高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システム
【課題】振幅に加え位相も計測対象として位置精度を向上させる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムを提供する。
【解決手段】励磁コイルと、この励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、励磁コイルと検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、励磁コイルはＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を複数の検出コイルの各検出コイルで計測する手段と、ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、第１の誘起電圧と第２の誘起電圧の位相差θを求める手段と、この位相差に基づいてＬＣ共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段とを具備する。
【解決手段】励磁コイルと、この励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、励磁コイルと検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、励磁コイルはＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を複数の検出コイルの各検出コイルで計測する手段と、ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、第１の誘起電圧と第２の誘起電圧の位相差θを求める手段と、この位相差に基づいてＬＣ共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＣ共振型磁気マーカの位置検出システムに係り、特に、位相計測による複数のＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体内部や生体表面の部位の位置を磁気的な方法で精密に計測する場合には、計測部位に貼付するマーカは電気的引き出し線やバッテリをもたないことが望ましい。これまでに、光学的に遮蔽された空間の位置検出に適した方法として、永久磁石や着磁された磁性体の位置検出方法が開発されてきた（下記非特許文献１−５）。しかしこれらは直流磁界を計測対象としているため、地磁気や低周波雑音の影響を受けやすい欠点がある。
【０００３】
一方、ＬＣ共振回路によるマーカの位置検出システムとしてはマサチューセッツ工科大学から報告がされている（下記非特許文献６）。しかしこれは、１個のコイルを用いて磁気マーカの位置を大まかに計測するものであり、位置精度は議論できておらず、ｍｍオーダの精密な位置検出システムではない。また、マーカの位置および方向の５自由度を計測することは困難である。また、バッテリを内蔵したアクティブＩＣタグによる位置検出方法も提案されている（下記非特許文献７）が、バッテリを内蔵することによる寸法や動作時間の制約や計測の時間的安定性等の問題がある。
【０００４】
本願発明者らは、これまで磁気マーカへの電気的引き出し線が不要であることと外来ノイズに影響を受けにくいことを両立することを目指して、ＬＣ共振回路によるマーカを用いた位置検出システムを提案した。マーカの誘導電圧の振幅を計測することにより、直径５ｍｍ、長さ１０ｍｍの磁気マーカを用いて、２ｍｍ程度の位置精度でマーカの位置が検出可能であることを示した（下記非特許文献８）。
【０００５】
位置検出システムにおいて、マーカ直径を１ｍｍ程度に小型化し、かつ１ｍｍ程度の位置精度で計測できれば、マーカを注射針やカテーテル等により生体内へ挿入し、高精度に位置が計測できるため、医療応用の可能性が現時的課題になると考えられる。
【特許文献１】特開２００５−１２１５７３号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｇｒａｎｔ，Ｇ．Ｗｅｓｔ，Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６５，ｐｐ．３０６−３８１．
【非特許文献２】Ｓ．Ｖ．Ｍａｒｓｈａｌｌ，Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｎｓｏｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．ＶＴ−２７，ｐｐ．６５−６８，（１９７８）．
【非特許文献３】Ｗ．Ｍ．Ｗｙｎｕ，Ｃ．Ｐ．Ｆｒａｈｍ，Ｐ．Ｊ．Ｃａｒｒｏｌｌ，Ｒ．Ｈ．Ｃｌａｒｋ，Ｊ．Ｗｅｌｌｈｏｎｅｒ，Ｍ．Ｊ．Ｗｙｎｎ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ／Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．ｖｏｌ．ＭＡＧ−１１，ｐｐ．７０１−７０７，（１９７４）．
【非特許文献４】Ｊ．Ｅ．Ｍｃｆｅｅ，Ｙ．Ｄａｓ，Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ Ｄｉｐｏｌｅ ｂｙ Ｍｅｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｔｓ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．ＡＰ−２９，ｐｐ．２８２−２８７，（１９８１）．
【非特許文献５】Ｓ．Ｙａｂｕｋａｍｉ，Ｋ．Ａｒａｉ，Ｈ．Ｋａｎｅｔａｋａ，Ｓ．Ｔｓｕｊｉ，ａｎｄ Ｋ．Ｉ．Ａｒａｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．２８，ｐｐ．７１１−７１７，（２００４）．
【非特許文献６】Ｊ．Ａ．Ｐａｒａｄｉｓｏ，Ｋ．Ｈｓｉａｏ，Ｊ．Ｓｔｒｉｃｋｅｎ，Ｊ．Ｌｉｆｔｏｎ，Ａ．Ａｄｌｅｒ，ＩＢＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．３＆４，ｐｐ．８９２−９１４，（２０００）．
【非特許文献７】Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｓ．Ｎｉｓｈｉｙａｍａ，Ｎ．Ｋｏｓｈｉｚｕｋａ，ａｎｄ Ｋ．Ｓａｋａｍｕｒａ，ＭＷＥ ２００３ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．２４５−２５０，（２００３）．
【非特許文献８】Ｓ．Ｙａｂｕｋａｍｉ，Ｓ．Ｈａｓｈｉ，Ｙ．Ｔｏｋｕｎａｇａ，Ｔ．Ｋｏｈｎｏ，Ｋ．Ｉ．Ａｒａｉ，ａｎｄ Ｙ．Ｏｋａｚａｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．２８，ｐｐ．８７７−８８５，（２００４）．
【非特許文献９】Ｔ．Ｎａｋａｇａｗａ，Ｙ．Ｋｏｙａｎａｇｉ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｐ．９５−９９，Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｋｙｏ Ｐｒｅｓｓ（１９８２）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明では、磁気マーカの誘導電圧の振幅だけでなく位相も計測対象としてマーカ位置の検出精度を向上させることを目指した。すなわち、上記特許文献１及び非特許文献８においては、マーカの電気的特性やマーカと各コイルの配置によっては、振幅のみからマーカの寄与電圧を求めるだけでは不十分な場合があった。さらに振幅のみを計測対象とする場合には１個のマーカあたり２つの周波数の信号の計測が必要であり、多数個のマーカの位置を検出する場合などに測定装置が煩雑になるといった問題があった。
