の座標系CをC4系とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係を計算し、両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下となっていて、両者が一致していることを確認し、
(5)そうでない場合は、各軸を微小移動させて、位置ずれを0.1mm以下となるように補正し、各軸を回転軸に微小回転させて、方位ずれが1度以下となるように補正し、この状態の座標系CをC5系とし、
(6)前記ハンドピースを指定された向きに指定された距離Hだけ移動させて治療を終えて、この状態の座標系CをC6系とし、
磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aが指定された穴の方向に深さHの位置にあることを確認し、
(7)前記ハンドピースをC6系のZ軸に沿って、Hだけ戻し、次にY軸に沿って距離ABそのまま原点間距離ベクトル(-X、-Y、-Z)だけ移動させて、C4系のA点の位置に戻すことにより、
インプラント穴あけ加工を自動制御で行うことを特徴とするハンドピース誘導システム。
A guidance system for performing dental treatment by gripping the handpiece according to any one of claims 1 to 5 with a robot hand of an automatic control device,
(1) In advance, the coordinate position of the distal end A of the handpiece in the handpiece C system, the coordinate position of the treatment position B in the Cm system in the oral cavity, and the direction of drilling are rotated at a β angle about the Y axis as the rotation axis. , Next, input the γ angle rotation with the X axis as the rotation axis and the depth H of the hole,
The tip of the handpiece is held horizontally and held close to the magnet installed on the tooth, this state is defined as the initial position of the guidance system, and the coordinate system C in this state is defined as the C1 system,
measuring the magnetic field emitted from the magnet by the sensor grid with the magnetic field vector sensor, calculating the position (x, y, z) and the orientation (θ, φ) of the magnet;
(2) Rotate the direction of the handpiece by -θ around the Z axis to set the coordinate system C in this state to the C2 system, calculate the angle α between the treatment position B and the Y axis,
(3) Rotating the Z axis of the handpiece at an angle of α about the rotation axis to orient the handpiece in the direction of the treatment position B; After that, in order to orient the drill in the direction of drilling, the coordinate system C in which the Y axis is rotated by β angle around the rotation axis and then rotated by γ angle around the X axis is assumed to be C3 system,
Calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, calculate the positional relationship AB between the position A of the tip of the handpiece and a predetermined treatment position B,
(4) Move the tip A of the handpiece along the Y-axis, guide it to a predetermined treatment position B and stop it, and let the coordinate system C in this state be the C4 system,
The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body were calculated, and the positional relationship between the position A of the tip of the handpiece and the predetermined treatment position B was calculated. Confirm that the misalignment with the following is 1 degree or less,
(5) If not, finely move each axis to correct the misalignment to 0.1 mm or less, and slightly rotate each axis about the rotation axis so that the misalignment is 1 degree or less. , and the coordinate system C in this state is defined as the C5 system,
(6) moving the handpiece in the specified direction by the specified distance H to complete the treatment, and let the coordinate system C in this state be the C6 system;
Calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet, confirm that the position A of the tip of the handpiece is at the depth H in the direction of the specified hole,
(7) The handpiece is returned by H along the Z-axis of the C6 system, then moved along the Y-axis by the distance AB as it is by the distance vector between origins (-X, -Y, -Z), and C4 By returning to the position of point A in the system,
A handpiece guidance system characterized by automatically controlling implant drilling.
