JP5160087B2 - 磁気センサアレイ - Google Patents
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Description
ジェイソン・ティー・シャーマン等(Jason T. Sherman et al. )により2005年12月30日に出願された米国実用特許出願(願番は未付与、発明の名称はコンピュータ支援整形外科手術システムを用いて患者の骨を登録するシステムおよび方法(SYSTEM AND METHOD FOR REGISTERING A BONE OF A PATIENT WITH A COMPUTER ASSISTED ORTHOPAEDIC SURGERY SYSYTEM) )、ジェイソン・ティー・シャーマン等により2005年12月30日に出願された米国実用特許出願(願番は未付与、発明の名称はコンピュータ支援整形外科手術システムを用いて患者の骨を登録する装置および方法(APPARATUS METHOD FOR REGISTERING A BONE OF A PATIENT WITH A COMPUTER ASSISTED ORTHOPAEDIC SURGERY SYSYTEM))およびジェイソン・ティー・シャーマン等により2005年12月30日に出願された米国実用特許出願(願番は未付与、発明の名称は磁気源の位置測定方法(METHOD FOR DETERMINING A POSITION OF A MAGNETIC SOURCE))を相互参照されたい。参照することによって、これら全体を本明細書に組み入れる。
本発明は、一般に整形外科手技の実施において用いられるコンピュータ支援手術システムに関する。
低侵襲整形外科手技がますます普及している。かかる手術手技は一般に、外科医が手術野を見る能力を制限するので、外科医は、外科手術を助けるコンピュータシステム、例えば、コンピュータ支援整形外科手術(CAOS)システムをますます利用している。
一態様によれば、コンピュータ支援整形外科手術システムを作動させる方法は、患者の骨に結合された磁気源の位置を突き止めるステップを含む。磁気源の位置を磁気源により生じた磁界に基づいて突き止めることができる。磁気源の位置を突き止めるステップは、磁界を検出するステップを含むのがよい。例えば、磁気源の位置を突き止めるステップは、三次元磁束密度またはその一部を検出するステップを含むのがよい。磁気源は、1つまたは2つ以上の磁石を含むのがよい。例えば、磁気源は、円筒形双極磁石を含むのがよい。磁気源を骨の中に植え込むことにより磁気源を骨に結合するのがよい。ジグを用いて磁気源を植え込むのがよい。磁気源が2つまたは3つ以上の磁石を含む実施形態では、磁石を互いに対して任意の向きに植え込むのがよい。例えば、磁石を互いに垂直に植え込むのがよい。加うるに、磁石を個々の磁界が互いに実質的に干渉し合わないように互いに距離を離して植え込むのがよい。例えば、磁気センサまたは磁気センサの集合体、例えば磁気センサアレイの最大検出距離の2倍以上離して、磁石を植え込むのがよい。
本発明の技術的思想は、種々の改造および変形形態で実施できるが、本発明の具体的な例示の実施形態が、図面に例示的に示されており、本明細書においてこれら例示の実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明の技術的思想を開示した特定の形態に限定しようとするものではなく、これとは逆に、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲に属する全ての改造例、均等例および変形例を含むものである。
nは、測定された磁束密度成分の個数であり、
Bthは、所与のセンサ位置のところにおける磁石450のi番目の磁束密度成分の理論的大きさであり、
Bmeは、所与の位置における磁石450のi番目の磁束密度成分の測定された大きさであり、
wiは、i番目の磁束密度成分に関する重み係数である。
重み係数wiを用いると、或る特定の磁気センサ350の効果を強調しまたは最小限に抑えることができる。例えば、幾つかの実施形態では、センサボード370の中心寄りに位置決めされた磁気センサ350に、センサボード370の周囲寄りに位置決めされた磁気センサ350よりも高い重み係数を与えるのがよい。特定の一実施形態では、重み係数wiは、標準化された重み係数である(即ち、0という値と1という値の範囲内にある)。加うるに、他の重み方式を用いてもよい。例えば、各重み係数wiは、i番目の磁束密度成分を測定する特定の磁気センサ350の磁界感度に基づくものであるのがよい。変形例として、重み係数wiは、各磁気センサ350に関してサンプルの所定の個数の平均で除算した標準偏差に基づくものであってもよい。他の実施形態では、重み係数wiを用いて飽和状態にありまたは磁気センサ350のノイズフロアを下回っているセンサを選択的に無視することができる。さらに、これら重み方式の組み合わせを幾つかの実施形態において使用できる。
本発明の具体的な実施態様は、次の通りである。
(A1)磁気源により生じた磁界を測定する磁気センサアレイにおいて、
基板と、
中央の場所で前記基板に固定された第1の三次元磁気センサと、
各々が前記第1の三次元磁気センサから第1の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第2の三次元磁気センサと、
各々が前記第1の磁気センサから第2の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第1の一次元磁気センサと、を有し、
前記第2の距離は、前記第1の距離よりも長い、磁気センサアレイ。
(A2)実施態様(A1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の一次元磁気センサは各々、空間中の一点のところの前記磁界の三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(A3)実施態様(A2)記載の磁気センサアレイにおいて、
