JP4203592B2 - 対象物の位置の決定 - Google Patents

Description

本発明は対象物の位置の決定に関する。特に本発明は複数の対象物の相互に対する配置及び位置を電磁気信号によって決定する新規性があって改善された方法に関する。

電磁気信号に基づく探索方法は、非常に一般的な意味において本願とは別に、特に特許文献１、特許文献２、並びに、特許文献３等に記載されている。一実施例においてこの装置は、一組の信号源（又は信号ソース）、一組の受信器、並びに、テンスに関しては信号源によって送信されるべく知られる一組の送信器信号を発生すべく用いられる１つ若しくはそれ以上の信号発生器を含む。加えて上記特許文献は、受信器の出力信号を処理してそれらをある対象物の別の対象物に相対する配置或は位置を計算すべく使用する分析方法を開示している。上記特許文献に記載された装置に共通することは、信号送信器が幾何形状的に相当に拘束された形態でその対象物に結着されていることである。
米国特許５，７４７，９９６号 米国特許第４，３４６，３８４号 ドイツ特許第３３２６４７６号

更に上記特許文献１及び特許文献２の各々では、それら信号源が相互間で直交していることを要求している。その直交性のおかけで、それら信号源によって送信される信号間の相関性が全くない、即ち、それら信号が配置の決定を妨害することになるような相互に対する影響を有することがない。更には上記特許文献１はそれら受信器が同一レベルにおかれるようなコイル巻きであることを要求している。幾何形状的な要件は信号分析を促し高速化すべく使用されると共に、位置決め結果に対して影響を及ぼす可能性がある過誤源を削減すべく使用される。

対象物の座標系において、既知の信号源に基づく検索方法は、例えば、人或は他の生物の神経活動によって発生する時間及び配置に従属する弱い磁界を測定することになる核磁気脳撮影術（ＭＥＧ）において使用される。測定された磁界値に基づき、その観測される磁界を発生する信号源領域を探索すべく試みられる。核磁気脳撮影術において、受診者の頭は一組の検出器、即ち、その幾何形状が既知である極度に鋭敏な超伝導検出器から成る一組の検出器にできる限り接近している。頭の測定装置に相対する位置は、頭の表面に結着された既知の信号源としてのコイルを用いて決定され、その人によって発生した磁界は磁気双極子によって近似され得る。

受信器としての測定装置における測定検出器は、測定されるべき実際の脳信号の受信及び測定のためにも使用される。この方法の基本原則は、例えば非特許文献１及び非特許文献２に記載されている。
SQUID'85:SuperconductingQuantum Interference Device and their Applications, 1985, pages 939-944. Proceedings of the 7thInternational Conference on Biomagnetism, 1989, pages 693-696.

実際のＭＥＧ測定は、通常、反復測定又は繰り返し測定として具現化され、ある種の刺激の後に追従する脳によって発生する反応が連続して数回測定され、その刺激に対して時限錠が掛けられた複数の測定結果の平均値が計算される。そうした測定結果の平均値を用いると、ノイズの影響が反復数の平方根に逆に比例する因数によって減衰され得る。反復測定に伴う１つの問題はその長い継続時間であり、その理由は受診者の頭は測定中に動く可能性があるからである。これは自動的に、脳によって発生する反応の源の位置が測定中に測定装置に対して変化し、それによって最終的な分析に過誤を生ずる結果となる。

従来、頭の位置は測定の始めにそれぞれ単独で決定されるので、頭位置決めコイルの各々は起動され、発生した磁界が１つずつ測定され、その場合、探索方法はずいぶん遅い。探索後、受診者には自身の頭を反復測定終了まで動かさないように求められる。

測定中における頭の動作から生ずる過誤は位置の連続的な測定によって回避され得る。その場合、位置決めにおいて発生させられるべきもの以外に他の送信器信号の測定のためにも測定装置を同時に使用できなければならない。測定されるべき有効な信号、即ち脳によって発生する反応信号に対する送信器信号の影響を削除する１つの方法は、試験すべき且つ周波数平面において測定データを適切に濾過すべき周波数帯から遙か遠方の送信器信号の周波数を設定することである。この種の解決法は非特許文献３に提供されている。別の解決法は、送信器信号に対応する分担を測定信号から減算することによって受信器の出力信号から送信器信号の濾過を行うことであり、その場合、測定されるべき送信器信号の強度及び波形を知らなければならない。
Peters, H.等著、Biomag2000,12th International Conference on Biomagnetism, Book of Abstracts, p.188

