特許 6782776 ３Ｄ形状モデリングにおける人間の頭の方向を明確に決定する方法と装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6782776

(24)【登録日】2020年10月22日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】３Ｄ形状モデリングにおける人間の頭の方向を明確に決定する方法と装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/107 20060101AFI20201102BHJP

   A61C 19/04 20060101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   A61B5/107 110

   A61C19/04 Z

【請求項の数】8

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2018-523391(P2018-523391)

(86)(22)【出願日】2016年7月25日

(65)【公表番号】特表2018-530408(P2018-530408A)

(43)【公表日】2018年10月18日

(86)【国際出願番号】US2016043807

(87)【国際公開番号】WO2017019582

(87)【国際公開日】20170202

【審査請求日】2019年5月17日

(31)【優先権主張番号】14/808,880

(32)【優先日】2015年7月24日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】512159720

【氏名又は名称】ダビドフ，アルバート

【氏名又は名称原語表記】ＤＡＶＹＤＯＶ，Ａｌｂｅｒｔ

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】ダビドフ，アルバート

(72)【発明者】

【氏名】ウソフ，ピーター

【審査官】 福田 千尋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３３１７２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００３−５０５９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Leonardo Koerich de Paula et al.，Digital live-tracking 3-dimensional minisensors for recordeing head orientation during image acquision，American journal of Orthodonitics and Dentofacial Orthopedics，２０１２年 １月３１日，141(1)，pp.116-123

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ５／００−５／２２

Ａ６１Ｃ １９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

患者の頭に位置するヘッドバンド、
前記ヘッドバンドに固定される１対のテンプル、及び、
前記テンプルに回転可能に連結され、少なくとも２台のカメラを備えた前方ハウジングを含み、
患者の顔面に置かれて患者の頭の両側の眼窩点と耳点を連結する２個の人類学的基準線の各々を、各カメラの視野内でピックアップするように前記カメラが前方ハウジングの内部に位置し、
前記２個の人類学的基準線が並んで整列された時、前記２個の人類学的基準線からなる平面に一致する測定面に置かれる３Ｄコンパスを前記前方ハウジングがさらに含み、前記３Ｄコンパスはコンパスそのものが前記測定面に位置した時の患者の頭の３Ｄ方向を定量的に測定することを特徴とする人間の頭の３Ｄ方向決定装置。

【請求項2】

前記３Ｄコンパスは、少なくとも一つの３軸磁気センサ、少なくとも一つの３軸加速度計、前記３軸磁気センサと加速度計に連結されて信号を受けるマイクロコントローラ、３Ｄコンパスと信号をやりとりするトランシーバーモジュール、及び、電源を含むことを特徴とする、請求項１に記載の人間の頭の３Ｄ方向決定装置。

【請求項3】

前記カメラの各々が、ギアに連結された鋸歯が取り付けられたディスクに固定され、前記ギアを回してディスクと該カメラの角度を調節することを特徴でする、請求項１に記載の人間の頭の３Ｄ方向決定装置。

【請求項4】

前記カメラの各々が可動ベースに連結され、可動ベースが動けば、該カメラの水平位置が変わることを特徴とする、請求項１に記載の人間の頭の３Ｄ方向決定装置。

【請求項5】

前記可動ベースにウォーム結合で連結されて可動ベースを漸進的な動きで動かすスクリューヘッドをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の人間の頭の３Ｄ方向決定装置。

【請求項6】

患者の顔面の側面の眼窩点と耳点を連結する人類学的基準線を患者の顔面の左右に設定するステップ、
１対のテンプルと該テンプルに回転可能に連結された１個の前方ハウジングを含み、前記前方ハウジングが少なくとも２個のカメラと１個の３Ｄコンパスを備え、これらのカメラとコンパスがいずれも前方ハウジングの内部で動くようになっているヘッドギアを提供するステップ、
前記ヘッドギアを患者の頭に位置させるステップ、
前記カメラの各々の視野内に前記人類学的基準線のうち一つがピックアップされるようにカメラを位置させるステップ、
前記人類学的基準線が並んで整列された時、前記２個のカメラの視野を用いて人類学的基準線からなる平面として頭蓋骨基平面を形成するステップ、
前記頭蓋骨基平面に一致する測定面に３Ｄコンパスを位置させるステップ、及び、
前記３Ｄコンパスが頭蓋骨基平面に一致する測定面に位置した時、３Ｄコンパスを用いて患者の頭の３Ｄ方向を定量的に測定するステップを含むことを特徴とする人間の頭の３Ｄ方向決定方法。

