JP3855038B2 - Rigid body motion measuring method, rigid body motion measuring device, rigid body motion measuring program, jaw motion measuring method, jaw motion measuring device and jaw motion measuring program - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に相対運動をする第一の剛体と第二の剛体間の剛体運動測定方法、剛体運動測定装置、剛体運動測定プログラムに係り、特に二個の剛体の機能で特徴づけられる相対的な運動の測定について、さらには被検体の上顎および下顎の相対的な運動の状態を測定する顎運動測定方法、顎運動測定装置および顎運動測定プログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、剛体の運動を測定するには、剛体にマーカーを取付け固定し、そのマーカーの位置座標を三次元座標測定器で測定し、その位置座標変化をプロッタなどの上にあらわす方法等がとられている。しかし相対運動をする二個の剛体の運動を測定するには、相対的な三次元座標位置を求める必要があり、特に関節の回転運動など機能で特徴づけられる二個の剛体の相対的な運動については、その機能に着目した測定の工夫を要する。そのような例として顎の運動の測定がある。顎の開閉は上顎と下顎の相対的な運動により行われるが、個体の成長の過程において、または疾病、事故の原因などにより、その開閉の異常が起こることがある。例えば、かみ合わせにおいて正常に上顎と下顎が接触しないかみ合い相異常、顎の開閉運動に不連続性があり、ときには「クリック」音が認められる運動相異常等であるが、これらの解析には顎の運動の定量的測定が必要である。
【0003】
図9に特開平7−308329号に開示された従来例の下顎運動測定装置の原理図を示す。図9において、被検体1の下顎2、上顎3にフェースボー(L)4、フェースボー(U)5が接着または適当なバンドなどで取付け固定され、各フェースボーはそれぞれ顎の左側および右側にLED6が各二個づつ、合計で8個のLED6が設けられる。図示されていないが、前記LED6の位置座標が測定できる顎の左右両側に、x軸、y軸、z軸上の座標測定を受け持つ3台のカメラがそれぞれ設置される。カメラは、図示されていない座標系演算手段に結ばれ、LED6、カメラ、座標系演算手段は、図示されていないCPUと結ばれる。
【0004】
この構成による従来例の作用を説明する。図8において図示されていないCPUの指示により8個のLED6が順次点灯され、一点灯毎に、顎の右または左に設置された三台のカメラにより点灯されたLED6の座標が測定され、図示されていない座標変換手段により、Σで示したカメラ座標系9とΣLで示された下顎に固定された座標系(下顎座標系)7間の変換T1、Σで示したカメラ座標系9とΣUで示された上顎に固定された座標系(上顎座標系)8間の変換T2を用いて、下顎座標系(ΣL)7から上顎座標系(ΣU)8の変換が演算される。この変換により、上顎座標系(ΣU)8からみた下顎の特定点(測定点)の位置座標が得られ、上顎、下顎が相互に相対運動しても、上顎に対する下顎の特定点の位置座標変化を追跡できる。
【0005】
さらに、眼下のくぼみ点および左右両耳を含む水平面、水平面に直交し、頭部の真正面中央の平面である矢状面、水平面、矢状面に直交し、眼下のくぼみ点を含む面である前頭面の三平面で構成する、ΣHで示される座標系10を設定し、上記演算手段により、上顎座標系(ΣU)8と座標系(ΣH)10の間の変換T3を用いて、下顎座標系(ΣL)7と座標系(ΣH)10の間の変換T4を演算し、下顎2の特定点の座標変化を前記水平面、矢状面、前頭面上に変換する。この変換により、顎の開閉による下顎2の特定点の、前記水平面、矢状面、前頭面上の座標の変化が追跡でき、図10はその演算結果の一例をプロッタで表示したものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来において、第一の剛体と第二の剛体が相互に相対運動をする場合でも、例えば上記従来例で上顎と下顎が相対運動をする場合でも、座標変換演算を用いることで、上顎に対する下顎の特定点の位置座標変化、また進んで水平面、矢状面、前頭面上での下顎の特定点の位置座標変化を得ることができる。