対象物の位置を一定して或は短い時間間隔で繰り返して決定すべく試みる際、複数の信号送信器が同時に起動されなければならず、且つ、それぞれ異なる送信器によって発生させられた同時的な成分と測定信号と間の相違を見分けることができなければならない。この方法は、できる限り短いデータ収集時間を用いて、できる限り効率的且つ正確に周波数成分を識別すべきである。一般的に使用され識別方法において、周波数とデータ収集時間とは、試験されている時間間隔に信号成分が相互間で直交するように調整される。もし送信器信号の位相が既知であれば、各信号成分の振幅は、周波数に関しては既知である基本関数の複数の算定値から成る試験される信号成分に対応している基底ベクトルに対する測定結果から成る信号ベクトルの投影を計算することによって直に獲得される。基底ベクトルの直交性に基づく応用は、例えば非特許文献４に記載されている。この非特許文献４には、非直交性の効果が主要なレベルで考慮されている。しかしながら記載された位置決め方法において、送信器信号の直交性が実際の具体例での位置決めに関連された算定を量的に実質的に低減しており、それら送信器信号が直交化される。
de Munck等著、"The use ofan MEG device as a 3D digitizer and a motion correction system", Proceedings ofthe 12th International Conference on Biomagnetism, Helsinki, Finland

直交性の要件はデータ収集時間と共に使用されるべき周波数の各種要件を設定し、加えて、非直交性信号に対する直交性の仮定は算定された振幅係数における大きな過誤の原因となり、そしてそれによって位置決めにおいても過誤の原因となる。先に説明された信号分析において、できる限り短い時間間隔から収集された信号を使用すべく試みて、位置決めができる限りリアルタイムであり、且つ、対象物の動作が位置決め測定のデータ収集中にできる限り軽微となるようにする。信頼できる位置決め測定は、単に１００ｍｓのデータ収集時間を用いて核磁気脳撮影術で為された。

このような時間間隔でさえ複数の対象物は動き得て、位置決め結果をより悪化させることなる。こうした対象物の可能性がある大きな動作によって、受信器によって測定される信号の強度は、観測されている信号の最低限度から受信器のダイナミック領域の上方限度まで急激に変化し得る。変化は特に小さな距離において著しくなり得るが、その理由は測定され信号の強度は反対に対象物の距離の３乗に比例するからである。これに加えて複数の同じような送信器が、著しく異なるサイズであり且つ各送信器に対してそれぞれ異なる距離に配置された複数の対象物に対するそれぞれの測定に使用されている。異なる複数の状況において為されるべき測定の繰り返しは、受信器によって測定される送信器信号の強度が特定の限界以内に常に維持されることを要求する。この問題は、全ての受信器によって測定された信号の振幅が特定の最低限度以上且つ特定の上方限界以下に維持されるように送信器のパワーを制御する調整アルゴリズムを用いることによって解決された。送信器信号のフィードバックは上記特許文献１に記載されている。

本発明の目的は、先に言及された短所を削除すべく或は少なくともそれらを軽減することである。本発明の１つの明確な目標は、できる限り迅速且つ正確に位置決め測定を具現化するための新しいタイプの方法を開示することである。本発明の更なる目的は、数値的に簡素で且つ効率的である測定方法であり、信号源の非直交性が最終結果の正確性を何等害することがないような測定方法を開示することである。本発明の更に別の目的は、殆どリアルタイムで対象物の位置を計算できて、実際の測定において、例えば、核磁気脳撮影術において、対象物の動作によって生ずる過誤を削減できる算定方法を開示することである。そして本発明の更なる別の目的は新しい種類の算定の修正方法を開示することであり、それによって振幅の測定分布が修正され得て、受信器の数に応じて、非直交性から生ずる過誤を取り除くと共に、信号に対して決定された振幅或は振幅分布による可能性ある他の乱れを取り除くことである。