【０００７】
さらに、本発明では個々の検出コイルを同数の高速ＡＤコンバータへ並列に接続し、高速化およびＳＮ比を高めることを意図した。これにより、生体内部や生体表面へマーカを挿入あるいは貼付するための現実的な寸法である、直径１ｍｍ程度のマーカの位置、方向および等価的磁気モーメントを計測することを目標とした。
【０００８】
上記の目標に基づく位置検出システムを開発し、マーカ用コイルとして、直径１．２ｍｍ、長さ１０ｍｍの大きさを有する微細なマーカを３次元的な１００ｍｍ程度の移動で１ｍｍ程度の絶対位置精度で計測可能であることを示した。またリアルタイムにマーカの位置を表示可能とした。
【０００９】
すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、磁気マーカの誘導電圧の振幅だけでなく位相も計測対象としてマーカ位置の検出精度を向上させることができる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムにおいて、励磁コイルと、この励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、前記励磁コイルは前記ＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での前記検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での前記検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、前記第１の誘起電圧と前記第２の誘起電圧の位相差を求める手段と、前記位相差に基づいて前記ＬＣ共振型磁気マーカの電圧を求める手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムにおいて、前記計測手段は、前記複数の検出コイルの各検出コイル同数の高速ＡＤコンバータへ並列に接続し、高速化およびＳＮ比を高めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００１３】
位相計測による複数マーカの位置検出を行うことができる。つまり、本システムは励磁コイル、検出コイル、ＬＣ共振型マーカから構成され、ＬＣ共振型マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を励磁し、マーカからの誘導磁界を各検出コイルで計測して、マーカの位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）を最適化する。その場合、図４のベクトル図に記載したように、マーカからの誘導磁界による電圧Ｖmk（ベクトル量）を求める際にマーカの誘導電圧によるの位相変化Δθを用いるようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）の検出システムは、励磁コイルと、この励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、前記励磁コイルは前記ＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での前記検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での前記検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、前記第１の誘起電圧と前記第２の誘起電圧の位相差を求める手段と、前記位相差に基づいて前記ＬＣ共振型磁気マーカの電圧を求める手段とを具備する。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
（１）位相情報を用いた位置、方向およびおよび等価的磁気モーメントの検出方法
（１−１）全体の測定手順
図１は本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカによる位置および方向の検出システムの模式図、図２は本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求めるためのフローチャートである。
【００１７】
本発明の高精度ＬＣ共振型磁気マーカによる位置および方向の検出システムは、この図１に示すように、励磁コイル１と、複数の検出コイル２、ＬＣ共振型磁気マーカ３から構成される。このシステムでは、励磁コイル１によりＬＣ共振型磁気マーカ３の共振周波数に同調させた交流磁界を発生させてＬＣ共振型磁気マーカ３を励磁し、このＬＣ共振型磁気マーカ３からの誘導磁界を各検出コイル２で計測して、ＬＣ共振型磁気マーカ３からの誘導磁界をダイポール磁界と仮定してＬＣ共振型磁気マーカ３の位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）を最適化するものである。
【００１８】
図２を参照しながら本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求める方法について説明する。
【００１９】
まず、励磁コイル１と検出コイル２をセットする（ステップＳ１）。
【００２０】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３を取り去った状態で、配置した検出コイル２の誘起電圧を測定し、バックグラウンド電圧（Ｂbackground）とする（ステップＳ２）。
【００２１】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３を配置して検出コイル２の誘起電圧（Ｂtotal ）を測定する（ステップＳ３）。
【００２２】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３の有無による誘起電圧のベクトル的な差分を求めることで、ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分（検出コイルｉにおけるＬＣ共振型磁気マーカからの誘起電圧Ｂ(i) ｍ）が測定される（ステップＳ４）。
【００２３】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向はＬＣ共振型磁気マーカ３から発生する誘導磁界がダイポール磁界に近似できることを仮定して、下記（１）〜（３）式により位置および方向をＧａｕｓｓ−Ｎｅｗｔｏｎ法（非特許文献９参照）により最適化処理する。
【００２４】
【数１】
【００２５】
（１−２）位相情報を用いた計測方法
図３は本願発明者らが既に提案した、振幅を用いた誘導電圧の計測の説明図、図４は本発明の位相を用いた誘導電圧の計測の説明図である。
【００２６】
図３（ａ）は、特許文献１または非特許文献８に示される、誘導電圧の振幅を計測する際の磁気マーカの寄与電圧と、コイルの誘起電圧の関係をベクトル的に示したものである。
【００２７】
ここで、マーカの寄与電圧は下記式（４）のように求めた。
【００２８】
【数２】
図３（ｂ）は、マーカを挿入した状態における電圧振幅の周波数依存性を示したものであり、この電圧の極大値および極小値の２つの周波数成分を計測する必要があった。
【００２９】
また、図４（ｂ）は、そのマーカの等価回路を模式的に示したものである。図４（ｂ）中のＬはインダクタンス、Ｃはコンデンサのキャパシタンス、Ｒは内部抵抗、Ｖは外部から与えられた交流磁界による誘起電圧を等価的な電圧源として表記したもの、Ｉは電圧源により回路中を流れる誘導電流を示した。