請求項8において、
自動制御装置に代えて、術者が手で前記ハンドピースを把持し、
(1)術者は指定された入力値、A点とB点の位置、および穴あけ加工の向きと穴の深さHを記憶しておき、
ハンドピース先端を水平にして、歯に設置した磁石の近くに保持し、その状態で、磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、誘導システムの初期位置として、その値を術者に伝えてアシストし、この状態の座標系CをC1とし、
(2)術者が前記ハンドピースの向きを回転軸としてZ軸を-θ回転させる際に、回転中の回転角の変化を術者に伝えてアシストして回転量がθに到達した時に静止し、この状態の座標系CをC2系として治療位置BとY軸との角度αを計算し、
(3)術者はハンドピースのZ軸を回転軸として角度αを回転してハンドピースを治療箇所Bの方向に向け、その後穴あけ加工の方向にドリルをむけるために、Y軸を回転軸として角度βを回転させるとともにX軸を回転軸として角度γを回転させる際には、回転角度の変化を術者に伝えてアシストし、所定の回転量に到達した時に静止し、この状態の座標系CをC3系として磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aを所定の治療箇所Bとの位置関係ABを計算し
(4)術者はハンドピースの先端AをY軸にそって移動させて所定の治療位置Bに誘導され、移動の際には磁石体の位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aと所定の治療位置Bとの位置関係を計算し、移動量を術者に伝えてアシストし、B点に到達して静止し、この状態の座標系CをC4系とし、
両者の位置ずれが0.1mm以下と方位ずれが1度以下となっていることを確認し、
(5)そうでない場合は、術者は、各軸を微小移動させて、位置ずれを0.1mm以下となるように補正し、各軸を回転軸に微小回転させて、方位ずれが1度以下となるように補正し、補正結果を術者に伝えてアシストし、この状態の座標系CをC5系とし、
(6)前記ハンドピースを指定された向きに指定された距離Hだけ移動させる際に、移動中の移動量を術者に伝え、指定された値Hに到達すると術者が加工を終えることができるようにアイシトし、この状態の座標系CをC6系とし、
磁石体の位置位置(x、y、z)と方位(θ、φ)を算出し、ハンドピース先端の位置Aが、してされた穴の方向に深さHの位置にあることを確認し、
(7)前記ハンドピースをC6系のZ軸に沿って、Hだけ戻し、次にY軸に沿って距離ABそのまま原点間距離ベクトル(-X、-Y、-Z)だけ移動させて、C4系のA点の位置に戻す動作において、動作中の移動距離を術者に伝えて
インプラント穴あけ加工をアイシトすることを特徴とするハンドピース誘導アシストシステム。






In claim 8,
Instead of an automatic control device, the operator holds the handpiece by hand,
(1) The operator memorizes the specified input values, the positions of points A and B, the direction of drilling and the depth H of the hole,
Hold the tip of the handpiece horizontally and close to the magnet installed on the tooth. In this state, calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, and the initial position of the guidance system. , the value is conveyed to the operator to assist, and the coordinate system C in this state is C1,
(2) When the operator rotates the Z-axis by -θ with the direction of the handpiece as the rotation axis, the change in rotation angle during rotation is assisted by the operator, and the handpiece stops when the amount of rotation reaches θ. Then, with the coordinate system C in this state as the C2 system, calculate the angle α between the treatment position B and the Y axis,
(3) The operator rotates the handpiece at an angle α with the Z axis of the handpiece as the rotation axis to orient the handpiece in the direction of the treatment site B, and then directs the drill in the direction of drilling using the Y axis as the rotation axis. When rotating the angle β and rotating the angle γ with the X axis as the rotation axis, the change in the rotation angle is communicated to the operator to assist, and when the predetermined amount of rotation is reached, the operator stops, and the coordinate system in this state. The position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body are calculated using C as the C3 system, and the positional relationship AB between the position A of the tip of the handpiece and the predetermined treatment site B is calculated (4). The operator moves the tip A of the handpiece along the Y-axis and is guided to a predetermined treatment position B. During movement, the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet are changed. The positional relationship between the position A of the tip of the handpiece and the predetermined treatment position B is calculated, the amount of movement is communicated to the operator to assist, the operator reaches point B and stops, and the coordinate system C in this state is calculated. C4 system,
Confirm that the positional deviation between the two is 0.1 mm or less and the azimuth deviation is 1 degree or less,
(5) If not, the operator finely moves each axis to correct the positional deviation to be 0.1 mm or less, and slightly rotates each axis about the rotation axis so that the azimuth deviation is 1 degree. Correction is made as follows, the correction result is communicated to the operator to assist, the coordinate system C in this state is the C5 system,
(6) When the handpiece is moved in a specified direction by a specified distance H, the amount of movement during movement is communicated to the operator, and when the specified value H is reached, the operator can finish processing. and let the coordinate system C in this state be the C6 system,
Calculate the position (x, y, z) and orientation (θ, φ) of the magnet body, and confirm that position A of the tip of the handpiece is at depth H in the direction of the drilled hole. ,
(7) The handpiece is returned by H along the Z-axis of the C6 system, then moved along the Y-axis by the distance AB as it is by the distance vector between origins (-X, -Y, -Z), and C4 A handpiece guidance assist system characterized in that, in the operation of returning the system to the position of point A, the moving distance during the operation is communicated to the operator to facilitate implant drilling.






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