KR20140067970A - 광학적 주사 디바이스 - Google Patents

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KR20140067970A
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해리스 버그만
스코트 카할
기오르고스 하트지리아스
카롤 하트지리아스
데이비드 지 스타이츠
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유나이티드 사이언시스, 엘엘씨.
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Abstract

신체 구멍 또는 표면을 주사하기 위한 디바이스는 광원 및 광각 렌즈를 포함한다. 광원으로부터의 빛은 광각 렌즈에 인접하거나 멀리 있는 패턴에 투사된다. 바람직하게, 패턴은 광각 렌즈의 초점면 내에 있다. 패턴은 이도와 같은 신체 구멍의 표면을 교차하고, 그 표면을 따라 연장되는 패턴의 부분적 측면 부분을 정의한다. 프로세서는 광각 렌즈로부터 측면 부분의 이미지를 수신하고, 광각 렌즈의 공지된 초점면을 이용하여 좌표계에서 측면 부분의 위치를 결정하도록 구성된다. 다수의 측면 부분들이 3차원 모양을 구축하기 위해 프로세서에 의해 재구성된다. 이러한 3차원 모양은 진단, 탐색, 또는 보청기와 같은 의료 디바이스의 고객 맞춤화를 위해 이용될 수 있다.

Description

광학적 주사 디바이스{OPTICAL SCANNING DEVICE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 발명의 출원서는 2011년 3월 23일자에 출원되고 발명의 명칭이 "Optical Scanning Device"인 미국 가특허 출원서 제61/466,863호의 우선권을 주장한다.
본 발명의 출원서는 2012년 3월 12일자에 출원되고 발명의 명칭이 "Optical Scanning Device"인 미국 특허 출원서 제13/417,767호의 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 연조직의 표면의 모양을 결정하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광학 기술을 이용하여 이와 같은 모양을 결정하는 것에 관한 것이다.
보청기, 청력 보호기, 및 커스텀 헤드폰은 대개 실리콘 인상재가 환자의 이도(ear canal)에 만들어지도록 요구한다. 청력 학자는 귀 안에 실리콘 물질을 붓고, 그것이 경화될 때까지 기다리고, 그리고 나서, 제조자는 고객에게 맞는 인이어 디바이스(in-ear device)를 생성하기 위해 그 결과적 실리콘 인상재를 이용한다. 이 과정은 느리고, 비용이 많이 들고, 일관성이 없으며, 환자를 불편하게 하고, 심지어 위험할 수도 있다.
또한, 환자의 이도, 목구멍, 입, 또는 콧구멍의 모양의 크기와 같은, 신체 구멍들(body orifice)을 정의하는 표면을 포함하는, 신체 표면의 모양을 결정하는 것으로부터 이익을 얻는 다른 의료 필요성의 범위가 존재한다. 예를 들어, 수술은 이와 같은 모양을 알고, 이와 같은 모양에 대해 맞춤화되도록 만들어진 의료 디바이스에 의해 가이드될 수 있다.
그러므로, 신체 구멍들과 연관된 표면의 모양 및 크기를 포함하는, 신체 표면 모양의 결정에서의 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 광학적 주사 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 신체의 신체 구멍을 주사(scan)하기 위한 디바이스는 광원 및 광각 렌즈를 포함하고, 광원으로부터의 빛은 광각 렌즈에 멀리 있는 패턴에 투사된다.
다른 실시예에서, 본 발명의 실시예는 신체 구멍의 기하학적 구조를 결정하는 방법을 포함한다. 방법은 광원을 이용하여, 좌표계의 위치에 광 패턴을 투사하는 단계를 포함한다. 광 패턴 중 적어도 부분적 측면 부분이 신체 구멍의 표면을 조명한다. 좌표계에서 측면 부분의 위치는 초점면을 갖는 카메라를 이용하여 결정되고, 초점면은 그 위치를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광학적 주사 디바이스를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 디바이스의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예의 프로브의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3e는 도 2의 프로브의 말단 팁의 다양한 도면들이다.
도 4는 도 2의 프로브의 분해도이다.
도 5는 광각 렌즈의 순방향 관측 시야에서 빔 스플리터를 이용하는 본 발명의 다른 실시예의 개략도이다.
도 6은 교정을 위해 레이저 광 패턴에 의해 조명되는 피부 타겟의 이미지이다.
도 7은 도 6의 레이저 광 패턴의 측면 부분의 두께의 단면으로, 그 두께에 걸친 세기 분포를 도시한다.
도 8은 도 2의 프로브의 교정을 위해 이용되는 타겟이다.
도 9는 도 2의 프로브의 광각 렌즈를 이용하여 포착된 도 8의 타겟의 시뮬레이션된 이미지이다.
도 10은 측정 표면을 교차하는 레이저 광 패턴의 측면 부분의 위치 또는 방사상 거리를 검출하기 위해 프로세서에 의해 이용되는 수학 및 기하학적 구조의 개략도이다.
도 11은 도 1에 도시된 컴퓨터에 의해 재구성된 이도의 일부분의 3차원 모양이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예들의 이어 새들(ear saddle)의 기하학적 구조를 측정하기 위한 방법에 이용되는 귀 해부학적 구조의 평면도이다.
도 13은 표면 기하학적 구조를 광학적으로 결정하기 위한 본 발명의 다른 실시예의 컴퓨터 시스템의 개략도이다.