【００３０】
共振周波数で計測することで最もＳＮ比が高い計測が可能になるとともに、１マーカあたり１個の周波数でマーカの寄与電圧が計測可能になる。本発明では各検出コイルにおいてマーカがない状態での振幅、および両者の電圧の位相差を測定し、下記式（５）を用いてベクトル的に等価的なマーカ寄与電圧を求めた。
【００３１】
【数３】
３．位置検出システム
次に、位置検出システムについて説明する。
【００３２】
図５は本発明にかかる試作した位置検出システムの構成を示す図である。
【００３３】
計測システムは励磁コイル１１、検出コイルアレイ１２（２０チャンネル）、ＬＣ共振型磁気マーカ１３、ＡＤコンバータおよびＤＡコンバータ１４（ＮＩ ＰＸＩ−６２５１：１台）、ＡＤコンバータ１５（ＮＩ ＰＸＩ−６２５０：９台）、制御ユニット（ＮＩ ＰＸＩ−８１８７）、プリアンプ１６（ＳＲ５６０）から構成される。制御用プログラムはＬａｂ ＶＩＥＷ ｖｅｒ．７．１、位置および方向の最適化処理プログラムはＶｉｓｕａｌ Ｃ＋＋を用いて作成した。ＡＤコンバータであるＰＸＩ−６２５１およびＰＸＩ−６２５０は５００ｋ ｓａｍｐｌｅ／ｓｅｃのサンプリング速度で、１台あたり２チャンネルの１６ビット信号を計測するモードで使用し、２０チャンネルの検出コイルの誘起電圧を並列に取得できるように構成した。励磁コイルへの電圧はＡＤコンバータおよびＤＡコンバータＰＸＩ−６２５１からの出力信号をアンプを介して励磁コイルへ接続した。すべてのＡＤコンバータおよびＤＡコンバータはＰＸＩシステムのため相互に同期が取れており、基準信号に対する位相差を計測可能である。ＬＣ共振型磁気マーカは励磁コイルと検出コイルから構成されるユニット内部に配置した。マーカの位置および方向の最適化処理はイーサーネット接続した別のパソコン〔Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）（Ｒ）Ｄ，３．２０ＧＨｚ〕で演算し、マーカ位置を画面上に表示させた。
【００３４】
図６は本発明にかかる計測システムに用いたＰＸＩ制御コントローラ（ＡＤコンバータとＤＡコンバータを内蔵）、プリアンプおよびディスプレイの写真である。図７は本発明にかかる励磁コイル、検出コイル、マーカの写真である。図７（ａ）は励磁コイルとマーカ配置を示したものである。励磁コイルおよび検出コイルはアクリルで作成した一辺１５０ｍｍの立方体に配置し、励磁コイルと検出コイルの面は１５０ｍｍの距離で対向させた。励磁コイルは一辺約１５０ｍｍの正方形であり、直径１．０ｍｍの銅線を２０ターン施した。図７（ｂ）は検出コイルアレイの写真を示し、図７（ｃ）は検出コイルの配置を示したものである。検出コイルは線径０．２ｍｍの銅線を直径２３ｍｍ、１２５ターンのコイルに施し、同一平面上に２０個配置した。検出コイルの直径は２３ｍｍであり、丸枠内の数値は検出コイルの番号を示している。検出コイルの配置位置は一辺１５０ｍｍの立方体内部において局所解による影響が十分小さくなることを意図して設計した。
【００３５】
図８は本発明にかかる試作したＬＣ共振型マーカの写真を示したものである。マーカはコイル、コンデンサを半田で直列に接続して作製した。マーカは２種類作成し、寸法は表１に示す。
【００３６】
【表１】
マーカ１は、直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍのＭｎＺｎフェライト（ＴＤＫ株式会社製ＥＥシリーズ）の周囲に直径０．１ｍｍの銅線を５００ターン巻いて外形寸法が長さ２０ｍｍ、直径約６ｍｍとした。９０ｋＨｚにおけるインダクタンスは約５．６ｍＨであった。９０ｋＨｚにおける性能指数は約６０であった。コンデンサは、１ｎＦのチップコンデンサ（ＲＯＨＭ社製ＭＣＨシリーズ）を使用した。
【００３７】
マーカ２は直径１ｍｍ、長さ１０ｍｍのＭｎＺｎフェライトの周囲に直径０．１ｍｍの銅線を１層（７７ターン）施したものである。それぞれマーカの共振周波数は約９０ｋＨｚに設定した。共振周波数における性能指数は約１０であった。マーカは非導体による３軸スキャナにより移動させた。
【００３８】
（４）実測結果
（４−１）振幅および位相の測定確度
図９は本発明にかかる計測システムにおける振幅および位相の計測確度を測定時間に対して示したものである。それぞれは１０００回の測定における標準偏差から求めた。計測時間が長いほど振幅および位相の計測確度は高感度化し、ほぼ平均化回数の１／２乗に反比例した。例えば、測定時間が０．１秒（１０Ｈｚ）であれば、振幅確度は約１．７μＶ、位相確度は５．１ｍ度となった。図９（ｂ）はこの測定装置を用いて、検出コイルからの距離が８０ｍｍの地点に微細なマーカ２（表１参照）を配置した時の各検出コイルの平均的な信号レベルと図９の振幅角度とのＳＮ比を求めたものである。ＳＮ比は最大で１００程度得られた。
【００３９】
図１０（ａ）は市販のネットワークアナライザ（ＭＳ４６３０Ｂ）を本発明で使用したＡＤコンバータの代わりに用い、マーカ２を用いて、上記と同一構成でのＳＮ比を比較したものである。図１０（ｂ）はその際のマーカの絶対位置精度を示している。ネットワークアナライザのＲＢＷは１００Ｈｚ、平均化回数は１０回とした。図１０（ｂ）の中心付近である約４０ｍｍの範囲において１ｍｍ以内の絶対位置精度が得られており、それに対するＳＮ比は約５０以上であった。このＳＮ比は本発明における検出器を用いた場合のＳＮ比を下回った。
【００４０】
以上から本発明で試作した計測部を用いて、１ｍｍ程度の絶対位置精度を得る際に必要な計測確度が得られたと言える。
（４−２）磁気マーカの位置および方向
図１１は本発明にかかるマーカ１の位置および方向を示したものである。マーカは図８、表１で示した直径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのマーカである。位置は検出コイルからの距離が８０ｍｍの位置を基準にして、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれの方向へ１０ｍｍ刻みで約１００ｍｍ移動させた。ただし、検出コイルの座標系とマーカ移動用マイクロメータの座標系は一致していないため、得られたマーカの座標はわずかに傾いている。マーカ用コイルの法線方向は図中のｙ軸方向とほぼ平行になるように配置した。計測周期は１Ｈｚとした。座標軸は図１１中に示した。図１１（ａ）はｘｚ平面内での位置を示したものであり、図１１（ｂ）はｙｚ平面内での位置を示した。■は実測値であり、破線は理論値である。破線は実測値の軌跡と平行かつほぼ対応するような直線で表記した。さらに：破線の中の◆は１０ｍｍ刻みのマーカの位置を表し、マーカの理論的な位置を示した。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）からマーカの位置は概ね正しく計測されていると判断される。図１１（ｄ）は絶対位置精度を示した。絶対位置精度は図１１（ａ）および図１１（ｂ）における■と◆の３次元位置の距離で定義した。横軸は基準位置に対しての移動距離を正規化して示した。図１１（ｄ）によれば検出コイルの面から最大で１３０ｍｍの距離以内で１．５ｍｍ以内の絶対位置精度が得られた。全体の約８８％の測定点で１ｍｍ以内の絶対位置精度が得られた。
【００４１】
図１１（ｅ）にはマーカの方向角を示した。φは方向ベクトルとｚ軸とのなす角である。実験した配置はコイルの法線成分がほぼｙ軸と平行であり、θは定義できないためφのみ記載した。横軸は基準点からの移動距離として表記した。φはおおむね０度近辺の値が得られた。絶対角度精度は±４度以内であった。
【００４２】
図１２は本発明にかかる微細なマーカ２を用いて得られた位置および方向を示したものである。マーカの移動方法は図１１と同一とした。計測周期は１Ｈｚとした。
【００４３】
