JP6256962B1 - 磁気式の方位・位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】患者の全身を収容できる広さの空間において３次元磁界を発生し、その中に磁界センサを内蔵したモーションデバイスの方位と位置を、十分広い３次元空間において、２０μｍ以下の空間分解能と０．２度以下の方位分解能ならびに位置誤差１００μｍ以下、方位誤差１度以下を実現する磁気式の方位・位置測定装置を開発することである。【解決手段】一様磁界と傾斜磁界を所定の３次元空間内に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って磁界を発生することができる３次元磁界発生装置、磁界の強度を測定する一軸の磁界センサおよび磁界センサの３次元空間内における位置と方位を算出する演算装置からなる磁気式の方位・一測定装置を提供する。【選択図】図６

Description

本発明は、人工的に発生させた３次元磁界空間内において、磁界センサを内蔵したモーションデバイスの位置と方位を求める磁気式の方位・位置測定装置に関するものである。

医療分野の高度化に伴い、胃カメラ、カテーテル、血管内視鏡など生体内モーションデバイスの普及が進んでいるが、その位置や方位を把握する必要が高まっている。デバイス側に磁石または電磁石を内蔵して、その位置や方位を外部に磁界センサで測定する方法（特許文献１）や、デバイス側の一軸の磁界センサと位置が特定されている２点に設置された２個の磁界センサおよび外部の磁界発生装置とを組み合わせた方式（特許文献２）および３つの外部磁界発生装置とガイド先端に内蔵した磁界センサを組み合わせた方式（特許文献３）などの方法が研究されている。

カテーテル先端部はセンサ内蔵のためのスペースは直径０．２ｍｍ、長さ０．５ｍｍ以下と非常に小さい。先端部に設置可能な磁石または磁界センサが小さくなるほど位置の測定精度が低下することになる。また対象となる３次元空間が広いほど磁界センサに位置の測定精度が低下する。磁界センサのサイズ、測定対象の空間の広さと位置決め精度とは背反関係にあるため、カテーテル先端部の位置を精度よく計測することは困難な課題である。
そのため、空間分解能を２０μｍ以下、方位分解能０．２度以下、ならびに位置誤差１００μｍ以下、方位誤差１度以下を実現するには至っていない。

特開２００３―１１７００４公報 特開２０１０―１７９１１６公報 特開２０１５―１３４１６６公報 特許第５８３９５２７号公報

患者の全身を収容できる広さの空間において３次元磁界を発生し、その中に磁界センサを内蔵したモーションデバイスの方位と位置を、十分広い３次元空間において、２０μｍ以下の空間分解能と０．２度以下の方位分解能ならびに位置誤差１００μｍ以下、方位誤差１度以下を実現する磁気式の方位・位置測定装置を開発することである。

本発明者らは、本明細書に援用する日本特許第５８３９５２７号（特許文献４）の超高感度マイクロ磁気センサであるＧＳＲセンサを採用して、モーションデバイスの所定の位置に設置した一軸のＧＳＲセンサと外部の３次元の一様磁界と傾斜磁界を発生することができる３次元磁界発生装置とを組み合わせることによって、上記課題を解決することができることを見出した。
３次元磁界発生装置は、傾斜磁界を発生させるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸向き傾斜磁界を発生させる3対のコイルとＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸向きに一様磁界を発生する３対のコイルを組み合わせたものを用いることができる。または傾斜磁界発生装置に流す電流の向きを反転することで一様磁界を発生させ、その向きの一様磁界を発生させる一様磁界コイル対を省略することもできる。さらに傾斜磁界発生コイル対および一様磁界発生のためのコイル対のコイル構造は適宜選択することができる。

本発明の測定原理は、３次元磁界発生装置でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸向きのコイルの順に各軸向きの基準の一様磁界を発生し、一軸磁界センサで順次その一様磁界を測定して測定値ｈｘ、ｈｙ、ｈｚを得る。磁界センサの各軸に対する方向余弦はｈｘ=ｃｏｓθ、ｈｙ=ｃｏｓη、ｈｚ=ｃｏｓφとなる。また方位ベクトルと方向余弦から方位角度θ、η、φを求めることができる。その値から３次元空間（Ｏ−ＸＹＺ空間）内における方位ベクトルｎ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）を決定する。
ここでＸ軸向きコイルとは、Ｘ軸方向に一様磁界を与えることができるコイル対を指す。