各々が前記第1の磁気センサから第3の距離を置いたところで前記基板に固定されていて、空間中の一点のところの前記磁界の三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成された複数個の第2の一次元磁気センサを更に有し、
前記第3の距離は、前記第2の距離よりも長い、磁気センサアレイ。
(A4)実施態様(A3)記載の磁気センサアレイにおいて、
各々が前記第1の磁気センサから第4の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第3の一次元磁気センサを更に有し、前記複数個の第3の一次元磁気センサのうち第1の数のものは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、前記複数個の第3の一次元磁気センサのうちの第2の数のものは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成され、前記第4の距離は、前記第3の距離よりも長い、磁気センサアレイ。
(A5)実施態様(A4)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサは各々、前記第3の磁気センサ、第4の磁気センサ、および第5の磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、磁気センサアレイ。
(A6)実施態様(A1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記複数個の第1の一次元磁気センサのうち第1の数のものは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、前記複数個の第3の磁気センサのうちの第2の数のものは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(A7)実施態様(A1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の三次元磁気センサは、前記第1の一次元磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、磁気センサアレイ。
(A8)実施態様(A7)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第2の三次元磁気センサは各々、前記第1の一次元磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、磁気センサアレイ。
(A9)実施態様(A1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記基板は、FR4材料で作られている、磁気センサアレイ。
前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第3の一次元磁気センサの各々に電気的に結合された処理回路を更に有する、磁気センサアレイ。
(A11)実施態様(A10)記載の磁気センサアレイにおいて、
センサボードから間隔を置いて設けられていて、前記処理回路に電気的に結合された第3の三次元磁気センサを更に有する、磁気センサアレイ。
(A12)実施態様(A11)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第3の三次元磁気センサは、少なくとも1つの環境磁界を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(A13)実施態様(A11)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記処理回路は、前記第3の三次元磁気センサの出力に基づいて、前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうち少なくとも1つの出力信号を補償するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(A14)実施態様(A11)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記処理回路は、前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうちの少なくとも1つにより生じたオフセット電圧に基づいて前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうちの少なくとも1つの出力信号を補償するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(A15)実施態様(A1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記複数個の第2の三次元磁気センサおよび前記複数個の第1の一次元磁気センサは、前記第1の三次元磁気センサの周りに円周方向に間隔を置いて設けられている、磁気センサアレイ。
前記磁界は、空間中の複数の点のところの三次元磁束密度により定められ、前記装置は、
ハウジングと、
前記ハウジングに結合された基板と、
前記基板に結合されていて、かつ、空間中の一点のところの前記三次元磁束密度のX成分、Y成分、およびZ成分を測定するよう構成されている第1の三次元磁気センサと、
前記第1の三次元磁気センサから第1の距離を置いたところで前記基板に結合されていて、各々が空間中の一点のところの前記三次元磁束密度のX成分、Y成分、およびZ成分を測定するよう構成された複数個の第2の三次元磁気センサと、