【請求項7】

前記３Ｄコンパスが頭蓋骨基平面に一致する測定面に位置した時、患者の頭の測定された３Ｄ方向を患者の頭の中立位置に記録するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の人間の頭の３Ｄ方向決定方法。

【請求項8】

患者が頭を動かした後、３Ｄコンパスを用いて患者の頭の新しい３Ｄ方向を定量的に測定するステップ、及び
患者の頭の前記新しい３Ｄ方向を中立位置と定量的に比較するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の人間の頭の３Ｄ方向決定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３Ｄ形状モデリングにおける人間の頭の方向を明確に決定する方法と装置に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、３Ｄ形状モデリングにおける頭の方向の測定は、種々のジャイロスコープ、加速度計及び電子コンパスによって決定された測定値の組み合わせに基づく。例えば、あるシステムは、ヘッドギアに設けられた３軸加速度計と共振ジャイロスコープの測定値に基づく。

【0003】

現在使用中の他の方法と測定装置は、デュアル傾斜計、バブルゴニオメーター（ｂｕｂｂｌｅ ｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ）、放射線写真、コンパス技術、ビジュアル測定、超音波、形状法、デジタル光電子機器、パッシブマーカーと赤外線カメラを用いた運動学的分析、患者の頭に付着されたセンサやＭＲＩを用いて頭の方向を決定する。しかし、これらのうちのどの方法も人間の頭の中立位置を３次元に定義するのに十分な正確さを持つことができない。

【0004】

このように人間の頭の３Ｄ方向の中立位置の正確な定義の不足は現在の３Ｄ形状モデリングにおいて深刻な問題となり、特に動く間に人間の頭の方向を測定する時に問題となる。例えば、歯科分野では、既存の方法によっては３Ｄモデルで患者を測定する時に深刻なエラーと歪みが生じる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、正確で、信頼性が高く、ユーザーフレンドリーで、安価であり、携帯が可能なヘッドモーションと方向の測定ができる装置を提供することにある。

【0006】

本発明の他の目的は、３Ｄ形状モデリングにおける人間の頭の不明確な方向を避け、且つ、現在紹介された方法を利用してセンサの初期設置を正しくするようにするヘッドギア装置を提供することにある。

【0007】

本発明のまた他の目的は、患者の頚椎の様々な移動範囲を測定できるヘッドギア装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、人間の頭の３次元定位を決定する装置に関する。この装置は、患者の頭に位置するヘッドバンド、ヘッドバンドに固定される１対のテンプル、及びテンプルに回転可能に連結された前方ハウジングを含む。前方ハウジングは少なくとも２台のカメラを有し、各々のカメラは患者の頭の両側の眼窩点と耳点を連結する２個の人類学的基準線の各々を各々のカメラの視野内でピックアップするようにカメラが前方ハウジングの内部に位置する。また、前方ハウジングは、頭蓋骨基平面に一致する測定面に位置して患者の頭の３Ｄ方向を定量的に測定する３Ｄコンパスを含む。

【0009】

本発明は、人間の頭の３Ｄ方向を決定する方法にも関連する。この方法は、患者の顔面の側面の眼窩点と耳点を連結する人類学的基準線を患者の顔面の左右に設定するステップを含む。１対のテンプルと該テンプルに回転可能に連結された１個の前方ハウジングとを備えたヘッドギアにおいて、前方ハウジングが少なくとも２個のカメラと１個の３Ｄコンパスを備え、これらのカメラとコンパスはいずれも前方ハウジングの内部で動くようになっている。カメラの各々の視野内に人類学的基準線のうち一つがピックアップされるようにカメラの各々が調整される。人類学的基準線が並んで整列された時、このような２個のカメラの視野を用いて人類学的基準線からなる平面として頭蓋骨基平面を形成する。次に、頭蓋骨基平面に一致する測定面に３Ｄコンパスを位置させ、３Ｄコンパスが頭蓋骨基平面に一致する測定面に位置した時、３Ｄコンパスを用いて患者の頭の３Ｄ方向を定量的に測定する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】人類学的基準線を示す頭蓋骨の概略図である。

【図2】本発明に適用される形状原理の概略図である。

【図3】本発明により３Ｄ形状モデリングにおける人間の頭の方向を明確に決定する装置の概略図である。

【図4】３Ｄコンパスの電子要素のブロック図である。

【図5】ヘッドギアの他の一例の概略図である。

【図6】ヘッドギアのまた他の一例の概略図である。

【図7】ヘッドギアの一部分の斜視図である。

【図8】ヘッドギアのカメラ設置部分の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図示されたように、本発明の方法と装置は、人間の頭の３Ｄ方向の正しい中立位置を決定するのに用いられる。このように決定された中立位置は、人間の頭の３Ｄ方向の明白な定義、および、動作をする間の頭の方向に用いられることができる。