次に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸向きに配置した３対のコイルを持つ３次元磁界発生装置でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸向きのコイルの順に傾斜磁界を発生する。
Ｘ軸向きコイルは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に所定の比率の傾斜勾配を持つ傾斜磁界を発生させる。マックスウェルコイル対の場合、Ｘ軸の傾斜勾配を１とすると、Ｙ軸、Ｚ軸のそれは−０．５となる。また平行四線型コイル対の場合、Ｘ軸向きのコイル対を２つＹ軸方向もしくはＺ軸方向に並べて４つのコイルで一組のコイル対とし、内側に４本の線電流がＹ軸方向もしくはＺ軸方向に流れるように配置したものであり、４本の線電流がＹ軸方向に流れるように配置した場合にはＸ軸、Ｚ軸のみに傾斜磁界が発生し、４本の線電流がＺ軸方向に流れるように配置した場合にはＸ軸、Ｙ軸のみに傾斜磁界が発生する。この時Ｘ軸の傾斜勾配とＺ軸もしくはＹ軸の傾斜勾配は等しい。
本発明において傾斜磁界発生装置の構造としては目的に応じて適宜選択するものとする。

それらの傾斜磁界強度を一軸磁界センサで順次測定し、測定値 ｍＨｘ、ｍＨｙ、ｍＨｚを得る。これらの測定値は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の傾斜磁界を１軸センサにより検知したものである。つまり、Ｘ軸向きコイルによる傾斜磁界（Ｈｘｘ，Ｈｘｙ，Ｈｘｚ）、Ｙ軸向きコイルによる傾斜磁界（Ｈｙｘ，Ｈｙｙ，Ｈｙｚ）、Ｚ軸向きコイルによる傾斜磁界（Ｈｚｘ，Ｈｚｙ，Ｈｚｚ）を発生させたとき、１軸センサの方位を考慮して次の連立方程式（１）が立てられる。
ｍＨｘ＝ｃｏｓθＨｘｘ＋ｃｏｓηＨｘｙ＋ｃｏｓφＨｘｚ
ｍＨｙ＝ｃｏｓθＨｙｘ＋ｃｏｓηＨｙｙ＋ｃｏｓφＨｙｚ
ｍＨｚ＝ｃｏｓθＨｚｘ＋ｃｏｓηＨｚｙ＋ｃｏｓφＨｚｚ

Ｚ軸のみ平行四線型コイルで４本の線電流をＹ軸方向に流し、Ｘ軸とＹ軸はマクスウェルコイル対を採用した場合、Ｘ軸コイル、Ｙ軸コイル、Ｚ軸コイルと順次傾斜磁界を発生させ、Ｘ軸コイルによる傾斜勾配をａｘ、Ｙ軸コイルによる傾斜勾配をａｙ、Ｚ軸コイルによる傾斜勾配をａｚとすると、磁界センサの位置Ｒ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）として次の９個の式が成り立つ。
Ｈｘｘ＝ａＸ、Ｈｘｙ＝−０．５ａＹ、Ｈｘｚ＝−０．５ａＺ、
Ｈｙｘ＝−０．５ａＸ、Ｈｙｙ＝ａＹ、Ｈｙｚ＝−０．５ａＺ、
Ｈｚｘ＝ａＺ、Ｈｚｙ＝０、Ｈｚｚ＝ａＸとなる。
上式を式（１）に代入すると次の連立方程式（２）となる。
ｍＨｘ＝ａｘ（ｃｏｓθ・Ｘ−０．５ｃｏｓη・Ｙ−０．５ｃｏｓφ・Ｚ）
ｍＨｙ＝ａｙ（−０．５ｃｏｓθ・Ｘ＋ｃｏｓη・Ｙ−０．５ｃｏｓφ・Ｚ）
ｍＨｚ＝ａｚ（ｃｏｓθ・Ｚ＋ｃｏｓφ・Ｘ）
３対のコイルすべて平行四線型コイルを採用した場合、Ｘ軸コイルで４本の線電流がＺ軸方向、Ｙ軸コイルで４本の線電流がＸ軸方向、Ｚ軸コイルで４本の線電流がＹ軸方向とすると次の連立方程式（３）となる。
ｍＨｘ＝ａｘ（Ｘ・ｃｏｓη＋Ｙ・ｃｏｓθ）
ｍＨｙ＝ａｙ（Ｙ・ｃｏｓφ＋Ｚ・ｃｏｓη）
ｍＨｚ＝ａｚ（Ｚ・ｃｏｓθ＋Ｘ・ｃｏｓφ）
式（２）、（３）から、磁界センサの位置Ｒ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を計算することができる。

