被験体の３次元的位置及び向き測定装置

【課題】ガントリ内部のような細長い狭い空間であっても、１個の立体マーカと１台の連続撮像装置のみからなる装置で、立体マーカの３次元的位置と３次元的向きを連続して測定可能とする。
【解決手段】４以上の目印が立体的に配置されている立体マーカ４０を撮像装置（カメラ２４）を用いて撮影し、撮影画像中の見かけの２次元的位置を計測し、立体マーカ４０の既知の幾何学的形状をもとに、立体マーカ４０の３次元的位置と向きを計算する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験体の３次元的位置及び向き測定装置に係り、特に、ＰＥＴ（ポジトロンＣＴ）検査やシンチグラフィ検査等の被験者の動きを測定する必要がある放射線画像診断分野や放射線治療分野で、患者の部位（頭や身体）の移動量を計量する際に用いるのに好適な、被検体を撮影した画像から被検体の位置と向き及び角度を検出するための被験体の３次元的位置及び向き測定方法及び装置、及び、これに用いるための立体マーカ及び立体マーカ撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＴ検査やシンチグラフィ検査等の核医学検査は、通常、数分〜数十分という長い撮像時間を必要とする。少しでも被験者（患者）が動いてしまえば画質が劣化し、診断精度が著しく悪化してしまうので、その間、特殊な器具を使用するなどして、被験者の動きを抑えるのが一般的である。このような身体的束縛は、取り分け高齢者、心身疾患者、幼児、小児にとっては大変な精神的・肉体的負担である。また、たとえ動きを抑える努力をしたとしても小さな動きは避けられない。近年の高分解能装置においては、そのわずかな動きでも画質に影響を与える可能性がある。従って、被験者の動きをある程度は許容しても最終的な画質の劣化が生じないような核医学イメージング手法が求められている。検査装置とは別の何らかの装置により被験者の動きを測定し、動きの影響を補正することができれば、この問題を解決できる。
【０００３】
このような目的で、従来技術において、図１に示す如く、被験者１０から所定距離離れて設置された複数（図では２台）のデジタルビデオカメラ等の光学的連続撮像装置２１、２２により、検査中の被験者１０の頭部の動きを２眼ステレオ方式で測定する場合、撮像装置から見える部位の少なくとも３ヵ所（図では４ヵ所）に取り付けた点状マーカ３１、３２、３３、３４を、離れた位置に置かれた２台以上の連続撮像装置２１、２２により互いに異なる方向から連続撮像し、得られた像全体の中から画像処理により各点状マーカ像を抽出し、その抽出像から各点状マーカの三次元座標を三角測量法により計算して複数のマーカ座標値を得、そして得られた各座標値を組合せることで被験者１０の位置や向きを計算していた。
【０００４】
又、特許文献１には、手術中の患者に、磁場を発生する基準ユニットを備えたヘッドセットを装着し、前記基準ユニットの磁場をセンサによって検出して、手術器具の位置を検出することが記載されている。
【０００５】
又、特許文献２には、特定のマーカを使用せずに、画像中から、被験者の顔の眉、目、鼻、ほくろ、口等の特徴的な認識対象（特徴点）を抽出し、その３次元位置を２眼ステレオ法により計測し、その特徴点の相対的な位置変化から、頭部の動きを測定することが記載されている。
【０００６】
又、発明者らが先に提案した特許文献３には、立体マーカを用いて、１台のカメラのみで対象の位置と向きを計測する手法が記載されている。
【０００７】
一方、医療分野以外にも目を向けると、特許文献４や５には、光学的手段で撮像した画像中から対象物の位置を抽出するための平面状のターゲットやマーカが記載されている。
【０００８】
又、特許文献６には、向き（対象の傾き）を高精度で測定するための、図２に示すような２段の平行な円形などの面をもつ立体的なターゲットが提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３１８９３７号公報
【特許文献２】特開平１１−６３９２７号公報
【特許文献３】特開２００５−１１１１１５号公報
【特許文献４】特開平９−１７８４４７号公報
【特許文献５】特開平７−９８２０８号公報
【特許文献６】特開平１１−６３９５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図１に示した２眼ステレオ方式による方法は、少なくとも２台の撮像装置の間隔、及び、それらと測定対象物との距離を、ある程度離さねばならず、ガントリ内部のような狭い空間には適用できないという問題点があった。