図１２（ａ）はｘｙ平面内のマーカの位置を示したものであり、図１２（ｂ）はｘｚ平面内でのマーカの位置を示した。マーカの位置は概ね正確に計測された。図１２（ｃ）は絶対位置精度を示した。位置精度は実験した範囲で１．６ｍｍ以内であった。全測定点の中の約９１％の点で絶対位置精度は１ｍｍ以内となり、概ね目標を達成したと考えられる。図１２（ｄ）は角度のプロファイルを示したものである。角度精度は概ね±４度以内であった。
【００４４】
（４−３）位置精度についての考察
図１３は２種類のマーカを基準点（検出コイルアレイからの距離は約８０ｍｍ）に配置した場合における各検出コイルに対して誤差電圧を示したものである。誤差電圧は下記（６）式によって算出した。
【００４５】
Ｖ(i) error ＝Ｖ(i) mk−ｖ(i) c …（６）
ただし、Ｖmkはマーカ寄与電圧の実測値、Ｖc は最適化処理された位置および方向を上記（２）式へ代入して得られた磁束密度を電圧に換算した計算値、ｉは検出コイルの番号である。
【００４６】
図１３によればマーカ１（コイル直径：６ｍｍ、コイル長さ：２０ｍｍ）における誤差電圧は測定器のノイズレベルに比較して十分に大きく、このマーカを用いた位置精度はマーカおよび検出コイルの寸法効果によりダイポール磁界からの誤差が主要因と考えられる。
【００４７】
一方、微細なマーカ２（コイル直径：１．２ｍｍ、コイル長さ：１０ｍｍ）における誤差電圧は測定器のノイズレベルに比較して若干大きいものの、ほぼ同程度のオーダであった。このためこのマーカにおける誤差要因はマーカおよび検出コイルの寸法効果と測定器のノイズがともに寄与していると考えられる。
【００４８】
上記したように、
（１）本発明のＬＣ共振型磁気マーカの位置検出システムにより、位相情報を用いたリアルタイム動作による位置検出システムを開発することができた。
【００４９】
（２）検出コイルからの最大距離１３０ｍｍ、一辺１００ｍｍの立方体内部において直径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのマーカで絶対位置精度を１．５ｍｍ以内とすることができた。全測定点の約８８％の点で絶対位置精度は１ｍｍ以内であった。
【００５０】
（３）マーカコイルの直径が約１．２ｍｍ、長さが１０ｍｍのマーカを用いて上記の範囲において絶対位置精度は１．６ｍｍ以内であった。全測定点の約９１％の点で絶対位置精度は１ｍｍ以内であった。
【００５１】
また、本発明は、位相情報を用いた位置および方向のみならず、マーカの等価的磁気モーメントの検出を行うことができる。
【００５２】
図１４は本発明にかかるマーカの等価的磁気モーメントをも検出する場合の磁界センサとマーカの配置を示す図、図１５はマーカの正規化された位置（ｍｍ）に対するマーカが感じる磁界強度に比例する等価的磁気モーメント（Ｗｂｍ）を示す図である。
【００５３】
図１４に示すように、磁界センサ（ピックアップコイルアレイ）２１は直方体の後方の一面に配置され、それに対して、Ｚ軸方向に向いているＬＣ共振型磁気マーカ２２をＸ，Ｙ，Ｚの各軸に平行に移動する。励磁コイル２３は直方体の前方の面に配置されている。ここでは、Ｚ軸に対しての移動は、磁界センサ２１から遠ざかる方向を負方向とした。励磁コイル２３は、図１５の横軸で−３０ｍｍ付近にある。
【００５４】
マーカ２２が励磁コイル２３から離れるにしたがって、マーカを鎖交する磁束は減少するため、等価的磁気モーメント（磁界強度に比例）は小さくなった。励磁コイル２３付近で磁界は最大となった。等価的磁気モーメント値は極大となった。また、Ｘ方向およびＹ方向へ平行な方向の移動では、ほぼ等価的磁気モーメント値は変化しないものの、端部では若干減少している。これはマーカ２２が励磁コイル２３から発生する磁界のうち、Ｚ軸成分を検出していることから考えれば、磁界強度のＺ軸成分が端部ほど減少することは合理的な結果である。
【００５５】
以上から、等価的磁気モーメントを求めることで、マーカコイルの法線方向の磁界を測定できることが示された。
【００５６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向の検出システムは、位相情報を用いたリアルタイム動作による位置検出システムとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカによる位置検出システムの模式図である。
【図２】本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求めるためのフローチャートである。
【図３】本願発明者らが既に提案した振幅を用いた誘導電圧の計測の説明図である。
【図４】本発明の位相を用いた誘導電圧の計測の説明図である。
【図５】本発明にかかる試作した位置検出システムの構成を示す図である。
【図６】本発明にかかる計測システムに用いたＰＸＩ制御コントローラ（ＡＤコンバータとＤＡコンバータを内蔵）、プリアンプおよびディスプレイの写真（代用図）である。
【図７】本発明にかかる励磁コイル、検出コイル、マーカの写真（代用図）である。
【図８】本発明にかかる試作したＬＣ共振型マーカの写真（代用図）である。
【図９】本発明にかかる計測システムにおける振幅および位相の計測確度を測定時間に対して示した図である。
【図１０】本発明にかかるネットワークアナライザーを用いたＳＮ比と位置精度の関係を示す図である。
【図１１】本発明にかかるマーカ１の位置および方向を示した図である。
【図１２】本発明にかかる微細なマーカ２を用いて得られた位置および方向を示した図である。
【図１３】本発明にかかる２種類のマーカを基準点（検出コイルアレイからの距離は約８０ｍｍ）に配置した場合における各検出コイルに対して誤差電圧を示す図である。
【図１４】本発明にかかるマーカの等価的磁気モーメントをも検出する場合の磁界センサとマーカの配置を示す図である。
【図１５】正規化された位置（ｍｍ）に対するマーカが感じる磁界強度に比例する等価的磁気モーメント（Ｗｂｍ）を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１１，２３ 励磁コイル
２，１２ 検出コイル
３，１３，２２ ＬＣ共振型磁気マーカ
１４ ＡＤコンバータおよびＤＡコンバータ
１５ ＡＤコンバータ
１６ プリアンプ１６
２１ 磁界センサ（ピックアップコイルアレイ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＣ共振型磁気マーカの位置検出システムに係り、特に、位相計測による複数のＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体内部や生体表面の部位の位置を磁気的な方法で精密に計測する場合には、計測部位に貼付するマーカは電気的引き出し線やバッテリをもたないことが望ましい。これまでに、光学的に遮蔽された空間の位置検出に適した方法として、永久磁石や着磁された磁性体の位置検出方法が開発されてきた（下記非特許文献１−５）。しかしこれらは直流磁界を計測対象としているため、地磁気や低周波雑音の影響を受けやすい欠点がある。
【０００３】
一方、ＬＣ共振回路によるマーカの位置検出システムとしてはマサチューセッツ工科大学から報告がされている（下記非特許文献６）。しかしこれは、１個のコイルを用いて磁気マーカの位置を大まかに計測するものであり、位置精度は議論できておらず、ｍｍオーダの精密な位置検出システムではない。また、マーカの位置および方向の５自由度を計測することは困難である。また、バッテリを内蔵したアクティブＩＣタグによる位置検出方法も提案されている（下記非特許文献７）が、バッテリを内蔵することによる寸法や動作時間の制約や計測の時間的安定性等の問題がある。
【０００４】