前記第1の三次元磁気センサから前記第1の距離よりも長い第2の距離を置いたところで前記基板に結合されていて、各々が空間中の一点のところの前記三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成された複数個の第1の一次元磁気センサと、
前記第1の三次元磁気センサから前記第2の距離よりも長い第3の距離を置いたところで前記基板に結合されていて、各々が空間中の一点のところの前記三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成された複数個の第2の一次元磁気センサと、
前記第1の三次元磁気センサから前記第3の距離よりも長い第4の距離を置いたところで前記基板に結合された複数個の第3の一次元磁気センサであって、前記複数個の第3の一次元磁気センサのうちの第1の数のものは、空間中の一点のところの前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、前記複数個の第3の一次元磁気センサのうちの第2の数のものは、空間中の一点のところの前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成されている、前記複数個の第3の一次元磁気センサと、を有する装置。
(A17)実施態様(A16)記載の装置において、
前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、前記第1の一次元磁気センサ、および前記第2の一次元磁気センサは各々、前記基板の頂面に結合されている、装置。
(A18)実施態様(A17)記載の装置において、
前記複数個の第3の一次元磁気センサは各々、前記基板の前記頂面に実質的に垂直に位置決めされている、装置。
(A19)実施態様(A16)記載の装置において、
(i)前記第1および前記第2の三次元磁気センサの各々の磁界感度は、前記第1の一次元磁気センサ、前記第2の一次元磁気センサ、および前記第3の一次元磁気センサの各々の磁界感度よりも低く、(ii)前記第1の三次元磁気センサおよび前記第2の三次元磁気センサの各々の検出範囲は、前記第1の一次元磁気センサ、前記第2の一次元磁気センサ、および前記第3の一次元磁気センサの各々の検出範囲よりも狭い、装置。
前記磁気センサアレイは、各々が基板の中心点から第1の距離を置いたところで前記基板に固定された第1の数の磁気センサと、各々前記中心点から前記第1の距離よりも長い第2の距離を置いたところで前記基板に固定された第2の数の磁気センサと、を有し、
前記第1の数の磁気センサの各々の磁界感度は、前記第2の数の磁気センサの各々の磁界感度よりも低く、前記第1の数の磁気センサの各々の検出範囲は、前記第2の数の磁気センサの各々の検出範囲よりも広い、磁気センサアレイ。
基板と、
前記基板に中央の場所で固定された第1の三次元磁気センサと、
各々が前記第1の三次元磁気センサから第1の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第2の三次元磁気センサと、
各々が前記第1の磁気センサから第2の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第1の一次元磁気センサと、
を有し、
前記第2の距離は、前記第1の距離よりも長い、
磁気センサアレイ。
(B2)実施態様(B1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の一次元磁気センサは各々、空間中の一点のところの前記磁界の三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(B3)実施態様(B2)記載の磁気センサアレイにおいて、
各々が前記第1の磁気センサから第3の距離を置いたところで前記基板に固定されていて、空間中の一点のところの前記磁界の三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成された複数個の第2の一次元磁気センサであって、前記第3の距離が、前記第2の距離より長い、複数個の第2の一次元磁気センサと、
各々が前記第1の磁気センサから第4の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第3の一次元磁気センサと、
を更に有し、
前記複数個の第3の一次元磁気センサのうち第1の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、
前記複数個の第3の一次元磁気センサのうちの第2の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成され、
前記第4の距離は、前記第3の距離よりも長く、
前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサは各々、前記第3の磁気センサ、第4の磁気センサおよび第5の磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、
磁気センサアレイ。
(B4)実施態様(B1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記複数個の第1の一次元磁気センサのうち第1の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、
前記複数個の第3の磁気センサのうちの第2の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成されている、
磁気センサアレイ。