特異点の処理については、すなわち各軸の方向余弦であるｈｘ＝ｃｏｓθ、ｈｙ＝ｃｏｓη、ｈｚ＝ｃｏｓφのうちある軸の方向余弦がゼロとなった場合、３次元磁界発生装置を方向余弦がゼロの値となった軸と最も大きな値を持つ特定軸とが作る面に対して垂直である残りの軸を回転軸として所定の角度だけ発生磁界空間を回転させると、各軸に対する方向余弦の値がゼロとならないようにすることができて、特異点を取り除くことができる。

たとえば、Ｈｘ＝０の場合にはＸ軸とＹ軸またはＺ軸のうち大きな方向余弦を持つ軸の両軸に垂直な軸を回転軸にして所定の角度を回転させる。回転後の磁界空間座標系において、方位ベクトルｎ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）と位置Ｒ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める。その後座標回転の式から、本来の座標系での位置と方位を求める。

なお、地磁気、鉄製の機械装置、鉄筋の建物などから与えられる外部磁界が存在する場合、３次元磁界発生装置でそれらの外部磁界をキャンセルして、測定開始前における前記３次元空間の磁界をゼロに維持することによって、磁界センサの座標系における方向ベクトル座標位置を精度よく測定することができる。

以上の操作を短時間で連続的に行なうために、磁界の与え方を工夫することが好ましい。 例えば、各軸のコイルに通電するタイミングを、まず一様磁界を各軸５ｍ秒ほど発生させ、つぎに傾斜磁界を各軸５ｍ秒発生させて、これを繰り返すと、３０ｍ秒で1回の測定が可能となり、１秒間に３３回の測定が可能となる。

また、各軸のコイルにパルスＤＣ電流を０．１ｍ秒流して順次切り替えていくとすると、０．６ｍ秒で１回の測定が可能となる。さらに各軸のコイルにＤＣ電流とＡＣ電流を重ねて流し、ＡＣ電流の値から方位を計算し、ＤＣ電流の値から傾斜磁界を測定しセンサの位置を算出してもよい。これらの工夫は本発明の計算をより効率的に行うものにすぎない。

３次元磁界発生装置のコイルの大きさについては、患者の患部の大きさや部位を考慮して、直径５０ｃｍから３ｍ程度が好ましい。一様磁界の３次元空間の広さは、直径の１０％程度である。直径１ｍならば、１０ｃｍ程度である。治療対象の患部が大きい場合、測定エリアを拡大する必要がある。このような場合、３次元磁界発生装置または患者を乗せたベッドを各軸に沿って±５ｃｍ程度で移動を可能にしておくことが好ましい。
傾斜磁界の強度は原点から５ｃｍ〜１０ｃｍの位置で１Ｇ〜１０Ｇ程度で、傾斜度は０．０２ｍＧ／１μｍ〜０．２ｍＧ／１μｍ程度であることが好ましい。

一軸の磁界センサには、ＧＳＲセンサ素子と電子回路ＡＳＩＣとを一体にしたＧＳＲセンサを採用する。その大きさは、カテーテルなどモーションデバイスに内蔵できるサイズとする。カテーテルの場合、幅０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さ０．３ｍｍ〜１．５ｍｍと小型のサイズが好ましい。ＧＳＲセンサは一軸素子を設置するだけなので、感磁体である磁性ワイヤの長さを０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとすることができる。コイルピッチを２μｍ〜５μｍとすると感度は４０ｍＶ／Ｇから１０００ｍＶ/Ｇへ、磁界感度の分解能を０．０５ｍＧ／ビットから１ｍＧ／ビットへと非常に高感度の磁界センサを採用することができる。

また、ＡＳＩＣはＡＤ変換後のデジタル信号を外部の演算装置に転送してそこで所定のプログラムによって方位・位置の算出を行う。

カテーテル先端部に上記ＧＳＲセンサを取り付けることによって、十分な３次元空間の広さ（直径１０ｃｍの球体）と位置・方位の分解能と精度（２０μｍ以下の空間分解能と０．２度以下の方位分解能ならびに位置誤差１００μｍ以下、方位誤差１度以下）それらの両特性を同時に兼ね備えることができる。