이제, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들은 광원(12) 및 광각 렌즈(14)를 포함하는, 신체 구멍 또는 표면을 주사하기 위한 디바이스(10)를 포함한다. 광원으로부터의 빛은 광각 렌즈(14)에 인접하거나 멀리 있는 패턴(16)에 투사된다. 바람직하게, 패턴(16)은 광각 렌즈(14)의 초점면(18) 내에 있다. 패턴(16)은 이도와 같은 신체 구멍의 표면을 교차하고, 그 표면을 따라 연장되는 패턴의 부분적 측면 부분(20)을 정의한다. 프로세서(26)는 광각 렌즈(14)로부터 측면 부분(20)의 이미지를 수신하고, 광각 렌즈(14)의 공지된 초점면을 이용하여 좌표계에서 측면 부분의 위치를 결정하도록 구성된다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같은 용어 "공지된"은 원하는 해상도를 달성하기 위해 정상 허용 오차 내에 거의 맞춰지는 것을 의미한다. 따라서, 공지된 초점면은 약간의 두께를 갖고 정상 제조 허용 오차의 결과에 대응하는 두께에 대한 변동을 갖는다.
본 명세서에서 이용되는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용된, 단수형 표현들은 문맥에서 명백히 이와 달리 표시되지 않는 한, 복수형 표현도 포함하는 것으로 한다. 본 명세서에서 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이 사용될 때에, 진술된 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 및/또는 컴포넌트의 존재를 규정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 컴포넌트 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음을 또한 이해할 것이다.
이하 특허청구범위의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소(means or step plus function element)의 대응하는 구조, 재료, 동작, 및 등가물은 구체적으로 청구된 바와 같은 다른 청구 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료, 또는 동작을 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 설명은 설명과 해설을 목적으로 제시되었으나, 본 발명의 형태를 망라한 것이거나 또는 본 발명을 개시된 형태로 한정시키려는 것으로 의도한 것은 아니다. 본 발명의 범위와 사상으로부터 일탈하지 않고서 수많은 변형과 변경이 본 발명분야의 당업자에게 떠오를 것이다. 본 발명의 원리와 실제 응용을 최상으로 설명하고, 본 발명분야의 당업자들이 특정 용도 구상에 적합한 다양한 변형들을 갖는 다양한 실시예들을 염두하면서 본 발명을 이해하도록 하기 위해 실시예가 선택되고 기술되었다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 환자의 신체(30)는 디바이스(10)를 이용하여 검사되고 있다. 디바이스는 핸드헬드 프로브(34), 광학 하드웨어 어셈블리(66), 추적 시스템(28) 및 컴퓨터(68)를 더 포함할 수 있다.
특히, 레이저용 광원 및/또는 파이버스코프를 포함하는 광학 하드웨어 어셈블리(66), 추적 시스템(28) 및 컴퓨터(68)의 요소들 중 일부 또는 전체가 헨드핼드 프로브(34)의 본체 내에 포함될 수 있다.
환자의 신체(30)는 의료 목적을 위해 본 발명의 실시예들에 의해 조사될 수 있는 복수의 구멍들 또는 신체 표면들 중 임의의 구멍 및 신체 표면을 정의한다. 바디 마커(38) 또는 기점은 관심 표면 또는 구멍을 정의하는 신체(30)의 일부분을 장식한다. 예를 들어, 헤드 밴드(72)가 이도 근처의 머리 주위로 확장되어 복수의 역반사 구체들을 지지한다.
산업용 설정으로 길고 복잡한 개구부 또는 표면의 측정하는 것과 같은 비의학적 이용이 가능하다는 것을 또한 유념해야 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 작은 직경(대략 6 mm)을 갖는 이도(70)의 표면을 측정하는데 특히 적합하다. 이도는 선택적으로 그 길이를 따라 적어도 하나의 굴곡부를 갖는다.
프로브(34)는 핸들(74), 케이블(76), 프로브 샤프트(40), 및 복수의 프로브 마커들(38)을 포함한다. 케이블(76)은 광 도체(42) 및 복수의 이미지 도체들(44)을 포함하고, 프로브(34)를 광학 하드웨어 어셈블리(66)에 접속한다. 이미지 도체들은 예컨대 광섬유 라인을 통해, 또는 이미지 데이터를 포함하는 전기 신호를 전달하는 것을 통해 광학 이미지를 전도할 수 있다. 그러므로, 용어 "도체"는 임의의 신호, 아날로그 또는 디지털, 전원 또는 정보 또는 데이터를 전도하는 것을 포함하도록 본 명세서에 넓은 의미로 이용된다. 도체는 또한 예컨대 RF 신호에 의한 무선 통신을 나타낼 수 있다.
광학 하드웨어 어셈블리는 파이버스코프 본체, 광원(12) 및 카메라를 포함한다. 파이버스코프 본체는 이미지 도체들(44) 중 하나를 통해 프로브(34)에 접속된다. 카메라는 파이버스코프 본체에 접속되어 신체 구멍 내의 프로브(34)의 탐색을 위해 그것으로부터 이미지를 수신한다. 유사하게, 광원, 이 경우에 레이저 광원은, 광 도체(42)를 통해 프로브(34)에 접속한다.
추적 시스템(28)은 이격되어 있고 프로브 마커(36) 및 바디 마커(38)을 향해 겨누어진 한 쌍의 카메라(78)를 포함한다. 선택적으로, 적어도 3개의 프로브 마커들이 존재한다. 추적 시스템(28)은 온 보드(on-board) 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여, 다른 마커들에 관해 하나의 마커를 추적 및 보고하거나, 또는 자신의 좌표계 내에서 객체의 위치를 추적 및 보고하도록 구성된 통합된 시스템일 수 있다. 또는, 처리 기능들은 예컨대 도 1에 나타난 실시예의 컴퓨터 시스템(68) 내에 분배될 수 있다.