(B5)実施態様(B1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の三次元磁気センサは、前記第1の一次元磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、磁気センサアレイ。
(B6)実施態様(B1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記基板は、FR4材料で作られている、磁気センサアレイ。
(B7)実施態様(B1)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第3の一次元磁気センサの各々に電気的に結合された処理回路、
を更に有する、磁気センサアレイ。
(B8)実施態様(B1)記載の磁気センサアレイにおいて、
センサボードから間隔を置いて設けられていて、前記処理回路に電気的に結合された、第3の三次元磁気センサ、
を更に有する、磁気センサアレイ。
(B9)実施態様(B8)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第3の三次元磁気センサは、少なくとも1つの環境磁界を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。
(B10)実施態様(B8)記載の磁気センサアレイにおいて、
前記処理回路は、前記第3の三次元磁気センサの出力か、または、前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうちの少なくとも1つにより生じたオフセット電圧かのいずれかに基づいて、前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうち少なくとも1つの出力信号を補償するよう構成されている、磁気センサアレイ。
Claims (9)
- 磁気源により生じた磁界を測定する磁気センサアレイにおいて、
基板と、
前記基板に中央の場所で固定された第1の三次元磁気センサと、
各々が前記第1の三次元磁気センサから第1の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第2の三次元磁気センサと、
各々が前記第1の三次元磁気センサから第2の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第1の一次元磁気センサと、
を有し、
前記第2の距離は、前記第1の距離よりも大きく、
前記第1の三次元磁気センサは、前記第1の一次元磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、
磁気センサアレイ。 - 請求項1記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の一次元磁気センサの各々は、空間中の一点のところの前記磁界の三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。 - 請求項2記載の磁気センサアレイにおいて、
各々が前記第1の三次元磁気センサから第3の距離を置いたところで前記基板に固定されていて、空間中の一点のところの前記磁界の三次元磁束密度のZ成分を測定するよう構成された複数個の第2の一次元磁気センサであって、前記第3の距離が、前記第2の距離より大きい、複数個の第2の一次元磁気センサと、
各々が前記第1の三次元磁気センサから第4の距離を置いたところで前記基板に固定された複数個の第3の一次元磁気センサと、
を更に有し、
前記複数個の第3の一次元磁気センサのうち第1の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、
前記複数個の第3の一次元磁気センサのうちの第2の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成され、
前記第4の距離は、前記第3の距離よりも大きく、
前記第1の三次元磁気センサおよび前記第2の三次元磁気センサは各々、前記第1、第2、第3の一次元磁気センサの各々よりも、低い磁界感度および広い検出範囲を有する、
磁気センサアレイ。 - 請求項3記載の磁気センサアレイにおいて、
前記複数個の第3の一次元磁気センサのうち第1の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のX成分を測定するよう構成され、
前記複数個の第3の一次元磁気センサのうちの第2の番号のセンサは、空間中の一点のところの前記磁界の前記三次元磁束密度のY成分を測定するよう構成されている、
磁気センサアレイ。 - 請求項1記載の磁気センサアレイにおいて、
前記基板は、FR4材料で作られている、磁気センサアレイ。 - 請求項1記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサの各々に電気的に結合された処理回路、
を更に有する、磁気センサアレイ。 - 請求項6記載の磁気センサアレイにおいて、
前記基板から間隔を置いて設けられていて、前記処理回路に電気的に結合された、第3の三次元磁気センサ、
を更に有する、磁気センサアレイ。 - 請求項7記載の磁気センサアレイにおいて、
前記第3の三次元磁気センサは、少なくとも1つの環境磁界を測定するよう構成されている、磁気センサアレイ。 - 請求項7記載の磁気センサアレイにおいて、
前記処理回路は、前記第3の三次元磁気センサの出力か、または、前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうちの少なくとも1つにより生じたオフセット電圧かのいずれかに基づいて、前記第1の三次元磁気センサ、前記第2の三次元磁気センサ、および前記第1の一次元磁気センサのうち少なくとも1つの出力信号を補償するよう構成されている、磁気センサアレイ。
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