一様磁界と傾斜磁界を発生する３次元の磁界発生装置と一軸磁界センサを組み合わせることにより、生体内モーションデバイスの生体内位置と方位を高精度で算出することが可能となる。

ＧＳＲセンサの概略図である。 電子回路図である。 ＧＳＲセンサを内蔵するカテーテルの概略図である。 ３軸が平行四線型コイルからなる３次元磁界発生装置の構成概要図である。 １軸が平行四線型コイルからなる３次元磁界発生装置の構成概要図である。 傾斜磁界を形成するコイルと一様磁界を形成するヘルムホルツコイルからなる３次元磁界発生装置の構成概要図である。 磁気式の方位・位置測定装置の概念図である。

本発明の実施形態は次の通りである。
本発明の磁気式の方位・位置測定装置は、一様磁界と傾斜磁界を所定の３次元空間内に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って磁界を発生することができる３次元磁界発生装置、磁界の強度を測定する一軸の磁界センサおよび磁界センサの３次元空間内における位置と方位を算出する演算装置からなる。

また、本発明の磁気式の方位・位置測定装置は、３次元磁界発生装置はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の少なくとも１つの軸は平行四線型コイルからなる。

また、本発明の磁気式の方位・位置測定装置は、３次元磁界発生装置は傾斜磁界を形成するコイルと一様磁界を形成するヘルムホルツコイルの二つのタイプのコイルからなる。

また、本発明の磁気式の方位・位置測定装置は、３次元磁界発生装置を用いて基準となる一様磁界を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と順次に発生させて、その値を磁界センサで計測し、それらの３つの測定値から磁界センサの３次元空間（Ｏ−ＸＹＺ空間）内における方位ベクトルと磁界センサの各軸に対する方向余弦を求める。
次に、方位に磁界センサの方位を保持した状態で、傾斜磁界をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と順次に発生させて、所定の位置にある磁界センサでその値を計測し、それらの３つの測定値および磁界センサの各軸に対する方向余弦から磁界センサの所定の位置を求める。

また、本発明の方位・位置測定装置は、磁界センサを使って３次元空間内における磁界分布強度を１ｍＧ以下の分解能で測定し、測定値をデジタル変換して外部の演算装置に転送し、そこで磁界センサの３次元空間内における位置を２０μｍ以下の空間分解能で測定し、１００μｍ以下の精度で、かつ３次元空間内の方位を方位分解能０．２度以下測定し、１度以下の精度で算出する。

また、本発明の磁気式の方位・位置測定装置は、外部磁界を３次元磁界発生装置でキャンセルして測定開始前における３次元空間の外部磁界をゼロに維持することができる。

また、本発明の磁気式の方位・位置測定装置は、ある軸の方向余弦がゼロとなった場合、最も大きな値を持つ特定軸と方向余弦がゼロの値となった軸とが作る面に対して垂直である残りの軸を回転軸として所定の角度だけ発生磁界空間を回転させて、各軸に対する方向余弦の値がゼロとならないようにする。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。
カテーテル３の先端に取り付ける磁界センサ（図１および図３）としてＧＳＲセンサ３１（１）の大きさは、幅０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ〜０．１０ｍｍ、長さ０．４ｍｍ〜１．０ｍｍである。１軸のＧＳＲ素子１１とＡＳＩＣ１２とを一体化したもので、測定値はデジタル信号に変換され２本のケーブル３２（１３）によって外部の演算装置に転送され、そこで位置と方位の値に変換される。
ＧＳＲセンサの性能は、感度は４０ｍＶ／Ｇ〜１０００ｍＶ/Ｇ、標準誤差１ｍＧ以下、分解能は１６ビットで、０．０５ｍＧ／ビット〜１ｍＧ／ビットである。

電子回路２は、図２に示すように、援用する特許文献４に記載の電子回路と同じ回路を採用する。磁性ワイヤに通電するパルス電流の換算周波数は０．２ＧＨｚ〜４ＧＨｚ、パルス電流の強度は磁性ワイヤ表面に異方性磁界の１．５倍以上の円周方向磁界を発生させるのに必要な強度とする。
パルス通電時に発生するコイル電圧は、パルス対応型バッファー回路を介してサンプルホールド回路に送られる。コイルの巻き数Ｎｃが小さい場合には、直接サンプルホールド回路に送ることも可能である。