本願発明者らは、これまで磁気マーカへの電気的引き出し線が不要であることと外来ノイズに影響を受けにくいことを両立することを目指して、ＬＣ共振回路によるマーカを用いた位置検出システムを提案した。マーカの誘導電圧の振幅を計測することにより、直径５ｍｍ、長さ１０ｍｍの磁気マーカを用いて、２ｍｍ程度の位置精度でマーカの位置が検出可能であることを示した（下記非特許文献８）。
【０００５】
位置検出システムにおいて、マーカ直径を１ｍｍ程度に小型化し、かつ１ｍｍ程度の位置精度で計測できれば、マーカを注射針やカテーテル等により生体内へ挿入し、高精度に位置が計測できるため、医療応用の可能性が現時的課題になると考えられる。
【特許文献１】特開２００５−１２１５７３号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｇｒａｎｔ，Ｇ．Ｗｅｓｔ，Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６５，ｐｐ．３０６−３８１．
【非特許文献２】Ｓ．Ｖ．Ｍａｒｓｈａｌｌ，Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｎｓｏｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．ＶＴ−２７，ｐｐ．６５−６８，（１９７８）．
【非特許文献３】Ｗ．Ｍ．Ｗｙｎｕ，Ｃ．Ｐ．Ｆｒａｈｍ，Ｐ．Ｊ．Ｃａｒｒｏｌｌ，Ｒ．Ｈ．Ｃｌａｒｋ，Ｊ．Ｗｅｌｌｈｏｎｅｒ，Ｍ．Ｊ．Ｗｙｎｎ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ／Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．ｖｏｌ．ＭＡＧ−１１，ｐｐ．７０１−７０７，（１９７４）．
【非特許文献４】Ｊ．Ｅ．Ｍｃｆｅｅ，Ｙ．Ｄａｓ，Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ Ｄｉｐｏｌｅ ｂｙ Ｍｅｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｔｓ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．ＡＰ−２９，ｐｐ．２８２−２８７，（１９８１）．
【非特許文献５】Ｓ．Ｙａｂｕｋａｍｉ，Ｋ．Ａｒａｉ，Ｈ．Ｋａｎｅｔａｋａ，Ｓ．Ｔｓｕｊｉ，ａｎｄ Ｋ．Ｉ．Ａｒａｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．２８，ｐｐ．７１１−７１７，（２００４）．
【非特許文献６】Ｊ．Ａ．Ｐａｒａｄｉｓｏ，Ｋ．Ｈｓｉａｏ，Ｊ．Ｓｔｒｉｃｋｅｎ，Ｊ．Ｌｉｆｔｏｎ，Ａ．Ａｄｌｅｒ，ＩＢＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．３＆４，ｐｐ．８９２−９１４，（２０００）．
【非特許文献７】Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｓ．Ｎｉｓｈｉｙａｍａ，Ｎ．Ｋｏｓｈｉｚｕｋａ，ａｎｄ Ｋ．Ｓａｋａｍｕｒａ，ＭＷＥ ２００３ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．２４５−２５０，（２００３）．
【非特許文献８】Ｓ．Ｙａｂｕｋａｍｉ，Ｓ．Ｈａｓｈｉ，Ｙ．Ｔｏｋｕｎａｇａ，Ｔ．Ｋｏｈｎｏ，Ｋ．Ｉ．Ａｒａｉ，ａｎｄ Ｙ．Ｏｋａｚａｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．２８，ｐｐ．８７７−８８５，（２００４）．
【非特許文献９】Ｔ．Ｎａｋａｇａｗａ，Ｙ．Ｋｏｙａｎａｇｉ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｐ．９５−９９，Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｋｙｏ Ｐｒｅｓｓ（１９８２）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明では、磁気マーカの誘導電圧の振幅だけでなく位相も計測対象としてマーカ位置の検出精度を向上させることを目指した。すなわち、上記特許文献１及び非特許文献８においては、マーカの電気的特性やマーカと各コイルの配置によっては、振幅のみからマーカの寄与電圧を求めるだけでは不十分な場合があった。さらに振幅のみを計測対象とする場合には１個のマーカあたり２つの周波数の信号の計測が必要であり、多数個のマーカの位置を検出する場合などに測定装置が煩雑になるといった問題があった。
【０００７】
さらに、本発明では個々の検出コイルを同数の高速ＡＤコンバータへ並列に接続し、高速化およびＳＮ比を高めることを意図した。これにより、生体内部や生体表面へマーカを挿入あるいは貼付するための現実的な寸法である、直径１ｍｍ程度のマーカの位置、方向および等価的磁気モーメントを計測することを目標とした。
【０００８】
上記の目標に基づく位置検出システムを開発し、マーカ用コイルとして、直径１．２ｍｍ、長さ１０ｍｍの大きさを有する微細なマーカを３次元的な１００ｍｍ程度の移動で１ｍｍ程度の絶対位置精度で計測可能であることを示した。またリアルタイムにマーカの位置を表示可能とした。
【０００９】
すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、磁気マーカの誘導電圧の振幅だけでなく位相も計測対象としてマーカ位置の検出精度を向上させることができる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムにおいて、励磁コイルと、この励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、前記励磁コイルは前記ＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での前記検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での前記検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、前記第１の誘起電圧と前記第２の誘起電圧の位相差を求める手段と、前記位相差に基づいて前記ＬＣ共振型磁気マーカの電圧を求める手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システムにおいて、前記計測手段は、前記複数の検出コイルの各検出コイル同数の高速ＡＤコンバータへ並列に接続し、高速化およびＳＮ比を高めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００１３】
位相計測による複数マーカの位置検出を行うことができる。つまり、本システムは励磁コイル、検出コイル、ＬＣ共振型マーカから構成され、ＬＣ共振型マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を励磁し、マーカからの誘導磁界を各検出コイルで計測して、マーカの位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）を最適化する。その場合、図４のベクトル図に記載したように、マーカからの誘導磁界による電圧Ｖmk（ベクトル量）を求める際にマーカの誘導電圧によるの位相変化Δθを用いるようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）の検出システムは、励磁コイルと、この励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、前記励磁コイルは前記ＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での前記検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での前記検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、前記第１の誘起電圧と前記第２の誘起電圧の位相差を求める手段と、前記位相差に基づいて前記ＬＣ共振型磁気マーカの電圧を求める手段とを具備する。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