しかし、得られるのは、下顎の特定点の相対的な位置座標変化であり、かみ合わせにおいて正常に上顎と下顎が接触しないかみ合い相異常、顎の開閉運動に不連続性があり、ときには「クリック」音が認められる運動相異常等については、きわめてわずかな位置座標の変化なので、顎の機能に特徴づけられる回転運動の異常を推定するのが困難である。
【0007】
また顎の運動など、対象が人の運動機能に関するときは、測定環境の問題がある。例えば上記従来例測定方法では、位置座標の測定精度を上げるため、LEDの影を作らぬように孤立した暗室でLEDを順次点灯して測定を行なう必要があり、あたかも真っ暗の狭い部屋の中でフラッシュを順次焚く状況に近く、被検体である患者、特に小児患者に精神的圧迫を与える。
【0008】
本発明の目的は、かかる従来例の課題を解決し、相互に相対運動をする第一の剛体と第二の剛体間の剛体運動、特に二個の剛体の機能で特徴づけられる相対的な運動、さらには被検体の上顎および下顎の相対的な運動の状態を測定する顎運動の測定において、かみ合わせにおいて正常に上顎と下顎が接触しないかみ合い相異常、顎の開閉運動に不連続性があり、ときには「クリック」音が認められる運動相異常等、顎の機能で特徴づけられる相対的な回転運動を定量的に測定ができ、また一般室での測定を可能とする、剛体運動測定方法、剛体運動測定装置、剛体運動測定プログラム、顎運動測定方法、顎運動測定装置および顎運動測定プログラムを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる剛体運動測定方法は、相互に相対運動をする第一の剛体および第二の剛体にそれぞれ取付け固定された相対運動中の前記複数のマーカーの三次元座標を三次元測定器により測定する三次元測定工程と、相対運動中に得られた前記三次元座標測定値から、第二の剛体と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角を、第一の剛体に固定した座標系を基準にして演算手段により演算する三次元六自由度演算工程を有する剛体運動測定方法において、相対運動中の第一の運動位置と第二の運動位置で得られた、前記特定点の二個の三次元六自由度演算結果から、第一の剛体に固定した座標系を基準にした、前記特定点の第一の運動位置から第二の運動位置への運動位置の変化をあらわす行列を演算手段により演算する運動行列演算工程と、前記演算で得られた運動行列を、剛体の回転座標系基準の回転運動行列に変換し、第二の剛体についてその回転軸を含む回転座標系の単位ベクトルまたは回転軸回りの回転角または回転中心座標の少なくとも一つの回転運動特性値を演算手段により演算する回転運動演算工程を有することを特徴とする。
【0010】
また本発明にかかる剛体運動測定方法においては、前記運動行列演算工程は、三行三列の回転をあらわす行列成分と、三行一列のベクトル成分を有する行列を演算手段により演算することを特徴とする。
【0011】
また本発明にかかる剛体運動測定装置は、相互に相対運動をする第一の剛体および第二の剛体にそれぞれ取付け固定される複数のマーカーと、相対運動中の前記複数のマーカーの三次元座標を測定する三次元測定器と、相対運動中に得られた前記三次元座標測定値から、第二の剛体と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角を、第一の剛体に固定した座標系を基準にして演算する三次元六自由度演算手段を有する剛体運動測定装置において、相対運動中の第一の運動位置と第二の運動位置で得られた、前記特定点の二個の三次元六自由度演算結果から、第一の剛体に固定した座標系を基準にした、前記特定点の第一の運動位置から第二の運動位置への運動位置の変化をあらわす行列を演算する運動行列演算手段と、前記演算で得られた運動行列を、剛体の回転座標系基準の回転運動行列に変換し、第二の剛体についてその回転軸を含む回転座標系の単位ベクトルまたは回転軸回りの回転角または回転中心座標の少なくとも一つの剛体の回転運動特性値を演算する回転運動演算手段を有することを特徴とする。