【００１１】
又、特許文献１のように磁気センサを用いる方法では、磁場発信装置が必要になると共に、医療装置等、磁場に影響を与える物質が測定に影響を及ぼさないように測定状況が限定されるという問題点があった。
【００１２】
又、特許文献２のように画像中から特徴的な認識対象を抽出する方法では、髪の毛や洋服等の影響や、複雑な変形運動による影響を受け易いという問題点があり、又、複数の撮像装置が必要であるため図１の手法と同様な問題点があった。
【００１３】
又、特許文献３の方法は、カメラを１台のみしか使用しないため、ガントリ内部のような細長い空間にも設置可能ではあるが、カメラと対象物との距離を表す座標を正確には測定できず、３次元的な位置を計測するには、何らかの補助的測定手段を併用しなければならないという問題点があった。
【００１４】
又、特許文献４や５で用いられているターゲットやマーカは、いずれも平面的なものであり、向きや回転角度の測定精度には限界があった。
【００１５】
又、特許文献６に用いられている立体的なターゲットでは、ターゲットに目印が付けられていないため、ターゲット中心軸の周りの回転角度を検出することができず、更にターゲット上に２つの平行な図形が存在する必要があるため、比較的大きなターゲットを用いる場合には、被験者の頭部等には取り付け難いという問題点があった。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ガントリ内部のような狭い空間であっても、１個の立体マーカと１台の連続撮像装置のみからなる装置で、立体マーカの３次元的な位置と３次元的な向きを連続して測定可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は４以上の目印が立体的に配置されている立体マーカを、撮像装置を用いて撮影し、撮影画像中の見かけの２次元的位置を計測し、立体マーカの既知の幾何学的形状をもとに、立体マーカの３次元的位置と向きを計算することにより、前記課題を解決したものである。
【００１８】
前記立体マーカと撮像装置の距離は、見かけの拡大率を十分な精度で計測できるように、十分に小さくすることが望ましい。
【００１９】
前記立体マーカを、検査時に被験体の検査部位近傍面に一つ取り付け、被験体測定部位の動きを計量することができる。
【００２０】
本発明は、又、３以上の目印が平面的に配置され、その平面から撮像装置側に向かって所定の高さに１以上の目印を有することにより、４以上の目印が立体的に配置されていることを特徴とする、前記被験体の３次元的位置及び向き測定方法に用いるための立体マーカを提供するものである。
【００２１】
前記所定の高さは、３次元的向きを表す３種類の角度座標を高精度で計測できるように、十分に大きくすることが望ましい。
【００２２】
本発明は、又、前記立体マーカの目印を動画撮影し、画像中における目印の２次元的位置を測定するための一台のカメラと、動画処理装置を備えたことを特徴とする、前記被験体の３次元的位置及び向き測定方法に用いるための立体マーカ撮像装置を提供するものである。
【００２３】
本発明は、又、前記の立体マーカと、前記の立体マーカ撮像装置と、該立体マーカ撮像装置を用いて撮像された画像中の見かけの２次元的位置を計測し、立体マーカの既知の幾何学的形状をもとに、立体マーカの３次元的位置と向きを計算する手段と、を備えたことを特徴とする被験体の３次元的位置及び向き測定装置を提供するものである。
【００２４】
前記立体マーカ撮像装置は、ガントリに配設することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ガントリ内部のような細長い狭い空間であっても、１個の立体マーカと１台の連続撮像装置のみからなる装置で、三角測量法を使うことなく立体マーカの３次元的位置と３次元的向きを計測でき、それらの時間的変化を追跡できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明に係る立体マーカ４０は、図３に示す如く、所定の平面に３つ以上の目印４１、４２、４３が付され、その平面から所定の高さに少なくとも１つの目印４４が付されたものであり、ＰＥＴ検査やＳＰＥＣＴ検査などの核医学検査時に被験者の身体面に取り付けて使用するものである。