３次元磁界発生装置４は、図４〜６に示すように、各軸方向にコイル対を配置し、おおよそ立方体形状で、その大きさは1辺５０ｃｍ〜３ｍである。一様磁界が発生する空間の広さは、立方体の中心を原点にして±２．５ｃｍ〜±１５ｃｍである。傾斜磁界は原点から５ｃｍ〜１０ｃｍの位置で１Ｇ〜１０Ｇ程度で、傾斜度は０．０５ｍＧ／１μｍ〜１ｍＧ／１μｍ程度である。

３次元磁界発生装置４は、傾斜磁界を形成するコイルには平行四線型コイルを少なくとも一軸に配置する。図４に示す３次元磁界発生装置４は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸全てが平行四線型コイルを配置している。Ｘ軸の１つの面（図にて手前の面）に４１ａ、４１ｂの２つのコイルを配置し、他の面（図では省略されている面）に２つのコイルを配置して平行に４本のコイルが配置されている。次に、Ｙ軸は１つの面（図にて右側の面）に４２ａ、４２ｂの２つのコイルを配置し、他の面（図では省略されている左側の面）に２つのコイルを配置して平行に４本のコイルが配置されている。そして、Ｚ軸も同様に1つの面（上面）に４３ａ、４３ｂの２つのコイルを配置し、他の面（図では省略されている下側の面）に２つのコイルを配置して平行に４本のコイルが配置されている。

Ｘ軸の面（手前の面）に配置されたコイル対は、電流をコイル４１ａとコイル４１ｂに同一方向に流した時、Ｚ軸方向の一様磁界が発生する。逆に電流を反対方向に流した時には、Ｙ軸とＺ軸の両方に同じ勾配の傾斜磁界が発生する。

次に、図５に示す３次元磁界発生装置４は、図４におけるＸ軸コイルの一軸のみを平行四線型コイルを配置したものである。他の二軸は、通常のコイル対を、Ｙ軸コイルは手前の面に配置し、Ｚ軸コイルは上下面に配置したものである。

いずれのコイル対も、同一方向向きに電流を流すと一様磁界が発生し、反対向きに電流を流すと傾斜磁界が発生する。

また、図６に示す３次元磁界検出装置４は、傾斜磁界を形成する平行四線型コイルの3組コイル対と一様磁界を形成するヘルムホルツコイルの３組コイル対を備えている。 一様磁界発生コイルを独立させることで、一様磁界の精度の向上を図ること、つまり一軸磁気センサの方位精度を高めることができて、センサの位置決め精度を改善することが容易となる。

磁気式の方位・位置測定装置の概念図を図７に示し、測定方法を以下に説明する。
方位・位置測定装置は、コイル５１、電源５２、制御装置５３、演算装置（Ｈｏｓｔ ＣＰＵ）５４、表示装置５５およびＧＳＲセンサ５６から構成される。
３次元一様磁界を、制御装置５３でコイル５１Ｘ１、５１Ｙ１，５１Ｚ１に流す電流を電源５２で順次切り替えて発生させる。つぎに傾斜磁界を制御装置５３でコイル５１Ｘ２、５１Ｙ２，５１Ｚ２に流す電流を電源５２で順次切り替えて発生させる。それをＧＳＲセンサ５６で磁界を測定し、演算装置に転送し、そこでセンサの方位と位置を測定値として求める。

方位計算は、順次測定した一様磁界を発生し、一軸磁界センサで順次Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸向きの基準の一様磁界を測定して測定値ｈｘ、ｈｙ、ｈｚから、磁界センサの各軸に対する方向余弦はｈｘ=ｃｏｓθ、ｈｙ=ｃｏｓη、ｈｚ=ｃｏｓφからもとめることができる。また方位ベクトルと方向余弦から方位角度θ、η、φを求めることができる。その値から３次元空間（Ｏ−ＸＹＺ空間）内における方位ベクトルｎ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）を決定する。