本発明は電磁気信号によって一方の対象物の他方の対象物に対する位置及び配置を決定することができる方法に関する。本発明に従った構成においては２つの対象物が存在しており、一方の対象物には複数の信号源、即ち、電磁気信号を発生する複数の送信器が結着されており、そして他方の対象物は送信器信号を測定するための１つ或はそれ以上の送信器を含んでいる。通常、送信器を含む対象物はその配置又は位置が興味の対象となっているものであり、測定の対象物となっている。例えば生物磁気的測定において、それら送信器と関連された対象物は人の頭であるか或は表面上にそれら送信器が据え付けられているその人の身体の別の限られた部分である。本発明に従った構成によって頭の配置及び位置を見つけ出すことが可能であり、その場合、脳によって発生させられた信号の源領域は頭の座標に示される。同一の複数の受信器が用いられて、脳や送信器の双方によって発生させられた信号を測定する。

送信器対象物の座標系における既知の配置に配された信号送信器は、同時に或は代わる代わるにそれぞれ異なる周波数の信号を発生するために起動され得て、周波数及び波形が任意のものとなる。これによって、送信器に関連された構成、例えば幾何形状及び使用される信号に関して言えば、以前より相当により簡素となる。相互に異なる送信器によって発生させられた信号の振幅は別の装置の受信器を用いて測定され、それらの相互の幾何形状は予め既知であるか或は位置決め中に決定される。実際の測定に関して言えば、送信器及び受信器の相互の幾何形状を見い出すことが充分可能であり、その理由は、対象物における送信器の配置が通常既知であるからである。こうして、受信器及び送信器の幾何学形状がそれら送信器から送られてくる信号の振幅分布と共に分かると、それら受信器によって測定された対象物からの実際の対象物信号とそれらのオリジナル配置がそれら送信器に対して、よって対象物に対して決定され得る。

本発明は、分析において、対象物に結着された電磁気学的或は音響学的な送信器によって発生させられて他の対象物の受信器によって測定された信号の使用に基づいており、その結果として、それら対象物又は双方の相対的な配置或は位置が計算され得る。位置決めは、振幅の迅速な算定方法を用いて、そして、連続的な測定では一時的に部分重複する可能性があって測定された信号値によって発生させられるベクトルを用いて、一定になされ得る。

本発明の探索方法において、送信器信号の非直交性ベースを可能としており、その場合、送信されるべき信号の周波数、波形、並びに、データ収集時間が全く自由に選択され得る。計算に使用されるべき且つ基底ベクトル入力によって引き立てられる又は強められるべき非直交性投影方法は、使用される他の信号分析方法と比較して数値的には非常に高速且つ正確な操作である。先に言及したde Munckの非特許文献４とは違って、この発明における送信器信号の非直交性によって生ずる追加的な算定の量は実際上無視し得る。本方法において、位相が知られていない送信器信号を用いることが可能である。その場合、位相は送信器の実際の基底ベクトルに対する位相に関しての相違を有し得る適切に選択された基底ベクトルに対する振幅を計算することによって解決され得る。

本発明の方法によって、送信器信号に加えて、干渉性の既知（信号）源の振幅を更に見積もることが可能であり、その場合、それらの干渉効果が取り除かれ得る。この種の干渉はネットワーク周波数の基本周波数やその高調波成分を含む。

測定された振幅と算定された振幅との符合をできる限り精密となるように、チャンネル上に現れる干渉及びノイズに対する情報を必要とする。これらは時間の関数として変化し得るので、位置決め測定と組み合わせて問題となっているパラメータを測定することが有益である。これは測定された信号から見積もられた信号を減算して、何等かの周波数帯における残存信号のパワーを用いることによって具現化され得る。

本発明の一実施例に従えば、送信器或は干渉性の既知源によって発生させられる見積もられるべき実際の信号形状とは異なる信号成分を見積もることが可能である。

受信器は、位置決め測定中に、送信器信号以外の他の信号源をも測定すべく使用され得る。これは、各時点で各受信器の出力信号から算定された送信器信号振幅の割り当てを減算することで具現化される。本発明によって、この減算は以前よりもより良好に成功を収めており、その理由は信号の振幅及び位相の見積もりが先行して知られる装置におけるよりもより精密であるからである。濾過は、送信器信号以外の信号をも測定する際、連続的な位置決めを可能としている。