컴퓨터 시스템(68)은 광학 하드웨어 어셈블리(66) 및 추적 시스템(28)에 접속된다. 컴퓨터 내에 프로세서(26) 및 도 13에 더욱 상세하게 기술되는 추가 컴포넌트들이 있다. 일반적으로, 컴퓨터 시스템은 좌표계에 관해 착용하는 사람의 신체 및 프로브(34)의 위치 데이터를 포함하는, 추적 시스템(28)으로부터의 데이터, 및 신체 구멍의 표면을 교차하는 광 패턴(16)의 측면 부분(20) 상의 데이터를 포함하는, 프로브(34)로부터의 데이터를 수신하도록 구성된다. 그리고, 컴퓨터의 프로세서(26)는 맞춤화된 보청기를 제작하는데 이용에 있어서, 이도(70)의 모양과 같은, 신체 표면의 3차원 모양을 결정하기 위해 이 데이터를 이용하도록 구성된다.
도 2를 참조하면, 프로브(34)가 더욱 개략적으로 상세하게 도시되고, 프로브(34)는 추적 시스템(28)의 카메라들(78)의 관측 시야 내에 복수의 역반사 추적 구체의 형태로 프로브 마커들(36)을 포함한다. 앞서 기술된 바와 같이, 선택적으로, 3개 이상의 프로브 마커들(36)이 이용되고, 프로브는 3개 이상의 이와 같은 프로브 마커들을 포함한다. 일반적으로, 다른 가정 또는 정보가 없으면, 3개의 구체는 6 자유도를 모두 제재하는데 필요한 최소치이다. 프로브의 말단부에서부터 광 패턴(16)(이 경우, 평면 표면 모양이지만, 이것은 또한 원추형의 빛이거나, 빔 또는 일부 다른 표면 모양일 수도 있음)이 방출되고, 캡(56)의 투명 측벽(58)을 통해 연장되어, 이도(70)의 내부 표면과 교차할 때 하나 이상의 측면 부분(20)을 형성한다. 유리하게, 프로브(34)는 이도(70) 내에서 움직이도록 크기 조정되어 여러 모양을 포착하고, 포착된 모양들은 3차원 모양(32)으로의 어셈블리를 위해 컴퓨터 시스템(68)에 전달된다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3f는 프로브(34)의 말단부의 더욱 상세한 도면들이다. 프로브는 선택적으로 광 도체(42), 이미지 도체(44), 캡(56), 반사기(48), 마스크(50), 원추형 거울(52) 및 파이버스코프(54) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 레이저 광을 운반하는 광 도체(42)의 끝 및 파이버스코프(54)의 끝 가까이에 위치하는 광각 렌즈(14)를 갖는 프로브(34)의 말단부가 횡단면으로 도시된다. 광각 렌즈는 점선으로 도시된 바와 같이 관측 시야(46)를 정의한다. 부분적 측면 부분(들)(20) 상의 데이터 또는 이미지를 운반하도록 구성된 이미지 도체들(44) 중 하나가 이 렌즈로부터 가깝게 뒤로 확장된다. 특히, 예시된 실시예의 관측 시야는 150도이고, 여기서 광 패턴(16)은 광각 렌즈의 광학 축에 대한 직각에서 측방향으로 확장될 수 있다. 최대 180도까지의 각도가 가능하지만, 넓은 각도는 왜곡을 최소화하기가 점점 어려워질 수 있다.
확산광을 위한 도체(들)(예컨대, 괌섬유 다발) 및 탐색 이미지들을 반환하기 위한 귀로용 도체(들)을 포함하는 파이버스코프(54)의 말단부 및 광 도체(42)는 광학 렌즈(14) 아래 및 앞으로 확장된다. 광원(12)의 가장 말단 팁에 원추형 모양을 갖는 거울(52)이 위치하고, 이것은 레이저 광을 패턴(16)으로 다시 보내도록 구성된다. 원추형 모양이 레이저 광의 축에 대해서 각도가 45도보다 크거나 작으면, 패턴(16)의 모양은 원추형 표면을 갖는다. 45도에서, 모양은 도 2에 도시된 평면 표면(60)을 갖는다.
마스크(50)는 도 3d에 도시된 바와 같이 한쌍의 홀(hole)을 갖는 평면 시트이고, 검출되고 측정되는 표면을 나타내지 않을 수 있는 다시 보내지는 레이저 광으로부터 광각 렌즈(14)로의 반사를 차단하기 위해 투명 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 홀은 원추형 거울(52)에 레이저 광을 전송하는 광 도체(42) 및 파이버스코프(54)를 위한 이미지 도체(44)의 통과를 허용한다.
투명한 측벽(58) 및 캡(56)은 프로브(34)의 말단 부분을 둘러싸고 보호하도록 구성되지만, 동시에 레이저 광 패턴(16), 파이버스코프(54)로부터의 확산 탐색 광 및 그것으로부터의 결과 및 반환 이미지의 통과를 허용한다. 캡(56)은 파이버스코프를 위해 투명할 수 있지만, 그럴 필요는 없다. 선택적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 캡(56)의 개구부는 파이버스코프에 의한 통과 및/또는 관찰을 허용한다.
광 도체(42) 및 이미지 도체가 광각 렌즈(14)에서 멀리 확장되기 때문에, 빛의 투사된 패턴(16)의 이미지들이 표면에 부딪힐 때 전체 360도 관측 시야를 통해 완전히 검출되고 반한되지 않는다. 대신에, 외이 같은 대략 원통형 개구부에서, 반환된 부분적 측면 부분(20)은 오직 "C자 모양"일 수 있고, 이는 광 도체(42)와 이미지 도체(44)에 의해 가시성이 차단된 부분을 뺀 것이다.
도 4는 광학적 컴포넌트들의 기능을 더욱 잘 나타내기 위해서 제거된 외부 샤프트(40)를 갖는 본 발명의 다른 실시예의 프로브(34)의 분해도를 도시한다. 말단에서 시작하면, 캡(56)은 짧은 부품의 투명한 원통형 튜브에 의해 형성된 투명 측벽(58)에 어셈블리된다. 또한, 거울 튜브가 장착되고 레이저 광 도체(42)의 끝에 부착된 거울(52)이 말단에 있다. 레이저 광 도체(42)는 또한 콜리메이터 기능을 포함하여, 원추형 거울(52)에 의해 패턴(16)으로 방향 전환을 위한 콜리메이트 빔을 발생시킨다.