【００２８】
前記立体マーカ４０を撮像する連続撮像装置（単にカメラと称する）２４は、図３に示す如く、従来の技術と同様にデジタルビデオカメラなど、所定位置から立体マーカ４０の目印４１〜４４を連続して撮像可能なものである。
【００２９】
前記カメラ２４で取得された画像を処理するコンピュータ部５０は、図３に示した如く、撮像された画像を処理する画像処理部５２と、続く演算処理部５４と、予め立体マーカ４０の目印４１〜４４の配置、形状、相対位置などを記憶しておく記憶部５６とで構成することができる。
【００３０】
前記画像処理部５２においては、所定の画像処理により、先ず立体マーカ４０上の目印４１〜４４が２次元画像中で抽出される。但し、カメラは全ての目印４１〜４４の位置や向きの変化が見える位置にあらかじめ設置されているものとする。
【００３１】
被験者の動きに伴う立体マーカ４０の３次元的位置と３次元的向きの変化により、抽出２次元画像上での見掛の目印４１〜４４の位置が変化する。逆に、２次元画像中における目印４１〜４４の２次元的な位置から、図４に手順を示す演算により、３次元的位置と３次元的向きを計測することができる。
【００３２】
まず、図４のステップ１００で初期設定する。具体的には、立体マーカ４０に付された目印４１〜４４の個数をｎ（自然数）（この例ではｎ＝４）とする。図５に示す如く、所定の目印iと目印j（iとjはｎ以下の自然数でi＜j）の距離をl_ij、目印iで形成される平面Ｓからの目印jの高さをh_jとする。この例では、所定の高さに付された目印は１つのみなので、高さをhと記す。
【００３３】
次に、図６に示す如く、前記立体マーカ４０をカメラ２４の中心光軸を横軸Ｚ軸とし、Ｙ軸を鉛直上向きとする座標系の中に設置し、原点に置かれたカメラ仮想視点から観察するとする。原点から目印iまでの距離をd_i、目印iの極座標系での極角をθ_i、位相角をφ_iとする。
【００３４】
次に、図７に示す如く、カメラ２４で撮影したある時刻における２次元画像中において、目印iのピクセル座標を（px_i、py_i）、原点からの距離をpr_i、位相角をψ_iとする。
【００３５】
次に、カメラ仮想視点を中心とした半径d₀の球面を想定し、これを基準球面と考え、基準球面上における極角θと位相角φを対応する２次元画像中の座標pr、ψ、及びd₀の関数としてθ＝θ（pr、ψ、d₀）、φ＝φ（pr、ψ、d₀）のように表せるように校正を行う。ちなみに、カメラ特性の線形性が優れていれば、近似的には、
θ≒ｃ×pr（cは定数）、
φ≒ψ
とすることができる。
【００３６】
以上により、ｘｙｚ座標系における目印iの３次元座標（x_i,y_i,z_i）は以下のように表せる（ステップ１１０）。
【００３７】
x_i=d_i×sin（θ_i）×cos(φ_i) …（１）
y_i=d_i×sin（θ_i）×sin(φ_i) …（２）
z_i=d_i×cos（θ_i） …（３）
θ_i＝θ_i（pr_i、ψ_i、d_i）≒c×pr_i …（４）
φ_i＝φ_i（pr_i、ψ_i、d_i）≒ψ_i …（５）
【００３８】
次に、目印間の距離は既知なので、次の制約条件が成立する。
【００３９】
lij²＝|（x_i,y_i,z_i）−（x_j,y_j,z_j）｜² …（６）
(i、jはｎ以下の自然数で、i＜j)
【００４０】
制約条件の数はｎ（ｎ−１）／２個、演算により決定しなければならない変数はd_i（iはｎ以下の自然数）でｎ個なので、ｎが４以上ならば十分にd_iを決定することが可能である。
【００４１】
実際の演算処理においては、最小にすべき関数を適切に定義し、非線形の最小化演算法によりd_iを決定する（ステップ１２０）。例えば、最小化関数δを以下で定義する。
【００４２】
δ＝Σ|l_ij²−|（x_i,y_i,z_i）−（x_j,y_j,z_j）｜²｜ …（７）
【００４３】
全ての目印について変数d_iが求まれば、目印の座標（x_i,y_i,z_i）が求まり（ステップ１３０）、結果として、立体マーカ４０の３次元的位置と３次元的向きを計測できる。
【００４４】
次に、立体マーカとすることで、向きの変化における極角の測定精度が向上することを説明する。図８に示す如く、立体マーカ４０が中心光軸に対してγの角度（極角）だけ微小に変化したとする。所定の高さhの位置に目印があるので、２次元画像中における目印の見掛けの位置の変化はh×sinγ〜hγに比例する。もし、立体マーカではなく平面マーカならば、２次元画像中における目印の見掛けの位置の変化は、立体マーカの底面の半径をr程度とすると、
