JP7141668B1 - ハンドピース先端部の位置・方位検出装置、ハンドピース誘導システムおよびハンドピース誘導アシストシステム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＧＳＲセンサを使用した磁界ベクトルセンサグリッドを開発し、ハンドピースの先端部に設置し、微小な磁石体の位置と方位を検出することを可能にするととも自動的に検出する誘導システムを可能にする。【解決手段】１０ｎＴ以下の検出力を有する磁界ベクトルセンサと磁界ベクトルセンサグリッドを開発し、磁石体７２が発する磁界を計測し、ガウスニュートン法を基礎にした計算方法に、入力データの誤差と数を適切に選択して入力することによって、磁石体の位置と方位を高い精度で検出する。【選択図】図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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００１－５２４０１２号公報 特許第３７８１０５６号公報 特開２００４－６１３８０号公報 特表２０１３－５１８２７３号公報 特許第６５０６４６６号公報 特許第６０２１２３９号公報 特許第６０２１２３９号公報

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、13-21,2021 （株）エムティアイ社 ホームページ 製品情報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） Y.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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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_ｍＨ(→)_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Ｐ_ｉｊｋに作る磁気の理論値_ｔＨ(→)_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Ｐ_ｉｊｋまでの距離ベクトルを _ijｋとする。
_ｔＨ(→)_ijｋ = 1/4πμ_o ｛－Ｍ(→)/ｒ_ijｋ ³ ＋３（Ｍ(→)・ ｒ(→)_ijｋ ）ｒ(→)_ijｋ /ｒ_ijｋ 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ε_ｉｊｋとして、求める。
ｅ_ｉｊｋ＝_ｔＨ(→)_ｉｊｋ－_ｍＨ(→)_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ε_ｉｊの誤差関数Ｅ_ｉｊを誤差の平方和として求める。
Ｅ_ｉｊｋ＝Σｅ_ｉｊｋ ^２
（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。
∂Ｅ_ｉｊｋ／∂ｘ＝０、∂Ｅ_ｉｊｋ／∂ｙ＝０、∂Ｅ_ｉｊｋ／∂ｚ＝０、
∂Ｅ_ｉｊｋ／∂φ＝０、∂Ｅ_ｉｊｋ／∂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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_３、φ_３）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。

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_４、φ_４）を計算し、Ａ４Ｂ４＝ＯｍＢ４＋Ｒ４－ＯｈＡを求める。ここで、ＯｍＢ４＝Ｒ（－β）ＯｍＢ３である。

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を治療位置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_５、φ_５）を計算し、Ｒ５≒０を確認する。

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_６、φ_６）を計算し、Ｒ６≒０を確認する。

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_６、φ_６）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。

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。

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。

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。

ＧＳＲ素子の平面図である。 ＧＳＲセンサ用の電子回路図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 計算プログラムのフローチャートを示す図である。 （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。 誘導プログラムのフローチャートを示す図である。 ハンドピースの誘導システムの概念図である。 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。 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。 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。

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、

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、

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

＜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。

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。

＜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。

＜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。

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_ｍＨ（→）_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
_ｔＨ（→）_ｉｊの理論値を計算し（ステップ１０３）、
（４）測定誤差を、ｅ_ｉｊ＝_ｔＨ（→）_ｉｊ－_ｍＨ（→）_ｉｊにより計算し（ステップ１０４）、
（５）誤差の平方和を、Ｅ_ｉｊ＝Σｅ_ｉｊ ^２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。

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を治療位置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と治療位置Ｂとの相対的な位置方位関係が指定できる。

＜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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

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。

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。

＜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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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。

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。

［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。

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。

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_ｍ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_０の変動の影響を受けないことを確認した。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

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_ｍ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_０の変動の影響を受けないことを確認した。

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。

［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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (9)

1. 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、口腔内の治療位置の中心点をＢ点（以下、治療位置Ｂという。）として、磁石体の原点Ｏｍからの位置関係をＯｍＢと定め、
   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、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とハンドピースの先端位置Ａとの位置・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とハンドピースの先端位置Ａとの位置・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。
2. 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。
3. 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。
4. 請求項１または２において、
   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。
5. 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、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系としていることを特徴とするハンドピースの位置・方位検出装置。
6. 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、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系としていることを特徴とするハンドピースの位置・方位検出装置。
7. 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_ｍＨ（→）_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_ｔＨ（→）_ｉｊの理論値を計算し、
   （３）測定誤差を、ｅ_ｉｊ＝_ｔＨ（→）_ｉｊ－_ｍＨ（→）_ｉｊにより計算し、
   （４）誤差の平方和を、Ｅ_ｉｊ＝Σｅ_ｉｊ ^２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。
8. 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位置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、
   前記ハンドピースのＹ軸を水平に維持して、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、
   （４）ハンドピースの先端位置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、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。
9. 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位置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
   （４）術者は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シストし、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、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。

Images