파이버스코프(54)는 원추형 거울(52) 근처에서 말단부를 갖고, 샤프트(40) 내에서 광 도체(42)에 인접한 경로에 가깝게 확장된다. 파이버스코프(54) 및 광 도체(52) 양자 모두는 CCD 카메라 칩(80) 주변에서 휘어지고, 케이블(76)을 통해 컴퓨터 시스템(68)에 전달되도록 프로브(34)의 본체 내에서 휘어진다.
또한, 프로브(34)의 샤프트(40) 내에서, 광각 렌즈(14) 및 이미지 도체(44)가 일반적으로 도체들(42, 44)에 대해 평행한 관계로 원통형 윈도우(58)로부터 뒤로 확장된다. 광각 렌즈(14)의 광학적 컴포넌트들의 상대적 포지셔닝은 한 쌍의 스페이서(82)의 이용에 의해 부분적으로 유지된다. 광각 렌즈(14)는 도 4에 도시된 바와 같이 프로브의 본체에 장착된 CCD 카메라 칩(80)에 측면 부분(20)의 이미지를 반환하는 이미지 도체(14)를 포함하는 복수의 광학 렌즈 요소들이 있다.
초점 나사(84)는 광각 렌즈(14)를 지지하고, 초점 나사는 돌면서 광각 렌즈(14)의 초점을 조정하고, 이에 의해, 상이한 신체 구멍들 내에서 향상된 정확도를 위해 그 초점면의 위치를 변경하고, 다양한 구멍들 내에서 향상된 정확도를 위해 제조 허용 오차를 보상한다. 초점 나사(84) 가까이에 CCD 카메라 칩이 있고, 이 CCD 카메라 칩은 측면 부분(20)의 이미지들을 수신하고, 이러한 이미지들을 처리를 위해 컴퓨터(68)에 반환하기 위해 픽셀 데이터로 변환한다.
본 명세서에서 이용되는 용어 "광각 렌즈"는 이도(70)와 같은 길고 복잡한 개구부에서 작동할 비교적 넓은 관측 시야용으로 구성된 임의의 렌즈를 의미한다. 예를 들어, 이도의 경우, 각도 63도는 중앙 프로브(34)로 주사될 수 있는 이도의 최대 직경과 대략 동일한 렌즈 초점면 오프셋을 야기한다. 특히, 60도 렌즈(상당히 표준 크기의 광각 렌즈)의 초점면은 대략 6 mm의 전방향 초점면을 야기하는 직경과 동일하고, 이것은 대략 6 mm의 직경인 이도에서 제 2 굴곡부를 존속시키는데 충분히 짧다. 그러므로, 이도를 위해, 광각 렌즈는 60도 이상이다. 더욱 양호하게 작동할 수 있는 다른 증가치는 대략 3 mm의 전방향 초점면 거리를 허용하는 2:1의 비율을 갖는 90도이고, 이는 프로브(34)가 상당히 짧도록 허용한다. 사이드웨이 전용 뷰만을 갖고 어떠한 전방향 관측 시야도 없는 복잡한 광학 요소들을 포함하는 렌즈들이 있기 때문에, 90도보다 큰 렌즈들이 이용 가능하다.
다른 실시예에서, 도 5에 나타난 바와 같이, 디바이스(10)는 파이버스코프(54)가 필요 없을 수 있고, 대신에 광각 렌즈(14)가 전방향 관측 시야를 위해 이용된다. 빔 스플리터는 광각 렌즈의 관측 시야의 중심을 제 2 카메라로 우회시키고, 제 2 카메라는 프로브(34)의 전면에 있고 전방향(레이저에 의해 조명되지 않음) 뷰를 이미지화하도록 구성된다. 확산 광원이 프로브(34)의 앞에서 조명하도록 제공될 수 있다.
도 6을 참조하면, 레이저 패턴(16)이 피부 상에 투사되고 그 위치가 표시되는 방법을 결정하기 위해서 피부 타겟이 그 위에 투사되는 패턴(16)의 부분적 측면 부분(20)으로 도시된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 측면 부분들 중 하나의 수직 섹션은 빛 세기(y 축)가 섹션의 두께(x 축)와 종모양 곡선으로 변하는 것을 도시한다. 따라서, 부분적 측면 부분(20)은 광 패턴(16)의 에지(22) 및 광 패턴의 리지(24)를 포함할 수 있다. 이러한 지표들은 좌표계에서 측면 부분(20)의 위치를 결정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 앞서 언급된 지표들 중 하나는 측면 부분의 내부 에지 또는 측면 부분의 외부 에지 상에서 발견될 수 있다(예컨대, 프로세서(26)의 리지 검출 기능에 의해). 또는, 내부 부분 및 외부 부분의 평균이 이용될 수 있다.
본 발명의 장점은 레이저 광의 패턴(16)과 초점면의 중첩으로 인해 광각 렌즈(14)가 높은 정확도로 신체 표면 중 비교적 가까운 측면 부분들을 관측할 수 있다는 것이다. 본 명세서에서 이용되는 용어 "초점면"은 예컨대 50 마이크로미터 피처 또는 그보다 작은 피처를 알아볼 수 있는 것처럼, 특정한 기준 해상도를 달성할 수 있는 광각 렌즈(14)의 초점 범위 내의 두께를 나타낸다. 예를 들어, 초점면 내에서 패턴(16)의 측면 포지셔닝은 하나의 픽셀이 대략 50 마이크로미터에 상응하도록 한다. 초점면 그 자체는 해상도의 종형 곡선 분포를 갖고, 이는 초점면의 중첩 또는 두께에서의 변화를 허용하고, 앞서 도시된 바와 같이 그 두께에 걸쳐 곡선 분포를 갖는 측면 부분(20)의 두께에서의 변화를 허용한다.