【0012】
また本発明にかかる剛体運動測定装置においては、前記運動行列演算手段は、三行三列の回転をあらわす行列成分と、三行一列のベクトル成分を有する行列を演算する回転中心演算手段の少なくとも一つの演算手段を有することを特徴とする。
【0013】
また本発明にかかる剛体運動測定プログラムは、剛体の運動を測定するコンピュータに、その制御部により、相互に相対運動をする第一の剛体および第二の剛体にそれぞれ取付け固定された複数のマーカーの三次元座標を測定する三次元測定器に指令し、相対運動中の前記三次元座標測定値をコンピュータのメモリー部に取り込み、格納する測定処理手順と、コンピュータの演算部により、前記メモリー部に格納された前記三次元座標測定値を読み出し、第二の剛体と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角を、第一の剛体に固定した座標系を基準にして演算する三次元六自由度演算処理手順を実行させるための剛体運動測定プログラムにおいて、さらに、コンピュータの演算部により、相対運動中の第一の運動位置と第二の運動位置で得られた、前記特定点の二個の三次元六自由度演算結果から、第一の剛体に固定した座標系を基準にした、前記特定点の第一の運動位置から第二の運動位置への運動位置の変化をあらわす行列を演算する運動行列演算処理手順と、前記演算で得られた運動行列を、剛体の回転座標系基準の回転運動行列に変換し、第二の剛体についてその回転軸を含む回転座標系の単位ベクトルまたは回転軸回りの回転角または回転中心座標の少なくとも一つの回転運動特性値を演算する回転運動演算処理手順を実行させることを特徴とする。
【0015】
また本発明にかかる剛体運動測定プログラムにおいては、前記運動行列演算処理手順は、三行三列の回転をあらわす行列成分と、三行一列のベクトル成分を有する行列を演算処理することを特徴とする。
【0016】
また本発明にかかる顎運動測定方法においては、第一の剛体を被検体の上顎とし、第二の剛体を被検体の下顎として、相互に相対運動をする被検体の上顎および被検体の下顎にそれぞれ取付け固定された相対運動中の前記複数のマーカーの三次元座標を三次元測定器により測定することを特徴とする。顎運動測定装置及び顎運動測定プログラムにおいても同様である。
【0017】
本発明の顎運動測定方法において、被検体の上顎および被検体の下顎に取付けられる複数のマーカーは、反射型のマーカーであることが好ましい。顎運動測定装置及び顎運動測定プログラムにおいても同様である。
【0018】
本発明にかかる剛体運動測定方法は、相互に相対運動をする第一の剛体および第二の剛体にそれぞれ複数のマーカーを取付け固定し、相対運動中の前記複数のマーカーの三次元座標を測定し、第二の剛体と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角を、第一の剛体に固定した座標系を基準にして演算し、相対運動中の第一の運動位置と第二の運動位置で得られた、前記特定点の二個の三次元六自由度演算結果から、第一の剛体に固定した座標系を基準にした、前記特定点の第一の運動位置から第二の運動位置への運動位置の変化をあらわす行列を演算する運動行列演算工程と、前記演算で得られた運動行列を、剛体の回転座標系基準の回転運動行列に変換し、第二の剛体の回転運動特性値を演算するので、二個の剛体の機能で特徴づけられる相対的な回転運動を、剛体の回転運動特性値により定量的に測定ができる。ここで、回転運動特性値とは、剛体についてその回転軸を含む回転座標系の単位ベクトルまたは回転軸回りの回転角または回転中心座標である。
【0019】
また本発明にかかる剛体運動測定方法においては、三行三列の回転をあらわす行列成分と、三行一列のベクトル成分を有する行列を演算し、回転軸を含む回転座標系の単位ベクトル、回転軸回りの回転角、回転中心座標を演算するので、これらの回転運動特性値を追跡することで、二個の剛体の機能で特徴づけられる相対的な回転運動の変化を定量的に測定できる。
【0020】