（１）位相情報を用いた位置、方向およびおよび等価的磁気モーメントの検出方法
（１−１）全体の測定手順
図１は本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカによる位置および方向の検出システムの模式図、図２は本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求めるためのフローチャートである。
【００１７】
本発明の高精度ＬＣ共振型磁気マーカによる位置および方向の検出システムは、この図１に示すように、励磁コイル１と、複数の検出コイル２、ＬＣ共振型磁気マーカ３から構成される。このシステムでは、励磁コイル１によりＬＣ共振型磁気マーカ３の共振周波数に同調させた交流磁界を発生させてＬＣ共振型磁気マーカ３を励磁し、このＬＣ共振型磁気マーカ３からの誘導磁界を各検出コイル２で計測して、ＬＣ共振型磁気マーカ３からの誘導磁界をダイポール磁界と仮定してＬＣ共振型磁気マーカ３の位置、方向および等価的磁気モーメント（マーカコイルを鎖交する磁束量に比例）を最適化するものである。
【００１８】
図２を参照しながら本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求める方法について説明する。
【００１９】
まず、励磁コイル１と検出コイル２をセットする（ステップＳ１）。
【００２０】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３を取り去った状態で、配置した検出コイル２の誘起電圧を測定し、バックグラウンド電圧（Ｂbackground）とする（ステップＳ２）。
【００２１】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３を配置して検出コイル２の誘起電圧（Ｂtotal ）を測定する（ステップＳ３）。
【００２２】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３の有無による誘起電圧のベクトル的な差分を求めることで、ＬＣ共振型磁気マーカ３の寄与分（検出コイルｉにおけるＬＣ共振型磁気マーカからの誘起電圧Ｂ(i) ｍ）が測定される（ステップＳ４）。
【００２３】
次に、ＬＣ共振型磁気マーカ３の位置および方向はＬＣ共振型磁気マーカ３から発生する誘導磁界がダイポール磁界に近似できることを仮定して、下記（１）〜（３）式により位置および方向をＧａｕｓｓ−Ｎｅｗｔｏｎ法（非特許文献９参照）により最適化処理する。
【００２４】
【数１】
【００２５】
（１−２）位相情報を用いた計測方法
図３は本願発明者らが既に提案した、振幅を用いた誘導電圧の計測の説明図、図４は本発明の位相を用いた誘導電圧の計測の説明図である。
【００２６】
図３（ａ）は、特許文献１または非特許文献８に示される、誘導電圧の振幅を計測する際の磁気マーカの寄与電圧と、コイルの誘起電圧の関係をベクトル的に示したものである。
【００２７】
ここで、マーカの寄与電圧は下記式（４）のように求めた。
【００２８】
【数２】
図３（ｂ）は、マーカを挿入した状態における電圧振幅の周波数依存性を示したものであり、この電圧の極大値および極小値の２つの周波数成分を計測する必要があった。
【００２９】
また、図４（ｂ）は、そのマーカの等価回路を模式的に示したものである。図４（ｂ）中のＬはインダクタンス、Ｃはコンデンサのキャパシタンス、Ｒは内部抵抗、Ｖは外部から与えられた交流磁界による誘起電圧を等価的な電圧源として表記したもの、Ｉは電圧源により回路中を流れる誘導電流を示した。
【００３０】
共振周波数で計測することで最もＳＮ比が高い計測が可能になるとともに、１マーカあたり１個の周波数でマーカの寄与電圧が計測可能になる。本発明では各検出コイルにおいてマーカがない状態での振幅、および両者の電圧の位相差を測定し、下記式（５）を用いてベクトル的に等価的なマーカ寄与電圧を求めた。
【００３１】
【数３】
３．位置検出システム
次に、位置検出システムについて説明する。
【００３２】
図５は本発明にかかる試作した位置検出システムの構成を示す図である。
【００３３】
計測システムは励磁コイル１１、検出コイルアレイ１２（２０チャンネル）、ＬＣ共振型磁気マーカ１３、ＡＤコンバータおよびＤＡコンバータ１４（ＮＩ ＰＸＩ−６２５１：１台）、ＡＤコンバータ１５（ＮＩ ＰＸＩ−６２５０：９台）、制御ユニット（ＮＩ ＰＸＩ−８１８７）、プリアンプ１６（ＳＲ５６０）から構成される。制御用プログラムはＬａｂ ＶＩＥＷ ｖｅｒ．７．１、位置および方向の最適化処理プログラムはＶｉｓｕａｌ Ｃ＋＋を用いて作成した。ＡＤコンバータであるＰＸＩ−６２５１およびＰＸＩ−６２５０は５００ｋ ｓａｍｐｌｅ／ｓｅｃのサンプリング速度で、１台あたり２チャンネルの１６ビット信号を計測するモードで使用し、２０チャンネルの検出コイルの誘起電圧を並列に取得できるように構成した。励磁コイルへの電圧はＡＤコンバータおよびＤＡコンバータＰＸＩ−６２５１からの出力信号をアンプを介して励磁コイルへ接続した。すべてのＡＤコンバータおよびＤＡコンバータはＰＸＩシステムのため相互に同期が取れており、基準信号に対する位相差を計測可能である。ＬＣ共振型磁気マーカは励磁コイルと検出コイルから構成されるユニット内部に配置した。マーカの位置および方向の最適化処理はイーサーネット接続した別のパソコン〔Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）（Ｒ）Ｄ，３．２０ＧＨｚ〕で演算し、マーカ位置を画面上に表示させた。
【００３４】
図６は本発明にかかる計測システムに用いたＰＸＩ制御コントローラ（ＡＤコンバータとＤＡコンバータを内蔵）、プリアンプおよびディスプレイの写真である。図７は本発明にかかる励磁コイル、検出コイル、マーカの写真である。図７（ａ）は励磁コイルとマーカ配置を示したものである。励磁コイルおよび検出コイルはアクリルで作成した一辺１５０ｍｍの立方体に配置し、励磁コイルと検出コイルの面は１５０ｍｍの距離で対向させた。励磁コイルは一辺約１５０ｍｍの正方形であり、直径１．０ｍｍの銅線を２０ターン施した。図７（ｂ）は検出コイルアレイの写真を示し、図７（ｃ）は検出コイルの配置を示したものである。検出コイルは線径０．２ｍｍの銅線を直径２３ｍｍ、１２５ターンのコイルに施し、同一平面上に２０個配置した。検出コイルの直径は２３ｍｍであり、丸枠内の数値は検出コイルの番号を示している。検出コイルの配置位置は一辺１５０ｍｍの立方体内部において局所解による影響が十分小さくなることを意図して設計した。
【００３５】
図８は本発明にかかる試作したＬＣ共振型マーカの写真を示したものである。マーカはコイル、コンデンサを半田で直列に接続して作製した。マーカは２種類作成し、寸法は表１に示す。
【００３６】
【表１】
マーカ１は、直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍのＭｎＺｎフェライト（ＴＤＫ株式会社製ＥＥシリーズ）の周囲に直径０．１ｍｍの銅線を５００ターン巻いて外形寸法が長さ２０ｍｍ、直径約６ｍｍとした。９０ｋＨｚにおけるインダクタンスは約５．６ｍＨであった。９０ｋＨｚにおける性能指数は約６０であった。コンデンサは、１ｎＦのチップコンデンサ（ＲＯＨＭ社製ＭＣＨシリーズ）を使用した。