일반적으로, 광각 렌즈(14)는 해상도 목표를 충족하기 위해 상당히 낮은 왜곡 문턱값을 가져야 한다. 대부분의 광각 렌즈는 초점면 및 측면 부분(20)의 배치와 같은 다른 영역에서의 향상된 정확도에 의해 보상될 필요가 있는 -80 % 또는 -60 %만큼 높은 왜곡을 가질 수 있다. 그러므로, 다양한 컴포넌트들이 광각 렌즈(14)의 광축으로부터 측방향 거리에 대해 50 마이크로미터 또는 더욱 양호한 해상도를 허용할 수 있도록 공동으로 조정되는 것이 바람직하지만 어떠한 설정 문턱값도 없다. 발명자는 -40 %보다 양호한 왜곡이 이도 애플리케이션을 위해 본 명세서에서 언급된 바람직한 관측 시야로 잘 작동하는 것으로 발견하였다.
추적자 또는 추적 시스템(28)은 좌표계에서 프로브(34)의 위치 및 좌표계에서 환자의 신체(30)의 위치를 결정하도록 구성된다. 프로세서(26)는 이러한 정보를 이용하여 프로브(34)의 위치 및 신체(30)에 관한 그 측정치를 결정하도록 구성된다. 추적 시스템(28)은 캐나다 온타리오주 워터루에 소재하는 NDI의 폴라리스 스펙트라(POLARIS SPECTRA)와 같은 상업적으로 이용 가능한 추적 시스템의 요소들을 포함할 수 있다. 이 추적 시스템은 프로브 마커(36) 및 바디 마커(38)을 통해 환자 및 프로브(34)를 포함하는 그 관측 시야에서의 객체들의 3차원 위치 결정을 허용하기 위해 2개의 카메라 시스템이 있다.
일단 관측 시야가 좌표계를 확립하도록 교정되면, 프로브(34) 및 그 레이저 패턴(16)은 관측 시야에 위치하는 타겟을 이용하여 교정된다. 이와 같은 교정을 위해, 레이저 패턴(16), 및 광각 렌즈(14)를 포함하는 광학계는 완벽하고 프로브(34)는 단단하다고 가정한다. 이것은 좌표계로 보내지는 레이저 패턴(16)의 참조를 가능하게 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 타겟은 프로브(34)의 z 축으로 정렬된 한쌍의 광학 마커들(88)에 접속된 체커보드(86)를 포함한다. 광학 마커들(88)에 대한 체커보드(86)의 상대적인 위치는 교정 객체 상의 사진 측량을 수행함으로써 공지된다. 특히, 프로브(34)는 투사되는 레이저 패턴(16)이 교정 격자(허용 오차 내에 있음)와 동일 평면(허용 오차 내에 있음)에 있도록 배치된다. 이것은 프로브(34)의 통과를 허용하는 타겟의 홀에 의해 도움을 받을 수 있다. 레이저 광 패턴(16)이 타겟(86)의 표면에 걸쳐 희미하게 지워질 때 포지셔닝이 확립된다.
제자리에 있는 체커보드(86)를 이용하여, 추적 세션이 프로브 마커(36)를 갖는 프로브의 위치 및 마커(88)를 갖는 체커보드의 위치를 확립하도록 추적자(28)에서 수행된다. 그리고 나서, 프로브(34)와 체커보드(86)의 상대적 관계를 유지하는 동안, 램프 또는 빛이 체커보드(86) 상에 비추어지고 그것의 이미지는 광각 렌즈(14)를 통해 취합된다. 바람직하게, 추적자(28)에 관한 y 축 및 z 축의 방향은 또한 축 방향 오류를 피하기 위해서 언급된다.
교정은 또한 비평면 광 패턴을 포함하고, 여기서 체커포드는 여러 상이한 방향의 광 패턴에 노출된다. 체커보드 라인과 광 패턴 측면 부분의 교차는 광각 렌즈에 대하여 비평면 광 패턴의 모양의 재구성을 허용한다. 도 8에 도시된 타겟과 유사한 타겟을 이용하면, 패턴의 재구성된 모양을 핸드헬드의 좌표계에 관련시키는 것이 가능하다.
도 9는 교정 이미지의 시뮬레이션을 도시한다. 광학 마커(88)로부터 레이저 패턴(16) 및 체커보드(86)의 코너 각각으로의 거리는 체커보드 상의 격자점의 코너와 일치한다. 따라서, 표면에 이르는 레이저의 3차원 위치는 체커보드(86)의 가장 가까운 격자점을 결정하기 위해 보간(interpolate)될 수 있다. 그리고 나서, 이 정보는 좌표계 내에 레이저 패턴을 고정시키는데 이용된다.
다른 실시예에서, 디바이스(10)는 광각 렌즈(14)와 통신을 위해 접속되고, 좌표계에서 측면 부분(20)의 위치를 결정하는 기능, 공지된 초점면을 이용하여 측면 부분(20)의 위치를 결정하는 기능, 좌표계에서 복수의 측면 부분들(20)의 위치 및 신체(30)에 관한 좌표계의 대응 위치를 결정하는 기능, 위치 및 대응 위치를 이용하여 신체 구멍(예컨대, 이도)의 3차원 모양(32)으로 측면 부분들(20)을 함께 조합하는 기능과 같은 기능들을 포함하는, 여러 기능들을 수행하도록 구성된 프로세서(26)를 포함한다.