さらに本発明の顎運動測定方法においては、被検体の上顎および被検体の下顎に取付けられる複数のマーカーは、反射型のマーカーであるので、一般室での測定を可能である。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明にかかる顎運動測定装置の実際の使用状況についての説明図である。被検体1の頭部に三個の球状のマーカー11を有するヘッドフレーム12、下顎に三個の球状のマーカー11を有する下顎マーカー具13が取付け固定される。測定台14の上に、上記ヘッドフレーム12、下顎マーカー具13を両側から写す向きに第一反射鏡15が二個配置され、二個の第一反射鏡15a、15bに挟まれて、第一反射鏡15に写された像を写す向きに二個の第二反射鏡16が置かれる。二個の第二反射鏡16a、16bの一辺はお互いに接していて、その接した一辺がビデオカメラ17の視野の中央になるように例えば320x240画素を有するビデオカメラ17が置かれる。ビデオカメラ17から信号ケーブル18が、コンピュータ19に結ばれる。
【0022】
図2は、ヘッドフレーム12、下顎マーカー具13の詳細図であり、これらにはそれぞれ三個の軽量なマーカー11、例えば直径が10mmから30mmの球状の発泡スチロールなどの軽い材質からなる青色のマーカー、を有する。これらマーカーは、プラスチック等の軽量材質の棒状または板状のフレーム材を組み合わせたトラス構造等の剛性を有するフレーム体20,21に接着剤などで固定される。ヘッドフレーム12は、フレーム体20に、布またはプラスチック等の可撓性材質の帯材22が固定して取付けられ、全体として被検体の頭部に沿うような形状に作られる。帯材の一部において、例えばマジックテープ(登録商標)の名称で呼ばれる着脱自在な締め付け部分23を有する。下顎マーカー具13は、フレーム体21の一部に、金属製等の軽量で剛性の十分ある材質の板状の取付板24が固定して取付けられ、その取付板24の先にはマウスピース25が固定して取付けられる。
【0023】
図3は、第一反射鏡15、第二反射鏡16、ビデオカメラ17の光学的配置関係を、上面図的に示したものである。マーカー11が取付け固定されたヘッドフレーム12、下顎マーカー具13の、直交するOX、OY軸上の像が、実線で示される光路26に従い、ビデオカメラ17に達し、OY軸上の像がビデオカメラ17の左半分の視野、OX軸上の像がビデオカメラ17の右半分の視野に写るように、第一反射鏡15a、15b、第二反射鏡16a、16bが配置される。この配置は、古典的光学公式および幾何学公式を用いて光路26を設計することで、被検体の大きさ、装置全体の大きさなどの制約条件に合わせて適切に設定できる。本発明の実施の形態においては、二個の第二反射鏡16a、16bが互いに直交し、かつOX軸、OY軸にも直交し、ビデオカメラ17が、OX軸、OY軸の交点OからOX軸より45度の角度をなす線上に置かれる条件の下で配置した。
【0024】
図4は、コンピュータ19のハードウエア構成を示すブロック図である。キーボード31などに結ばれる入力部32、前記ビデオカメラなどの三次元測定器17に結ばれる三次元測定器インタフェイス33、三次元測定器17の測定指令などを含め全体のシステムのコントロールを行なう制御部34、測定値、演算結果などのデータを格納するメモリー部35、必要な場合に接続される外部記憶装置36、演算を行なう演算部37、演算結果などのデータをCRT画面、プロッタ等の表示装置38に出力する出力部39を有し、これらはバスラインでCPU40に結ばれる。
【0025】
つぎに本発明の実施の形態の作用について説明する。まず測定の前段階として被検体1は図2に示すように、三個のマーカー11を有するヘッドフレーム12を頭にかぶり、フレーム体20、帯材22が頭部に沿って安定させた後締め付け部分23を用いてしっかりとヘッドフレーム12を頭部に固定する。頭部と上顎は、運動上一体の剛体とみなせるので、ヘッドフレーム12に取付け固定された三個のマーカー11の運動は、被検体1の上顎の運動をあらわすと考えて良い。つぎに被検体1の下顎、具体的には下歯茎の部分にマウスピース25を歯科用瞬間接着剤でしっかり取付け固定する。したがって下顎マーカー具13に取付け固定された三個のマーカー11の運動は被検体1の下顎の運動をあらわすと考えて良い。ヘッドフレーム12、下顎マーカー具13の準備ができた被検体1は、第一反射鏡15、第二反射鏡16、ビデオカメラ17が設置された測定台14に向かって椅子などに座る。