【００３７】
マーカ２は直径１ｍｍ、長さ１０ｍｍのＭｎＺｎフェライトの周囲に直径０．１ｍｍの銅線を１層（７７ターン）施したものである。それぞれマーカの共振周波数は約９０ｋＨｚに設定した。共振周波数における性能指数は約１０であった。マーカは非導体による３軸スキャナにより移動させた。
【００３８】
（４）実測結果
（４−１）振幅および位相の測定確度
図９は本発明にかかる計測システムにおける振幅および位相の計測確度を測定時間に対して示したものである。それぞれは１０００回の測定における標準偏差から求めた。計測時間が長いほど振幅および位相の計測確度は高感度化し、ほぼ平均化回数の１／２乗に反比例した。例えば、測定時間が０．１秒（１０Ｈｚ）であれば、振幅確度は約１．７μＶ、位相確度は５．１ｍ度となった。図９（ｂ）はこの測定装置を用いて、検出コイルからの距離が８０ｍｍの地点に微細なマーカ２（表１参照）を配置した時の各検出コイルの平均的な信号レベルと図９の振幅角度とのＳＮ比を求めたものである。ＳＮ比は最大で１００程度得られた。
【００３９】
図１０（ａ）は市販のネットワークアナライザ（ＭＳ４６３０Ｂ）を本発明で使用したＡＤコンバータの代わりに用い、マーカ２を用いて、上記と同一構成でのＳＮ比を比較したものである。図１０（ｂ）はその際のマーカの絶対位置精度を示している。ネットワークアナライザのＲＢＷは１００Ｈｚ、平均化回数は１０回とした。図１０（ｂ）の中心付近である約４０ｍｍの範囲において１ｍｍ以内の絶対位置精度が得られており、それに対するＳＮ比は約５０以上であった。このＳＮ比は本発明における検出器を用いた場合のＳＮ比を下回った。
【００４０】
以上から本発明で試作した計測部を用いて、１ｍｍ程度の絶対位置精度を得る際に必要な計測確度が得られたと言える。
（４−２）磁気マーカの位置および方向
図１１は本発明にかかるマーカ１の位置および方向を示したものである。マーカは図８、表１で示した直径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのマーカである。位置は検出コイルからの距離が８０ｍｍの位置を基準にして、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれの方向へ１０ｍｍ刻みで約１００ｍｍ移動させた。ただし、検出コイルの座標系とマーカ移動用マイクロメータの座標系は一致していないため、得られたマーカの座標はわずかに傾いている。マーカ用コイルの法線方向は図中のｙ軸方向とほぼ平行になるように配置した。計測周期は１Ｈｚとした。座標軸は図１１中に示した。図１１（ａ）はｘｚ平面内での位置を示したものであり、図１１（ｂ）はｙｚ平面内での位置を示した。■は実測値であり、破線は理論値である。破線は実測値の軌跡と平行かつほぼ対応するような直線で表記した。さらに：破線の中の◆は１０ｍｍ刻みのマーカの位置を表し、マーカの理論的な位置を示した。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）からマーカの位置は概ね正しく計測されていると判断される。図１１（ｄ）は絶対位置精度を示した。絶対位置精度は図１１（ａ）および図１１（ｂ）における■と◆の３次元位置の距離で定義した。横軸は基準位置に対しての移動距離を正規化して示した。図１１（ｄ）によれば検出コイルの面から最大で１３０ｍｍの距離以内で１．５ｍｍ以内の絶対位置精度が得られた。全体の約８８％の測定点で１ｍｍ以内の絶対位置精度が得られた。
【００４１】
図１１（ｅ）にはマーカの方向角を示した。φは方向ベクトルとｚ軸とのなす角である。実験した配置はコイルの法線成分がほぼｙ軸と平行であり、θは定義できないためφのみ記載した。横軸は基準点からの移動距離として表記した。φはおおむね０度近辺の値が得られた。絶対角度精度は±４度以内であった。
【００４２】
図１２は本発明にかかる微細なマーカ２を用いて得られた位置および方向を示したものである。マーカの移動方法は図１１と同一とした。計測周期は１Ｈｚとした。
【００４３】
図１２（ａ）はｘｙ平面内のマーカの位置を示したものであり、図１２（ｂ）はｘｚ平面内でのマーカの位置を示した。マーカの位置は概ね正確に計測された。図１２（ｃ）は絶対位置精度を示した。位置精度は実験した範囲で１．６ｍｍ以内であった。全測定点の中の約９１％の点で絶対位置精度は１ｍｍ以内となり、概ね目標を達成したと考えられる。図１２（ｄ）は角度のプロファイルを示したものである。角度精度は概ね±４度以内であった。
【００４４】
（４−３）位置精度についての考察
図１３は２種類のマーカを基準点（検出コイルアレイからの距離は約８０ｍｍ）に配置した場合における各検出コイルに対して誤差電圧を示したものである。誤差電圧は下記（６）式によって算出した。
【００４５】
Ｖ(i) error ＝Ｖ(i) mk−ｖ(i) c …（６）
ただし、Ｖmkはマーカ寄与電圧の実測値、Ｖc は最適化処理された位置および方向を上記（２）式へ代入して得られた磁束密度を電圧に換算した計算値、ｉは検出コイルの番号である。
【００４６】
図１３によればマーカ１（コイル直径：６ｍｍ、コイル長さ：２０ｍｍ）における誤差電圧は測定器のノイズレベルに比較して十分に大きく、このマーカを用いた位置精度はマーカおよび検出コイルの寸法効果によりダイポール磁界からの誤差が主要因と考えられる。
【００４７】
一方、微細なマーカ２（コイル直径：１．２ｍｍ、コイル長さ：１０ｍｍ）における誤差電圧は測定器のノイズレベルに比較して若干大きいものの、ほぼ同程度のオーダであった。このためこのマーカにおける誤差要因はマーカおよび検出コイルの寸法効果と測定器のノイズがともに寄与していると考えられる。
【００４８】
上記したように、
（１）本発明のＬＣ共振型磁気マーカの位置検出システムにより、位相情報を用いたリアルタイム動作による位置検出システムを開発することができた。
【００４９】
（２）検出コイルからの最大距離１３０ｍｍ、一辺１００ｍｍの立方体内部において直径６ｍｍ、長さ２０ｍｍのマーカで絶対位置精度を１．５ｍｍ以内とすることができた。全測定点の約８８％の点で絶対位置精度は１ｍｍ以内であった。
【００５０】
（３）マーカコイルの直径が約１．２ｍｍ、長さが１０ｍｍのマーカを用いて上記の範囲において絶対位置精度は１．６ｍｍ以内であった。全測定点の約９１％の点で絶対位置精度は１ｍｍ以内であった。
【００５１】
また、本発明は、位相情報を用いた位置および方向のみならず、マーカの等価的磁気モーメントの検出を行うことができる。
【００５２】
図１４は本発明にかかるマーカの等価的磁気モーメントをも検出する場合の磁界センサとマーカの配置を示す図、図１５はマーカの正規化された位置（ｍｍ）に対するマーカが感じる磁界強度に比例する等価的磁気モーメント（Ｗｂｍ）を示す図である。
【００５３】
図１４に示すように、磁界センサ（ピックアップコイルアレイ）２１は直方体の後方の一面に配置され、それに対して、Ｚ軸方向に向いているＬＣ共振型磁気マーカ２２をＸ，Ｙ，Ｚの各軸に平行に移動する。励磁コイル２３は直方体の前方の面に配置されている。ここでは、Ｚ軸に対しての移動は、磁界センサ２１から遠ざかる方向を負方向とした。励磁コイル２３は、図１５の横軸で−３０ｍｍ付近にある。
【００５４】
マーカ２２が励磁コイル２３から離れるにしたがって、マーカを鎖交する磁束は減少するため、等価的磁気モーメント（磁界強度に比例）は小さくなった。励磁コイル２３付近で磁界は最大となった。等価的磁気モーメント値は極大となった。また、Ｘ方向およびＹ方向へ平行な方向の移動では、ほぼ等価的磁気モーメント値は変化しないものの、端部では若干減少している。これはマーカ２２が励磁コイル２３から発生する磁界のうち、Ｚ軸成分を検出していることから考えれば、磁界強度のＺ軸成分が端部ほど減少することは合理的な結果である。