受信器で観測される送信器信号振幅の強度は、複数の受信器から成る組全体によって測定される信号を考慮するフィードバックによって調整され得る。このようにして充分なＳ／Ｎ比があらゆる測定状況において確保される。

本発明の位置決めの正確性は、測定された信号から既知の基本信号形態によって決定された信号を減算することによる信号の干渉レベルを測定することによって改善され得る。このようにして残存している示差的な信号は各見積もりがどの程度信頼性があるかの事実を告げ、この情報がノイズ・レベルを考慮することによって符合をより精密に為すために使用され得る。ノイズ・レベルも、信号を見積もることによって、或は、送信器信号の形状とは異なると共に当方には既知である干渉性の信号、例えばネットワーク周波数干渉性の信号とは異なる信号を見積もることによって測定され得る。本発明の方法で、この種の信号に対する振幅を見積もることによって、信号スペースの推定モデルが現実とどの程度異なるかの事実についての情報が得られる。

本発明の先行技術を凌ぐ長所は、本発明の構成によって、複数の送信器から成る特定の一組によって送信され且つ複数の受信器から成る特定の一組によって受信された信号の振幅分布を１つ以上の受信器によって明確にすることが以前と比べてより精密且つ効果的になったことである。同様に本発明によって、送信されるべき信号の選択は、特に周波数及び位相の点で、以前と比べてより相当に自由となっている。本発明によって、信号は相互に直交している必要性がない。

更に本発明によって、例えばＭＥＧ測定において実際に有効な信号の測定中に頭の可能性ある動作を考慮することが可能である。加えて、本発明は測定結果の正確性を改善するために過誤の外部源を削除することを可能としている。

更に本発明の方法及び装置は容易に変更され得て、本発明において具現化されるべき修正計算は測定及び計算の段階で常に最適に具現化され得る。

以下の節において、本発明は、この発明に従った１つの測定装置構成を概略的に表す添付図面を参照しての実施例の詳細例の補助によって説明される。

以下の節において、本発明の具現化の１つの態様が説明される。図面は主に、送信器部ｇ_１，・・・，ｇ_ｎと、１組の受信器１，・・・，Ｋを含む受信器構造とを備える本発明の測定構成を図示している。図面ではただ１つの受信器アンテナが示されているが、数個のアンテナの構成がこの図面に従ってどのように具現化されるかは当業者であれば自明であろう。受信器は送信器信号ｃ_１ｋ，ｃ_２ｋ，・・・，ｃ_Ｎｋの振幅や可能性ある干渉η_ｋの振幅を測定すべく使用される。信号の記号においてパラメータｋは、開始点から見える用に、各信号がｋ受信器で受信されると云う事実によって１つの送信された信号から獲得されるべき測定結果ｋを言及している。

加えて図面中、送信器を制御するフィードバックＡＧＣ(automatic gain control)が示されており、最終的な測定信号振幅
がそれに対する入力として存在する。獲得された振幅に基づき、フィードバックは送信器の送信パワーを制御して、Ｓ／Ｎ比を所望レベルに一定に維持し、最善の可能性ある測定結果を達成する。更に図面中、濾過器（又はフィルタ）ＡＦが示されており、それが受信器１，・・・，ｋと測定装置の出力との間に配列され、実際の有効な信号ｓ_ｋ（ｔ）から送信器によって送信された信号を濾過する。

測定構成において、上述に従えば、Ｎによって位置決めされるべき対象物に結着された信号源ｇによって同時に刺激されるＫ個の受信器から成る測定装置がある。受信器ｋは、時間間隔Ｔにわたって、且つ、信号成分ｅ_１（ｔ），・・・，ｅ_Ｍ（ｔ）（Ｍ＞Ｎ、Ｎは送信器信号からそれらの基本成分１，・・・，Ｎ以外をも見積もることを所望する際のそれぞれ異なる複数の送信器ｇと関連されている）にわたって信号を収集すべく使用される。振幅の測定のために、それぞれ異なる時点から収集された信号値から成る信号ベクトルは、それぞれ異なる周波数に対応している基底ベクトルと、それら基底ベクトルに対して位相で約９０度の違いを有するが同一周波数である基底ベクトルとのために先ず投影される。