次に、位置計算は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のコイルで発生した傾斜磁界を一軸磁気センサで測定し、その時の測定値 ｍＨｘ、ｍＨｙ、ｍＨｚと測定した方向余弦から、下記の連立方程式を使って求めることができる。
Ｚ軸のみ平行四線型コイルで４本の線電流をＹ軸方向に流し、残りはマックスウェルコイル対を採用した場合、次の連立方程式で求めることができる。
ｍＨｘ＝ａｘ（ｃｏｓθ・Ｘ−０．５ｃｏｓη・Ｙ−０．５ｃｏｓφ・Ｚ）
ｍＨｙ＝ａｙ（−０．５ｃｏｓθ・Ｘ＋ｃｏｓη・Ｙ−０．５ｃｏｓφ・Ｚ）
ｍＨｚ＝ａｚ（ｃｏｓθ・Ｚ＋ｃｏｓφ・Ｘ）
３対のコイルすべて平行四線型コイルを採用した場合、Ｘ軸コイルで４本の線電流がＺ軸方向、Ｙ軸コイルで４本の線電流がＸ軸方向、Ｚ軸コイルで４本の線電流がＹ軸方向とすると、次の連立方程式で求めることができる。
ｍＨｘ＝ａｘ（Ｘ・ｃｏｓη＋Ｙ・ｃｏｓθ）
ｍＨｙ＝ａｙ（Ｙ・ｃｏｓφ＋Ｚ・ｃｏｓη）
ｍＨｚ＝ａｚ（Ｚ・ｃｏｓθ＋Ｘ・ｃｏｓφ）

方位と位置の測定は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に順次各軸のコイルに通電するタイミングを、まず一様磁界を各軸５ｍ秒ほど発生させ、つぎに傾斜磁界を各軸０．００５秒（以下、５ｍ秒と記す。）発生させて、これを繰り返すと、３０ｍ秒で1回の測定が可能となり、１秒間に３３回の測定が可能となる。
また測定をより高速で行うためには、０．１ｍ秒から０．３ｍ秒幅のパルスＤＣ電流を同一方向に流して一様磁界を発生させ、続いて逆方向に電流を流して傾斜磁界を発生させ、測定を０．６ｍ秒から１．８ｍ秒の間隔で繰り返すと１秒間に５６０回から１６００回程度の測定が可能となる。

特異点の処理については、すなわち各軸の方向余弦であるｈｘ＝ｃｏｓθ、ｈｙ＝ｃｏｓη、ｈｚ＝ｃｏｓφのうちある軸の方向余弦がゼロとなった場合、３次元磁界発生装置を方向余弦がゼロの値となった軸と最も大きな値を持つ特定軸とが作る面に対して垂直である残りの軸を回転軸として所定の角度だけ発生磁界空間を回転させると、各軸に対する方向余弦の値がゼロとならないようにすることができて、特異点を取り除くことができる。
たとえば、Ｈｘ＝０ならＸ軸とＹ軸またはＺ軸のうち大きな方向余弦を持つ軸の両軸に垂直な軸を回転軸に１５度から３０度ほど回転させる。回転後の磁界空間座標系において、方位ベクトルｎ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）と位置Ｒ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める。その後座標回転の式から、本来の座標系での位置と方位を求める。

地磁気、鉄製の機械装置、鉄筋の建物などから与えられる外部磁界が０．５Ｇから２Ｇ程度存在する場合、３次元磁界発生装置でそれらの外部磁界をキャンセルして、測定開始前における前記３次元空間の磁界を、０Ｇに維持することによって、磁界センサの座標系における方向ベクトル座標位置を精度よく測定することができる。

本実施形態によれば、３次元空間内における磁界分布強度を１ｍＧ（１００ｎＴ）以下の分解能で測定して、磁界センサの３次元空間内における位置を５０μｍ以下の精度で、かつ３次元空間の方位を１度以下の精度で測定することができる。
言い換えると、立方体形状の３次元磁界発生装置の原点を中心に、±５ｃｍ〜±１０ｃｍの広さの空間において、方位分解能は０．０５度〜０．２度、方位誤差は０．２度〜１度、位置分解能は０．４μｍ〜２０μｍ、位置誤差は、２０μｍ〜５０μｍ以下の性能を実現することができる。

本発明の実施例は次の通りである。
カテーテル３の先端に取り付けたＧＳＲセンサ１（３１）の大きさは、幅０．１５ｍｍ、厚み０．０７ｍｍ、長さ０．５ｍｍである。１軸のＧＳＲ素子１１とＡＳＩＣ１２とを一体化したもので、測定値はデジタル信号に変換され２本のケーブル１３によって外部の演算装置に転送され、そこで位置と方位の値に変換される。
ＧＳＲセンサの性能は、感度は５００ｍＶ／Ｇ、標準偏差σは０．１ｍＧ、分解能は１６ビットで、０．１ｍＧ／ビットである。