【0026】
つぎに、図3の配置関係におけるマーカー11の位置座標測定原理を図5に示す。被検体1は、OX軸、OY軸であらわされる平面の第一象限の位置に座る。図3に示す光学系は、OX軸上の像、OY軸上の像を、反射鏡によりそれぞれビデオカメラ17の右半分、左半分の視野へ写すので、一台のビデオカメラを用いているが、作用上は、OX軸、OY軸上にそれぞれカメラC1、C2を設置したことと等価である。前記第一象限に、「矢印の根元に黒丸」の物体を置いたときの、その像の写る様子を図5(a)に示した。仮想的なカメラC2が、前記第一象限の「矢印の根元に黒丸」をみるとき、OY軸にはC2点と「矢印の根元に黒丸」を結ぶ線のOY軸における交点が写る。同様に、仮想的なカメラC1が、前記第一象限の「矢印の根元に黒丸」をみるとき、OX軸にはC1点と「矢印の根元に黒丸」を結ぶ線のOX軸における交点が写る。今黒丸を代表する点をM点とし、その座標を(X1、Y1、Z1)とすると、OX上の写る像の座標x1、OY軸上の写る像の座標y1は、C1、C2およびM点の位置関係により定まり、また、OX軸上、OY軸上の像が第一反射鏡15a、15bに写る像の座標は、第一反射鏡15a、15bがOX軸、OY軸との置かれる角度で定まる。同様に第一反射鏡15a、15bに写る像の座標が第二反射鏡16a、16bに写る像、第二反射鏡16a、16bに写る像の座標がビデオカメラ17に写る像の座標xb、ybもこれらの相対的な角度で定まる。したがってM点の座標(X1、Y1、Z1)のうちX1、Y1については、ビデオカメラ17に写る像の座標xb、ybから求められる。ここで仮想的なカメラの位置C1,C2は分かっていないが、予め長さが分かっている校正用物体を前記第一象限に置き、最終的にビデオカメラ上に写る前記校正用物体の長さを計算で求めて校正することで、光学系全体の座標変換の倍率を求めることができる。
【0027】
M点の座標(X1、Y1、Z1)のうちZ1は図5(b)の関係から求める。M点の高さ座標Z1は、C2点からみると、OY軸よりx1離れた点をOY軸上に写す。その写る座標をzL(Lは、ビデオカメラで左側という意味で便宜上つけた)とする。これに対し、同じM点の高さ座標をC1点からみるときは、OX軸よりy1離れた点をOX軸上に写す。その写る座標をzR(Rはビデオカメラの右側の意味)とすると、x1とy1が異なるときはzLとzRは区別できる。x1、y1は既知であるから、このzLとzRの差よりZ1を求めることができる。
【0028】
上に述べたマーカーの位置座標の測定原理に基づいて、コンピュータ19において、その制御部34、メモリー部35、演算部37等に所定の処理手順を実行させるプログラムに従って、ビデオカメラ17の撮像の指令を出し、撮像されたデータを取り込んで演算等の処理をする。図6に本発明の実施の形態におけるフローチャートを示す。
【0029】
STEP1は、カメラで下顎、上顎のマーカー座標を読み込む処理手順である。コンピュータ19において、制御部34の指令によりAVI(オーディオビデオインターフェイス)を持つキャプチャーボード等の三次元測定器インタフェイス33を介して、ビデオカメラ17に備えられるCCD等の撮像素子により得られる毎秒30フレームの被検体の動画を、一フレームごとにコンピュータ19に取り込み、各一フレームの320*240の画素面におけるマーカーの位置を認識し、演算部37で、図5で説明した座標測定原理に従って、被検体上のマーカーの三次元位置座標を演算し、測定された下顎、上顎のマーカー座標測定値をメモリー部35に格納する。
【0030】