図面中、連続的な関数の方法で測定された信号と時間Ｔにわたっての基底ベクトルとの積のある種の積分によって投影の計算が説明されている。留意すべきことは、積分の代わりにディジタル手段において、加算が、実際上、定数積分の見積もりである数値的な積分として使用される。しかしながらディジタル手段は本発明の適用可能性を決して制限するものではない。

所望であれば、被積分関数は何等かのウィンドウ関数ｗによって強めることができる。投影後に得られるＭ次元投影ベクトル
は、基底ベクトルに依存する（Ｍ×Ｍ）次元マトリックスであるマトリックス
によって修正されて、
となるが、ここで、
は送信器信号の振幅係数と、これら信号と９０度異なる位相である同等信号の振幅係数とを、見積もられるべき他の波形の振幅係数と共に含むベクトルである。

その修正の正式な数学的根拠は以下の通りである。それぞれ異なる複数の時点で測定された信号値から成る信号ベクトルは
によって表され、水平ベクトルとしての基底ベクトルを含むマトリックスとしては
によって表され、その場合において、測定された信号としては
の形態であり、そこから、擬逆解(pseudo inverse solution)として
が得られるが、ここで、Ｔはマトリックスの転置を指し、inv()はマトリックスの逆マトリックスを指す。この場合、マトリックス
は
と等しく、
は単位マトリックスである。非直交性によって必要とされる修正も基底ベクトルに対してだけに、
である
と単位マトリックスである
とを用いることによって為されるか、或は、基底ベクトル及び投影ベクトルの双方に対して為されて、
と
とは一緒となって修正演算を形成する。それぞれ異なる複数のチャンネルで測定された信号振幅に基づき、対象物相互の配置及び／或は位置を計算することは可能である。

マトリックス
と
とはＫ個の受信器の全てに対して同一であるので、投影ベクトル
だけが異なる受信器毎に計算されなければならず、よって送信器信号の非直交性からの結果としての追加的な算定の量は非常に小さい。それぞれ異なる複数のチャンネルで測定された信号振幅に基づき、対象物相互の配置及び／或は位置を計算することは可能である。

本測定装置によって任意の信号成分の振幅を測定することは可能であるので、上述の説明で用いられ且つ静的対象物によって発生させられる信号は動的対象物によって発生させられる波形を表すことができる基底ベクトルのより大きな集合又は組によって置き換えられ得る。動作は、例えば、標準的なものとは異なる波形によってオリジナル信号を振幅変調することによってモデル化され得る。これは動的対象物の配置でさえより精密に決定することを可能とし、よってその対象物の動作による信号振幅における変化を考慮することを可能としている。

濾過器ＡＦは各時点で測定された信号から、送信器信号ｃ_１，・・・，ｃ_Nの振幅と調子を合わせて転送されたそれらの等価信号等を減算して、送信器の信号に基づき測定される配置は実際の同時測定に何等害することがない。

フィードバックＡＧＣは、送信器１…Ｋの集合又は組にわたっての時間間隔Ｔを置いての測定信号の２乗平均（ＲＭＳ）値を計算すること、且つ、これに基づき、送信器の集合にわたる見積もり信号成分の最高値が略基準を維持するように個々別々の送信器の伝送パワーを調整することによって具現化される。

本発明は、単に以上に言及したその実施例に限定されることなく、数多くの変形例が添付の特許請求の範囲によって規定された発明的なアイデアの範囲内において可能である。

本発明に係る測定装置構成を概略図である。

Claims (15)