도 10은 프로세서(26)에 의해 구현되는 바와 같은 프로브(34)의 광축으로부터의 측면 부분(20)의 방사상 거리의 계산의 실시예를 개략적으로 도시한다. 위치는 수학식 1 내지 수학식 7에 도시된 바와 같이, 삼각법에 의해 결정될 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
도 10 및 수학식 1 내지 수학식 7의 예에서, 스캐너를 위한 좌표계는 z 축이 중심에 있고, 주사 프로브의 중심 축으로서 고정되어 그 끝에서 프로브로 볼 수 있도록 배향되며, z 축은 본 명세서에서 또한 이미징 축으로서 언급된다. 그러므로, 이 예에서, 레이저 조명점의 이미징 축으로부터의 거리(R) 대 레이저 면과 렌즈 사이의 거리(S)의 비는 이미지 센서의 중심으로부터의 거리(h) 대 이미지 센서 표면과 렌즈 사이의 거리(S')의 비와 같다. S'와 S의 비는 배율(M)이다. 렌즈와 레이저 면 사이의 거리(S) 및 렌즈에서 이미지 센서로의 거리(S')가 공지될 때, 수학식 1 내지 수학식 7은 좌표계에서 조명점의 기하학적 구조를 재구성할 수 있다. 이러한 수학식들은 또한 평면과 같은 초점면에 대해, 이미지 센서 상의 픽셀 위치에 대한 좌표계의 점들의 1:1 맵핑이 있다는 것을 나타낸다.
이미지 센서는 상보성 대칭 금속 산화물 반도체(complementary-symmetry metallic-oxide-semiconductor; CMOS) 센서로 구현될 수 있고, 전하 결합 소자(charge-coupled device; CCD) 또는 다른 감지 기술을 이용하여 기술 분야의 당업자가 구현할 수 있다. CMOS 센서는 스냅샷 판독 모드로 작동되거나 또는 Z 축을 따른 주사를 완전한 프레임의 판독을 달성하도록 동시에 스텝핑 또는 증가시킬 때 롤링 셔터와 함께 작동될 수 있다. 유사한 증가 또는 스텝핑이 이미지 프레임의 인터레이싱 주사로 작동되는 CCD에 이용될 수 있다.
도 11은 프로세서(26)을 이용하여 어셈블리된 복수의 측면 부분들로부터 구성된 이도(92)의 예시적인 3차원 모양(32)을 도시한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 디바이스(10)는 보청기의 생성을 용이하게 하는데 적합한 해부학상의 피처들을 측정하는데 이용될 수 있다. 이러한 피처들은 새들(90), 이도(92) 및 이각(94)을 포함한다. 이도(92) 및 이각(94)은 앞서 기술된 바와 같이 주사되고, 프로브(34)는 레이저 패턴(16)이 이주(96) 밖의 표면 상으로 떨어지도록 회전된다. 주사는 새들(90)에 도달하고 주사가 새들(90)을 너머 10 mm 내지 15 mm 진행할 때까지 귓바퀴(98) 위로 이동한다. 이러한 데이터는 구멍 데이터와 함께 프로세서(26)에 전송되어 보청기를 주문 제작하는데 이용되는 3차원 모양(32)을 구성한다.
이제 도 13을 참조하면, 중앙 서버(500), 또는 본 발명의 일 실시예에 따라 신체 표면을 측정하기 위한 시스템을 구현하도록 구성된 도 1에 도시된 컴퓨터(68)와 같은 유사한 네트워크 엔티티의 개략도가 제공된다. 본 명세서에서 이용되는 명칭 "중앙"은 단지 서버가 다수의 클라이언트 또는 다른 컴퓨팅 디바이스에 제공하는 공통 기능을 설명하는 역할을 하는 것으로 다른 컴퓨팅 디바이스에 관해 서버의 어떠한 중앙 집중된 위치를 요구하거나 의미하지 않는다. 도 13으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서, 중앙 서버(500)는 시스템 인터페이스 또는 버스(545)를 통해 중앙 서버(500) 내의 다른 요소들과 통신하는 프로세서(510)(예컨대, 프로세서(26))를 포함할 수 있다. 또한, 중앙 서버(500)에 데이터를 수신 및 디스플레이하기 위한 디스플레이 디바이스/입력 디바이스(520)가 포함될 수 있다. 이 디스플레이 디바이스/입력 디바이스(520)는, 예를 들어, 도 1 및 도 4에 도시된 추적자(28) 또는 CCD(80) 또는 모니터와 결합하여 이용되는 키보드 또는 포인팅 디바이스일 수 있다. 중앙 서버(500)는 메모리(505)를 더 포함할 수 있고, 이 메모리(505)는 읽기 전용 메모리(read only memory; ROM)(535) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM)(530) 양자 모두를 포함할 수 있다. 서버의 ROM(535)은 하나 이상의 네트워크에 걸쳐 정보를 전달하는데 도움이 되는 기본 루틴을 포함하는 기본 입출력 시스템(basic input/output system; BIOS)(540)을 저장하는데 이용될 수 있다.
게다가, 중앙 서버(500)는 하드 디스크, 이동식 자기 디스크, 또는 CD-ROM 디스크와 같은 다양한 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 정보를 저장하기 위해 하드 디스크 드라이브, 플로피 디스크 드라이브, CD-ROM 드라이브, 또는 광 디스크 드라이브와 같은 적어도 하나의 저장 디바이스(515)를 포함할 수 있다. 기술 분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 이러한 저장 디바이스(515) 각각은 적절한 인터페이스를 통해 시스템 버스(545)에 접속될 수 있다. 저장 디바이스(515) 및 이들과 연관된 컴퓨터 판독 가능한 매체는 중앙 서버를 위한 불휘발성 저장을 제공할 수 있다. 앞서 기술된 컴퓨터 판독 가능한 매체는 기술 분야에 공지된 임의의 다른 유형의 컴퓨터 판독 가능한 매체로 교체될 수 있다는 것을 유념하는 것이 중요하다. 예를 들어, 이와 같은 매체는 자기 카세트, 플래시 메모리 카드, 및 디지털 비디오 디스크를 포함한다.