【００５５】
以上から、等価的磁気モーメントを求めることで、マーカコイルの法線方向の磁界を測定できることが示された。
【００５６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向の検出システムは、位相情報を用いたリアルタイム動作による位置検出システムとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカによる位置検出システムの模式図である。
【図２】本発明にかかる高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および方向を求めるためのフローチャートである。
【図３】本願発明者らが既に提案した振幅を用いた誘導電圧の計測の説明図である。
【図４】本発明の位相を用いた誘導電圧の計測の説明図である。
【図５】本発明にかかる試作した位置検出システムの構成を示す図である。
【図６】本発明にかかる計測システムに用いたＰＸＩ制御コントローラ（ＡＤコンバータとＤＡコンバータを内蔵）、プリアンプおよびディスプレイの写真（代用図）である。
【図７】本発明にかかる励磁コイル、検出コイル、マーカの写真（代用図）である。
【図８】本発明にかかる試作したＬＣ共振型マーカの写真（代用図）である。
【図９】本発明にかかる計測システムにおける振幅および位相の計測確度を測定時間に対して示した図である。
【図１０】本発明にかかるネットワークアナライザーを用いたＳＮ比と位置精度の関係を示す図である。
【図１１】本発明にかかるマーカ１の位置および方向を示した図である。
【図１２】本発明にかかる微細なマーカ２を用いて得られた位置および方向を示した図である。
【図１３】本発明にかかる２種類のマーカを基準点（検出コイルアレイからの距離は約８０ｍｍ）に配置した場合における各検出コイルに対して誤差電圧を示す図である。
【図１４】本発明にかかるマーカの等価的磁気モーメントをも検出する場合の磁界センサとマーカの配置を示す図である。
【図１５】正規化された位置（ｍｍ）に対するマーカが感じる磁界強度に比例する等価的磁気モーメント（Ｗｂｍ）を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１１，２３ 励磁コイル
２，１２ 検出コイル
３，１３，２２ ＬＣ共振型磁気マーカ
１４ ＡＤコンバータおよびＤＡコンバータ
１５ ＡＤコンバータ
１６ プリアンプ１６
２１ 磁界センサ（ピックアップコイルアレイ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）励磁コイルと、
（ｂ）該励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、
（ｃ）前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、
（ｄ）前記励磁コイルは前記ＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する計測手段と、
（ｅ）前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での前記検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、
（ｆ）前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での前記検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、
（ｇ）前記第１の誘起電圧と前記第２の誘起電圧の位相差を求める手段と、
（ｈ）前記位相差に基づいて前記ＬＣ共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段とを具備することを特徴とする位相計測による高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システム。
【請求項２】
請求項１記載の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および等価的磁気モーメントの検出システムにおいて、前記計測手段は、前記複数の検出コイルの各検出コイル同数の高速ＡＤコンバータへ並列に接続し、高速化およびＳＮ比を高めることを特徴とする高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システム。
【請求項１】
（ａ）励磁コイルと、
（ｂ）該励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、
（ｃ）前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるＬＣ共振型磁気マーカと、
（ｄ）前記励磁コイルは前記ＬＣ共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記ＬＣ共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する計測手段と、
（ｅ）前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットした状態での前記検出コイルによる第１の誘起電圧を計測する手段と、
（ｆ）前記ＬＣ共振型磁気マーカをセットしない状態での前記検出コイルによる第２の誘起電圧を計測する手段と、
（ｇ）前記第１の誘起電圧と前記第２の誘起電圧の位相差を求める手段と、
（ｈ）前記位相差に基づいて前記ＬＣ共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段とを具備することを特徴とする位相計測による高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システム。
【請求項２】
請求項１記載の高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置および等価的磁気モーメントの検出システムにおいて、前記計測手段は、前記複数の検出コイルの各検出コイル同数の高速ＡＤコンバータへ並列に接続し、高速化およびＳＮ比を高めることを特徴とする高精度ＬＣ共振型磁気マーカの位置、方向および等価的磁気モーメントの検出システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１７０９７６（Ｐ２００７−１７０９７６Ａ）
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６８９２６（Ｐ２００５−３６８９２６）
【出願日】平成１７年１２月２２日（２００５．１２．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年９月１９日〜２２日 社団法人日本応用磁気学会主催の「第２９回日本応用磁気学会学術講演会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２２日（２００５．１２．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年９月１９日〜２２日 社団法人日本応用磁気学会主催の「第２９回日本応用磁気学会学術講演会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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