1. 対象物に配置された１組の信号源と、該１組の信号源から送信された所定の信号を受信する複数の受信器と、該複数の受信器が受信した信号の振幅に基づいて対象物の所定の座標系に関する配置及び／或は位置を算定する測定装置と、を有する前記対象物の所定の座標系に関する配置及び／或は位置を決定する装置の作動方法において、
   前記測定装置が、
   前記１組の信号源から同時に送信されて、それぞれが任意の波形を有する信号間の相関を数値的に考慮することによって、前記受信した信号の相互に独立した振幅を決定し、
   前記相互に独立した振幅毎の信号源を決定し、
   該信号源の前記信号間の相関を数値的に考慮して決定された振幅を前記受信器を用いて測定された振幅に合わせるように調整することによって前記信号源と関連された前記相互に独立した振幅の分布に基づき、試験されている時間間隔で前記対象物の前記配置及び／或は配向を算定することを特徴とする、対象物の所定の座標系に関する配置及び／或は位置を決定する装置の作動方法。
2. 前記測定装置が、
   自由パラメータに設定された値から、前記対象物及び前記受信器の双方の座標系における前記信号源の配置及び／或は配向を算定し、
   前記信号源の既知の配置を用いることによって、前記受信器に対する前記対象物の配置及び／或は配向を算定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定装置が、
   個々別々の信号源を決定するために、
   特に各信号に対して見積もりが為されるべき信号と受信器によって受信される信号との積を生成し、
   所定時間Ｔにわたって前記積を積分して、前記信号源によって送信された前記測定振幅に対する予備結果を獲得し、
   前記予備結果と、それぞれ異なる複数の信号源から送信された信号間の相関を表現する量である修正係数との積を生成して、特に各信号に対する前記受信信号の振幅を獲得することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記測定装置が、
   見積もりが為されるべき前記信号、それぞれ異なる複数の信号源から送信された信号間の相関を表現する量である前記修正係数、並びに、前記受信信号の積を生成し、
   所定時間Ｔにわたって前記積を積分して、前記信号源によって送信された前記信号の前記測定振幅に対する測定結果を獲得することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記測定装置が、
   見積もりが為されるべき前記信号と前記の選択された係数との信号積を生成し、
   前記受信信号の積と前記受信信号との積を生成し、
   獲得された信号積と前記受信信号との積を生成し、
   所定時間Ｔにわたって前記積を積分して、前記信号源によって送信された前記信号の前記測定振幅に対する予備結果を獲得し、
   前記予備測定結果と、それぞれ異なる複数の信号源から送信された信号間の相関と選択された係数の効果とを表現する量である修正係数との積を生成して、特に各信号に対する前記受信信号の振幅を獲得することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. 前記積がウィンドウ関数ｗによって強められることを特徴とする、請求項１乃至５の内の何れか一項に記載の方法。
7. 前記信号源から正弦形態で信号が送信され、
   前記測定装置が、前記算定において、見積もりが為された信号として、前記の送信され信号と殆ど同一の信号を用いることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記測定装置が、前記算定において、前記の見積もりが為された信号に対して異なる位相を有する前記の送信された信号と同一周波数である第２の信号を用いることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記測定装置が、前記受信器によって有用な信号を受信し、
   前記信号源によって前記有用な信号からの前記送信信号を濾過することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記測定装置が、前記対象物の運動を見積もるために所定の仕方で移動対象物に結着された前記信号源の前記信号に対応する信号を見積もることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記測定装置が、一時的に部分的に重なり合う測定時間間隔を繰り返すことによって前記対象物の相対的な配置を決定するために、前記対象物の配置及び／或は配向の決定を繰り返すことを特徴とする、請求項１乃至６の内の何れか一項に記載の方法。
12. 前記測定装置が、前記の見積もりが為された信号として干渉性の種々の既知信号源の各種信号形態を用いることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
13. 前記測定装置が、前記の獲得された振幅から前記信号源へフィードバックを生成し、そのフィードバックによって前記信号源の伝送パワーを制御することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 前記測定装置が、
    前記測定信号から算定された前記信号を減算し、
    残りの信号によって前記測定結果を明示することを特徴とする、請求項１乃至１３の内の何れか一項に記載の方法。
15. 前記測定装置が、
    前記信号源の信号や干渉性の既知信号源の信号とは異なる１つ或はそれ以上の信号を見積もり、
    前記の獲得された測定結果に基づき配置結果を明示することを特徴とする、請求項１乃至１４の内の何れか一項に記載の方法。