電子回路２は、援用する特許文献４に記載の電子回路と同じ回路を採用する（図２）。磁性ワイヤに通電するパルス電流の換算周波数は１．３ＧＨｚ、パルス電流の強度は磁性ワイヤ表面に異方性磁界の１．５倍以上の円周方向磁界を発生させるのに必要な強度とする。
パルス通電時に発生するコイル電圧は、パルス対応型バッファー回路を介してサンプルホールド回路に送られる。

３次元の磁界発生装置４は図６に示す構造で、立方体形状の大きさは一辺１．５ｍである。一様磁界が発生する空間の広さは、立方体の中心を原点にして±１０ｃｍである。傾斜磁界は原点から１０ｃｍの位置にて２Ｇ程度で、傾斜度は０．２ｍＧ／１μｍである。
一様磁界、傾斜磁界発生のための６つのコイルにそれぞれ電源を取り付ける。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に順次５ｍ秒幅のＤＣ電流を同一方向に流して、一様磁界を発生させ、続いて逆方向に電流を流して傾斜磁界を発生させ、測定を３０ｍ秒の間隔で繰り返して、１秒で３３回の測定を行う。

３次元磁界発生装置でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の順に基準の一様磁界を発生し、一軸磁界センサで順次その磁界を測定して測定値ｈｘ、ｈｙ、ｈｚを得て、その値から方位ベクトルｎ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）を決定する。ここで、ｈｘ＝ｃｏｓθ、ｈｙ＝ｃｏｓη、ｈｚ＝ｃｏｓφとなって方位角度θ、η、φを求める。

次に、位置計算は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のコイルで発生した傾斜磁界を一軸磁気センサで測定し、その時の測定値 ｍＨｘ、ｍＨｙ、ｍＨｚと前記測定した方向余弦から、
次の連立方程式から求める。
ｍＨｘ＝ａｘ（Ｘ・ｃｏｓη＋Ｙ・ｃｏｓθ）
ｍＨｙ＝ａｙ（Ｙ・ｃｏｓφ＋Ｚ・ｃｏｓη）
ｍＨｚ＝ａｚ（Ｚ・ｃｏｓθ＋Ｘ・ｃｏｓφ）

特異点の処理については、すなわち各軸の方向余弦であるｈｘ＝ｃｏｓθ、ｈｙ＝ｃｏｓη、ｈｚ＝ｃｏｓφのうちある軸の方向余弦がゼロとなった場合、３次元磁界発生装置を方向余弦がゼロの値となった軸と最も大きな値を持つ特定軸とが作る面に対して垂直である残りの軸を回転軸として３０度だけ発生磁界空間を回転させると、各軸に対する方向余弦の値がゼロとならないようにすることができて、特異点を取り除くことができる。

たとえば、Ｈｘ＝０ならＸ軸とＹ軸またはＺ軸のうち大きな方向余弦を持つ軸の両軸に垂直な軸を回転軸に１５度から３０度ほど回転させる。回転後の磁界空間座標系において、方位ベクトルｎ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）と位置Ｒ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める。その後座標回転の式から、本来の座標系での位置と方位を求める。

地磁気、鉄製の機械装置、鉄筋の建物などから与えられる外部磁界が０．５Ｇから２Ｇ程度存在する場合、３次元磁界発生装置に所定の電流を流して、それらの外部磁界をキャンセルして、測定開始前における前記３次元空間の磁界を、０Ｇに維持することによって、磁界センサの座標系における方向ベクトル座標位置を精度よく測定することができる。

本実施例は、立方体形状の３次元磁界発生装置の原点を中心に、±７．５ｃｍの広さの空間において、方位分解能は０．２度、方位誤差は１度、位置分解能は１０μｍ、位置誤差は５０μｍ以下の性能を実現することができる。

本発明は、カテーテル、血管内視鏡など生体内モーションデバイス装置の生体内の方位・位置測定を可能にするものである。これらの高度な治療のロボット治療を可能にしてその普及に大きく貢献することが期待される。