r×（１−cosγ）∝γ^２
となり、γの微小変化を測定することが困難である。
【００４５】
次に、従来技術の特許文献３で問題となっていた、立体マーカとカメラの距離方向の動きの計測精度の向上について、試行結果を含めて説明する。距離ｚがｄｚだけ微小に変化するとすれば、２次元画像中における見掛けの拡大率の変化の割合はｄｚ／ｚの程度である。２次元画像中におけるマーカの大きさの程度がピクセル数にしてpr程度とすれば、検出可能なｚの変化はｄｚ〜ｚ/pr程度となる。即ち、立体マーカを数百ピクセル程度の大きさで撮影すれば、距離ｚの数百分の１程度の距離測定精度が得られることになる。図８に示す実施例では、ピクセル数が高々６４０×４８０のデジタル動画カメラ２４を、立体マーカ４０に距離２０ｃｍ程度まで近づけ撮影して動きを計測した場合、prは２００ピクセル程度であり、ｚ方向の測定精度として良好な測定精度が得られた。
【００４６】
前記カメラ２４は、図９に例示する如く、ガントリ６０内、例えばガントリ上部６０Ａの被験者１０に装着した立体マーカ４０の近傍に配設することができる。図において、６０Ｂはガントリ下部である。
【００４７】
前記実施形態では、４つの目印を持つ立体マーカを用いていたが、目印の数は４つに限定されず、５つ以上であっても良い。また、連続撮像装置もデジタル動画カメラに限定されない。
【００４８】
更に、本発明の立体マーカ撮像装置を２台以上組み合わせ、冗長性を高め、データの相互比較などにより計測精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】２眼ステレオ方式による従来技術の一例を示す斜視図
【図２】特開平１１−６３９５２で提案された立体マーカの例を示す斜視図
【図３】本発明の実施形態による測定状況を示す斜視図
【図４】前記実施形態の演算処理手順を示す流れ図
【図５】前記実施形態で用いた立体マーカを示す斜視図
【図６】本発明の原理を説明するための、カメラ仮想視点と目印の位置関係を示す正面図
【図７】同じく２次元撮影画像中における目印の位置を示す正面図
【図８】同じく極角と距離の測定精度を説明するための斜視図
【図９】前記実施形態のガントリへの配設例を示す断面図
【符号の説明】
【００５０】
１０…被験者
２４…連続撮像装置（カメラ）
４０…立体マーカ
４１〜４４…目印
５０…コンピュータ部
５２…画像処理部
５４…演算処理部
５６…記憶部
６０…ガントリ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
４以上の目印が立体的に配置されている立体マーカを、撮像装置を用いて撮影し、
撮影画像中の見かけの２次元的位置を計測し、
立体マーカの既知の幾何学的形状をもとに、立体マーカの３次元的位置と向きを計算することを特徴とする被験体の３次元的位置及び向き測定方法。
【請求項２】
前記立体マーカを、検査時に被験体の検査部位近傍面に取り付け、被験体測定部位の動きを計量することを特徴とする請求項１に記載の被験体の３次元的位置及び向き測定方法。
【請求項３】
３以上の目印が平面的に配置され、その平面から撮像装置側に向かって所定の高さに１以上の目印を有することにより、４以上の目印が立体的に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の被験体の３次元的位置及び向き測定方法に用いるための立体マーカ。
【請求項４】
請求項３に記載の立体マーカの目印を動画撮影し、画像中における目印の２次元的位置を測定するための一台のカメラと、動画処理装置を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の被験体の３次元的位置及び向き測定方法に用いるための立体マーカ撮像装置。
【請求項５】
請求項３に記載の立体マーカと、
請求項４に記載の立体マーカ撮像装置と、
該立体マーカ撮像装置を用いて撮像された画像中の見かけの２次元的位置を計測し、立体マーカの既知の幾何学的形状をもとに、立体マーカの３次元的位置と向きを計算する手段と、
を備えたことを特徴とする被験体の３次元的位置及び向き測定装置。
【請求項６】
前記立体マーカ撮像装置が、ガントリに配設されていることを特徴とする請求項５に記載の被験体の３次元的位置及び向き測定装置。

【図１】