【0012】

人間の頭の３Ｄ方向の正しい中立位置を決定する装置の要素が図２〜３に示されている。ヘッドギア１００のプラスチックフレーム１６は、２個のテンプル１０、１１及び１個の前方ハウジング１８を有する。電子ハードウェア９を備えた少なくとも一つの３Ｄコンパス１が前方ハウジング１８の内部に固定される。３Ｄコンパス１は、磁気歪みの較正と計算のために集積されたコンパスモジュールであり、３軸磁気抵抗センサと３軸マイクロ電気機械システム加速度計、アナログデジタルサポート回路を含む。このようなコンパスセットは磁場を測定するためのものである。コンパスについては図４をもってさらに詳しく説明する。

【0013】

ヘッドギア１００は、患者の頭に位置する調節ヘッドバンド１４をさらに含む。フレーム１６は、ヘッドバンド両側に位置したクリップ１５とピボット８を介してヘッドバンド１４に固定され、ヘッドバンドに対して摩擦しつつピボット８において旋回するようになっている。両側クリップ１５とピボット８は様々な頭の大きさに合わせて様々な大きさとして提供されることができる。

【0014】

前方ハウジング１８に少なくとも１対の左右カメラ２、３が取り付けられている。ヘッドギア１００全体を上下に動かしながら左右カメラを人類学的基準線に合わせることができる。前方ハウジング１８にカメラを固定する回転取っ手１２、１３を用いて各カメラの水平位置を調整し固定することができる。回転取っ手１２、１３は、スロット１９に沿って動かすことができる（図５参照）。したがって、各カメラの水平位置を調整しようとすれば、ユーザーが回転取っ手をカメラから分離せずに緩めてカメラと共に所望の位置に動かした後、取っ手を締め付けてその位置にカメラを固定すれば良い。また、前方ハウジング全体が前方取っ手７でテンプル１０、１１に付着されているため、前方ハウジング１８をカメラ２、３及び３Ｄコンパス１と共にテンプルに対して動かすことができ、この時、テンプルの位置は変わらない。

【0015】

二つの他例が図５〜６に示されている。図５のヘッドギアは、テンプル１０、１１の端部を連結する第１アーチ部３２と、ピボット８部位の両側テンプルに連結されてヘッドバンド１４の一部分をなす第２アーチ部３４とを含む。図５〜６の実施形態のヘッドバンド１４は１対の支持部３８を含み、これらの支持部は第２アーチ部３４を過ぎて伸び、ヘッドバンドを第２アーチ部に連結し支持する。

【0016】

図６の実施形態においては、第１アーチ部３２が患者の頭上に位置し、テンプル１０、１１が短くなる。ヘッドバンド１４はクリップ３３により患者の頭に固定される。フレーム１６全体がピボット８を中心にピボットされ、ヘッドバンドと患者の頭に対してフレームの角度を調節することができる。本実施形態は、患者の便宜性と技術者の接近性を改善する。また、カメラが前方ハウジング１８の内部に他の方式で固定される。カメラを固定するメカニズムは図７〜８をもって説明する。ギア２５に噛合する鋸歯２３が取り付けられたディスク２１にカメラが固定され、ユーザーはギア２５を回してディスクの角度を調節してカメラを調整することができる。ディスクは可動ベース２７に設けられる。軸３１が取り付けられたスクリュー２９が可動ベース２７とウォーム結合をして、スクリューヘッドを回せば、可動ベースが軸３１に沿って水平に動く。図６に示すように、各々のスクリュー２９のスクリューヘッドの一部分は、前方ハウジング１８の上面上に突出する。したがって、カメラの水平位置を調整しようとすれば、スクリューヘッドを回して該当ベース２７を所望の方向に動かせば良い。本実施形態においては、ユーザーがカメラの水平位置を非常に正確に調整することができるため、測定正確性が改善される。

【0017】

図４によれば、ハードウェア９は、複数のセンサである３軸磁気センサ２０と３軸加速度計２２、これらのセンサ２０、２２に連結されて信号を受けるマイクロコントローラ２４、ハードウェアの全ての素子を作動させるためのバッテリーのような電源２６、及びＲＦトランシーバーモジュール２８を含む。