１：ＧＳＲセンサ
１１:ＧＳＲ素子 １２：ＡＳＩＣ １３：ケーブル
２：電子回路
２１：パルス発振器 ２２：信号処理回路 ２２１：ＧＳＲ素子 ２３：バッファー回路 ２４：サンプルホールド回路 ２４１：電子スイッチ ２４２：コンデンサ ２５：増幅器 ２６：ＡＤ変換器 ２７：通信手段 ２８：Ｈｏｓｔ ＣＰＵ（演算装置）
３：カテーテル
３１：ＧＳＲセンサ ３２：ケーブル ３３：ＧＳＲセンサ（長いタイプ） ３４：ケーブル
４：３次元磁界発生装置の構造
４０：原点 ４１：Ｚ軸コイル手前側（Ｚ軸一様と傾斜） ４２：Ｙ軸コイル右側（Ｙ軸一様と傾斜）４３：Ｘ軸コイル上側（Ｘ軸一様と傾斜） ４４：Ｙ軸コイル（Ｙ軸一様と傾斜兼用） ４５：Ｚ軸コイル（Ｚ軸一様と傾斜兼用） ４６：ヘルムホルツコイル ４７：ヘルムホルツコイル ４８：ヘルムホルツコイル
５：３次元磁界発生装置の構成
５１：コイル ５１Ｘ１：Ｘ軸一様磁界コイル ５１Ｘ２：Ｘ軸傾斜磁界コイル ５１Ｙ１：Ｙ軸一様磁界コイル ５１Ｙ２：Ｙ軸傾斜磁界コイル ５１Ｚ１：Ｚ軸一様磁界コイル ５１Ｚ２：Ｚ軸傾斜磁界コイル ５２：電源 ５３：制御装置 ５４：演算装置（Ｈｏｓｔ ＣＰＵ） ５５：表示装置 ５６：ＧＳＲセンサ

Claims (7)

1. 一様磁界と傾斜磁界を所定の３次元空間内に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って磁界を発生することができる３次元磁界発生装置と、
   前記磁界の強度を測定する一軸の磁界センサと、
   前記磁界センサの前記３次元空間内における位置と方位を算出する演算装置からなることを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
2. 請求項１に記載の磁気式の方位・位置測定装置において、
   前記一軸の磁界センサは、磁性ワイヤとその周りに巻き付けた検出コイルからなる磁気検出素子と検出したコイル電圧を磁界強度に変換する信号処理回路とからなり、標準誤差１ｍＧ以下で磁界を測定する性能を有し、
   その測定値を磁界空間の外部に設置した演算装置に転送し、
   そこで前記磁界センサの前記３次元空間内における位置を空間分解能２０μｍ以下で１００μｍ以下の精度で、かつ前記３次元空間の方位を方位分解能０．２度以下で１度以下の精度で算出することを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁気式の方位・位置測定装置において、
   前記３次元傾斜磁界発生装置は、前記Ｘ軸、前記Ｙ軸、前記Ｚ軸の少なくとも1つの軸は平行四線型コイルからなることを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の磁気式の方位・位置測定装置において、
   前記３次元磁界発生装置は、傾斜磁界を形成するコイルと一様磁界を発生させるヘルムホルツコイルとの二つのタイプのコイルからなることを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の磁気式の方位・位置測定装置において、
   前記３次元磁界発生装置を用いて基準となる一様磁界を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と順次に発生させて、その値を前記磁界センサで計測し、それらの３つの測定値から前記磁界センサの前記３次元空間（Ｏ−ＸＹＺ空間）内における方位ベクトルと前記磁界センサの各軸に対する方向余弦を求め、次に前記方位に前記磁界センサの方位を保持した状態で、前記傾斜磁界をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と順次に発生させて、所定の位置にある前記磁界センサでその値を計測し、それらの３つの測定値および前記磁界センサの各軸に対する方向余弦から前記磁界センサの所定の位置を求めることを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の磁気式の方位・位置測定装置において、
   外部磁界を前記３次元磁界発生装置でキャンセルして測定開始前における前記３次元空間の外部磁界をゼロに維持することを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の磁気式の方位・位置測定装置において、
   ある軸の前記方向余弦がゼロとなった場合、最も大きな値を持つ特定軸と前記方向余弦がゼロの値となった軸とが作る面に対して垂直である残りの軸を回転軸として所定の角度だけ発生磁界空間を回転させて、各軸に対する前記方向余弦の値がゼロとならないようにすることを特徴とする磁気式の方位・位置測定装置。
   
   
   

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