다수의 프로그램 모듈들이 다양한 저장 디바이스에 의해 저장되고 RAM(530) 내에 있을 수 있다. 이와 같은 프로그램 모듈들은 운영 시스템(550) 및 복수의 하나 이상의(N개의) 모듈들(560)을 포함할 수 있다. 모듈들(560)은 프로세서(510) 및 운영 시스템(550)의 도움으로 중앙 서버(500)의 동작의 특정한 양태들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 모듈들은 앞서 기술되고 도면들에 의해 나타난 기능들 및 본 명세서에 기술된 다른 기능들을 수행할 수 있다.
도 1 내지 도 13에서의 개략도, 흐름도 및 블록도는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품의 잠재적인 구현예들의 구조, 기능, 및 동작을 도시한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도들에서의 각각의 블록은, 명시된 논리적 기능(들)을 이행하기 위한 하나 이상의 실행가능 명령들을 포함하는, 모듈, 세그먼트, 또는 코드의 일부분을 나타낼 수 있다. 또한, 일부 대안적인 구현예들에서, 블록에서 언급된 기능들은 도면들에 언급된 순서를 벗어나서 발생할 수도 있다는 것을 유의하여야 한다. 예를 들어, 관계된 기능에 따라, 연속하여 도시된 두 개의 블록들은, 실제에서, 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 또는 블록들은 때때로 반대 순서로 실행될 수 있다. 또한, 블록도들 및/또는 흐름도의 각각의 블록, 및 블록도들 및/또는 흐름도에서의 블록들의 조합은 명시된 기능 또는 동작을 수행하는 특수목적용 하드웨어 기반의 시스템, 또는 특수목적용 하드웨어 및 컴퓨터 명령들의 조합에 의해 구현될 수 있다는 것도 유의하여야 한다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들의 장점은 프로브(34)를 지나 확장된 초점면(18) 및 패턴(16)의 비교적 짧은 거리(3 mm, 2 mm, 1 mm 또는 그 이하)를 포함하는 것으로, 이는 작은 직경을 갖는 이도와 같은 길고 복잡한 기하학적 구조를 갖는 구멍들에서 측방향으로 이미지화할 수 있고, 3 mm 이상의 굴곡부를 주사하는데 유용하고, 이도 부분을 통한 다수의 통로들을 가질 필요 없이 더욱 큰 직경의 공간 및 이도를 또한 이미지화할 수 있다. 또한, 레이저 패턴(16)이 초점면(18)과 일치할 때 광각 렌즈(14)의 낮은 왜곡은 고해상도로 연결된다. 다른 종래 기술 시스템이 일 밀리미터 또는 그 이상 떨어져 이웃 픽셀을 가질 때, 이것은 단일 픽셀에 대한 50 마이크로미터의 해상도를 허용한다.
보청기의 생성에 대한 특별한 장점은 실리콘 몰드를 만드는 대신에 귀의 직접적인 주사를 허용하는 해결책을 포함한다. 보청기 제조자에게 직접적으로 제출하기 위해 이도의 모양 및 크기를 포착함으로써 비용을 줄이고 생산 속도를 증가시키면서, 품질, 성능 및 착용감이 향상된다. 다른 의료용 애플리케이션들은 내시경적 외과, 치과인상, 및 다양한 파이프, 채널, 튜브 또는 다른 개구부의 검사와 같은 앞서 언급된 산업용 애플리케이션들을 포함한다.
이하 특허청구범위의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소(means or step plus function element)의 대응하는 구조, 재료, 동작, 및 등가물은 구체적으로 청구된 바와 같은 다른 청구 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료, 또는 동작을 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 설명은 설명과 해설을 목적으로 제시되었으며, 본 발명의 형태를 망라한 것이거나 또는 본 발명을 개시된 형태로 한정시키려는 것으로 의도한 것은 아니다. 본 발명의 범위와 사상으로부터 일탈하지 않고서 수 많은 변형과 변경이 본 발명의 당업자에게 떠오를 것이다. 예를 들어, 카메라는 임의의 유형의 이미지 센서일 수 있다. 본 발명의 원리와 실제 응용을 최상으로 설명하고, 본 발명분야의 기타 사람들이 특정 용도 구상에 적합한 다양한 변형들을 갖는 다양한 실시예들을 염두하면서 본 발명을 이해하도록 하기 위해 실시예가 선택되고 기술되었다.