【0018】

マイクロコントローラ２４は、センサ２０、２２からの信号の較正と方向計算をするためのものであり、地球磁場の方向と大きさを測定するように設計された非常に低い交差軸干渉の固体状態の構造を提供する。電源２６は全ての素子に動力を供給する。センサは、検知軸方向の全ての入射磁場を差動電圧出力に変換する。図４のＲＦトランシーバーモジュール２８としては、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｃｏｒｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｖ４．１に合うシングルモードＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｓｍａｒｔモジュールとしての低電力２．４ＧＨｚ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） ４．０（ＢＬＥ） ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ− Ｃｈｉｐ）が好ましい。このモジュールは、ＲＦ、ベースバンドコントローラ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｇｅｎｅｒｉｃ Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ Ｐｒｏｆｉｌｅを実現するコマンドＡＰＩプロセッサを備える。

【0019】

電子ハードウェアを備えた３Ｄコンパスにより生成されたデータは処理されたデータであって、後処理及び／又はモニタースクリーンにおけるディスプレイのために、好ましくは、無線で任意の計算機器に転送されることができる。３Ｄコンパスは、エネルギー効率的なデータ転送プロトコルを用いてＰＣソフトウェアに無線で連結され、誤作動を制限することが好ましい。また、ＰＣソフトウェアは、ユーザーに対する命令をディスプレイして適切な措置を取り、ユーザーのエラーを防止することができる。

【0020】

３Ｄコンパスは、矢状面（ｓａｇｉｔｔａｌ ｐｌａｎｅ）に直角な水平面に設けられ、センサの水平面が頭蓋骨基平面に平行する時まで回転する。頭蓋骨基平面は、頭蓋骨の左右側の人類学的基準線を通過する平面である。図１に示すように、人類学的基準線は、眼球の下縁（眼窩点）から耳点（外耳道の中央部）を通して後頭骨の中心まで後に伸びる。左右側の人類学的基準線は、実際には、カメラに撮られる患者の顔面で描かれるが、当業者であれば、顔面に光を透過する等の他の方法によって眼窩点と耳点を連結する線を描くことができる。

【0021】

以下、本発明の原理について説明する。所定のアルゴリズムによって３Ｄコンパス１が人間の頭の矢状面に直角な水平面に置かれ、水平面が頭蓋骨基平面６に一致する時までコンパスが回転する。コンパス１の正しい位置は、左右側カメラ２、３によって調節される。図２に示すように、各々のカメラは頭蓋骨基平面６に直角に置かれ、カメラの視野５，４内で患者の顔面に置かれた左右側の人類学的基準線をピックアップする。次に、カメラが信号をデジタル化してビデオモニター（図示せず）に転送する。２個の人類学的基準線のピックアップされた画像が平行に整列された時に２個の基準線を通過する平面が頭蓋骨基平面６である。

【0022】

頭蓋骨の人類学的基準線のモニター画像がＸ軸に並んで同一線上にあれば、カメラ２、３はいずれも正しくセッティングされたものである。コンパス１は、カメラの（垂直）Ｙ軸に直角な平面である頭蓋骨基平面６と同じ平面にある。このような平面を測定面とし、測定面におけるコンパス１の位置を患者の３Ｄの頭の方向の正しい中立位置に記録する。

【0023】

前述したように、本発明は、３Ｄの人間の頭の方向の正しい中立位置を決定するモデルを提供する。３Ｄコンパス１が頭蓋骨基平面６に沿って位置する時、コンパスセンサからの信号がコンピュータ・システムに転送されて中立位置を記録する。その後、患者の頭のあらゆる動きがこのように記録された中立位置に対して記録し測定される。したがって、患者の頭の他の全ての３Ｄ動作と方向が客観的で中立的で且つ独立的な因子に対して測定され、３Ｄモデリングを進めることができる。また、中立位置が決定されれば、センサを他の身体部位に置き、このような身体部位の位置と因子を中立位置（すなわち、人類学的基準線）に対して正確に測定することができる。例えば、患者の頚椎に追加センサを配置し、このようなセンサの位置を中立位置に対して記録すれば、患者の頚椎の様々な運動範囲を測定することができる。実験によれば、本発明の方法とシステムを用いてユーザーが０．５°程度の正確度で測定ができる。

【0024】

以上で説明した方法に基づいた正確な３Ｄモデリングは下記の分野に特に有利である。

【0025】

歯科矯正、歯科補綴、顎顔面手術、老人性疾患者のロボットケア、ロボット手術／治療の補助、ロボット手術、一般放射線学、放射線腫瘍学、物理療法、リハビリ医学、整形外科、おもちゃ、ビデオゲーム、宇宙空間訓練システム、災難（車事故等）に備えた模擬訓練、人体シミュレーション、人体ＬＰＳ（Ｌｏｃａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）、高精密軍用ロボットシステム、高精密ヘッド基盤照準システム、歯科におけるＴＭＪ計量分析と矯正、睡眠無呼吸症の治療。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】