Claims (20)

  1. 3차원('3D') 객체를 주사(scan)하기 위한 장치에 있어서,
    주사 프로브가 장착된 스캐너 본체;
    복수의 추적 조명 센서들; 및
    데이터 프로세서를 포함하고,
    상기 주사 프로브는 레이저 광원, 레이저 광학 요소, 비레이저(non-laser) 비디오 조명의 소스, 이미지 센서에 광학적으로 결합된 광각 렌즈, 및 상기 스캐너 본체 내에 장착되고 상기 데이터 프로세서에 데이터를 전달하기 위해 결합된 이미지 센서를 포함하고,
    상기 추적 조명 센서는 추적 조명 에미터로부터 방출되고 주사된 객체에 관하여 고정되는 위치에 설치된 추적 기점들로부터 반사되는 추적 조명의 반사를 감지하고, 상기 추적 조명 센서들은 또한 상기 추적 조명 에미터로부터 방출되고 상기 스캐너 본체 상의 고정된 위치에 설치된 추적 타겟들로부터 반사되는 추적 조명의 반사를 감지하며,
    상기 데이터 프로세서는 주사된 객체가 레이저 광에 의해 조명될 때에 포착된 이미지들의 시퀀스 및 상기 추적 조명 센서에 의해 감지되는 추적 조명의 반사로부터 추론되는 상기 주사 프로브의 추적된 위치에 따라, 상기 주사된 객체의 3D 이미지를 구성함으로써 기능하도록 구성되는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서에 데이터를 전달하기 위해 결합된 디스플레이 스크린을 더 포함하고, 상기 디스플레이 스크린은 상기 주사된 객체의 이미지를 디스플레이하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 주사된 객체의 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 스크린은 비레이저(non-laser) 비디오 조명에 의해서만 조명된 상기 주사된 객체의 상기 이미지 센서로부터의 비디오 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 스크린을 더 포함하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 주사된 객체의 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 스크린은 상기 주사된 객체의 3D 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 스크린을 더 포함하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서에 데이터를 전달하기 위해 결합된 디스플레이 스크린을 더 포함하고, 상기 디스플레이 스크린은 상기 주사된 객체의 이미지를 디스플레이하고, 상기 디스플레이 스크린은 상기 스캐너 본체 상에 장착되는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 주사 프로브의 레이저 광원은 상기 프로브 밖의 레이저로부터 상기 주사 프로브에 레이저 광을 전도하는 광섬유를 포함하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광학 요소는 원추형 레이저 반사 광학 요소를 포함하고,
    상기 레이저 광원 및 상기 원추형 레이저 반사 광학 요소는 상기 레이저 광원에 의해 조명될 때 상기 원추형 레이저 반사 광학 요소가 상기 주사 프로브가 귀에 배치되는 경우 상기 귀의 내부 표면 상에 파손된 고리형의 레이저 광을 투사하도록 구성되는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광학 요소는 레이저 광학 렌즈를 포함하고,
    상기 레이저 광원 및 상기 레이저 광학 렌즈는 상기 레이저 광원에 의해 조명될 때 상기 레이저 광학 렌즈가 상기 레이저 광학 렌즈의 전면으로부터의 레이저 광을 상기 객체 상에 투사하도록 구성되는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 레이저 광에 의해 조명되는 상기 주사된 객체의 표면의 전체 부분이 상기 이미지 센서의 초점에 있도록 상기 광각 렌즈는 충분한 심도를 갖는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 주사된 객체의 3D 이미지를 구성하는 것은, 상기 주사된 객체가 상기 주사 프로브의 레이저 광에 의해 조명될 때 획득된 상기 주사된 객체의 2D 이미지의 상기 이미지 센서로부터의 시퀀스에 대해,
    각각의 2D 이미지에 대한 리지 점(ridge point)을 검출하는 것 - 상기 검출하는 것은 각각의 2D 이미지에 대한 가장 밝은 픽셀들의 세트를 식별하는 것을 더 포함하고, 각각의 세트는 상기 주사된 객체의 표면으로부터 반사된 레이저 광의 패턴을 나타냄 - ;
    상기 이미지 센서의 각각의 픽셀과 스캐너 공간의 대응하는 점 간의 미리 결정된 연관에 따라, 상기 리지 점을 상기 스캐너 공간의 점으로 변환하는 것; 및
    스캐너 공간을 정의하는 좌표계의 원점과 객체 공간을 정의하는 다른 좌표계의 원점 간의 관계에 따라, 스캐너 공간의 점을 객체 공간의 점으로 변환하는 것을 더 포함하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 주사된 객체의 3D 이미지를 구성하는 것은,
    상기 프로브가 상기 주사된 객체에 관해 움직임에 따라 상기 이미지 센서에 의해 포착된 이미지들의 시퀀스에 따라, 상기 3D 이미지를 구성하는 것을 더 포함하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 주사된 객체는 귀인 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 주사된 객체는 귀의 내부 부분인 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 주사 프로브는 또한 인간 신체의 구멍 내로 확장되도록 구성되는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광원은 상기 광각 렌즈보다 더욱 멀리 연장되며 상기 광각 렌즈의 관측 시야 내에 있는 광섬유를 포함하는 것인 3차원('3D') 객체를 주사하기 위한 장치.
  16. 주사된 객체의 3차원 기하학적 구조를 결정하는 방법에 있어서,
    광원을 이용하여, 좌표계의 위치에 광 패턴을 투사하는 단계 - 상기 광 패턴 중 적어도 부분적 측면 부분이 상기 주사된 객체의 표면을 조명함 - ; 및
    초점면을 갖는 이미지 센서를 이용하여 상기 좌표계에서의 측면 부분의 위치를 결정하는 단계 - 상기 초점면은 상기 위치를 포함함 -
    를 포함하는 것인 주사된 객체의 3차원 기하학적 구조를 결정하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 주사된 객체의 상이한 표면을 조명하기 위해 상기 광원을 이동시키는 단계; 및
    상기 상이한 표면 각각에 대해 상기 투사하는 단계 및 상기 결정하는 단계를 반복하는 단계
    를 더 포함하는 것인 주사된 객체의 3차원 기하학적 구조를 결정하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 좌표계에서의 주사된 객체의 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 좌표계에서의 상기 주사된 객체의 위치를 이용하여 상기 주사된 객체의 상이한 표면들의 측면 부분들의 위치를 연관시키는 단계
    를 더 포함하는 것인 주사된 객체의 3차원 기하학적 구조를 결정하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 좌표계에서의 주사된 객체의 위치를 결정하는 단계;
    상기 좌표계에서의 상기 주사된 객체의 위치를 이용하여 상기 주사된 객체의 상이한 표면들의 측면 부분들의 위치를 연관시키는 단계; 및
    상기 측면 부분들의 연관된 부분들을 이용하여 3차원 모양을 어셈블리하는 단계
    를 더 포함하는 것인 주사된 객체의 3차원 기하학적 구조를 결정하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 주사된 객체는 귀인 것인 주사된 객체의 3차원 기하학적 구조를 결정하는 방법.
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