STEP2は、下顎特定点、上顎特定点の座標と単位ベクトル算出の処理手順、である。すなわち第一の剛体および第二の剛体とそれぞれ特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角の三次元六自由度を演算する処理手順である。まず特定点と単位ベクトルを定める処理手順について、図7に下顎の場合を示す。下顎マーカー具13に取付けられた三個のマーカーで定義される平面Aを考え、一つのマーカーを特定点LOとし、その特定点を原点とする。つぎに他のマーカーのうち一つのマーカーを含む方向をX軸とし、X軸上のそのマーカーの占める位置を点LXとして、平面A上で特定点LOを通り、線分LOLXに直交する方向にY軸を取り、Y軸上で特定点LOからの距離が線分LOLXの長さに等しくなる位置を点LYとする。さらに平面Aに垂直方向で特定点LOを通る方向にZ軸を取り、Z軸上で特定点LOからの距離が線分LOLX、LOLYの長さに等しくなる位置を点LZとする。このようにして、下顎と特定の位置関係を持つ座標系の特定点LOと、特定点LOを原点とする単位ベクトルLOLX、LOLY、LOLZを定める。上顎についても同様である。
【0031】
つぎに、この特定点LOの位置座標を、ビデオカメラ17の座標系から測定したときの位置座標の変換TLCは、式(1)で算出される。
【数1】
ここでTLCは下顎と特定の位置関係を持つ座標系からビデオカメラ17の座標系への変換を表し、CX、CY、CZはビデオカメラ17の座標系から見た位置座標、LX、LY、LZは下顎と特定の位置関係を持つ座標系から見た位置座標、GCLは単位ベクトルの回転変換を表す三行三列の行列、aCLは三行一列のベクトルである。今の場合LX、LY、LZは原点であるからいずれもゼロである。この式(1)の演算により、特定点LOの三次元座標および三次元回転角が算出される。
【0032】
同様に、上顎と特定の位置関係を持つ座標系の特定点UO、特定点UOを原点とする単位ベクトルUOUX、UOUY、UOUZを定められる。つぎにこの特定点UOの位置座標を、ビデオカメラ17の座標系から測定したときの位置座標への変換TUCは、式(2)で算出される。
【数2】
記号の意味は、式1と同様である。
【0033】
すなわちこの処理手順は、コンピュータ19において、下顎、上顎のマーカー座標測定値をメモリー部35から読み出して、演算部37で、下顎、上顎とそれぞれ特定の位置関係を持つ特定点と単位ベクトルを定め、式(1)、(2)を演算し、算出したデータは、メモリー部35に格納する。
【0034】
STEP3は、上顎特定点の座標、単位ベクトルを基準として変換する処理手順である。STEP2の式(1)、式(2)の演算で得られた、特定点LOおよび特定点UOのビデオカメラ17の座標系から測定したときの位置座標から、上顎と特定の位置関係を持つ特定点UOの三次元座標、単位ベクトルを基準にして、下顎と特定の位置関係を持つ特定点LOの三次元座標、三次元回転角を変換する。
【0035】
一般に、AからBへの変換をTAB、BからCへの変換をTBC、CからAへの変換をTCAとすると、これら三者間に式(3)が成り立つ。
【数3】
TCAoTBCoTAB=1
TBC=TCA -1oTAB -1=TCA -1oTBA ・・・(3)
ここで、例えばTBCoTABは、TABに変換TBCを施したことを表すものとする。したがって、いまAをビデオカメラの座標系、Bを下顎と特定の位置関係を持つ座標系、Cを上顎と特定の位置関係を持つ座標系とすると、下顎と特定の位置関係を持つ特定点LOの三次元座標、三次元回転角を、上顎と特定の位置関係を持つ特定点UOの三次元座標、単位ベクトルを基準にして変換するときの変換TLUは、式(1)のTLC、式(2)のTUCから式(4)で算出される。
【数4】
TLU=TUC -1oTLC ・・・(4)
このようにして得られたTLUを用いて、上顎と下顎が相互に相対運動をしたときでも、上顎を基準に下顎の運動を捉えることができるので、以後は特に断らない限り、この上顎基準の下顎の運動を考える。
【0036】
すなわちこの処理手順は、コンピュータ19において、メモリー部35に格納されている、下顎と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角と、上顎と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角のデータを読み出し、これを演算部37において、上顎に固定した座標系を基準として、下顎の特定点の三次元座標および三次元回転角のデータを座標変換する。座標変換したデータは、メモリー部35に格納する。
【0037】
STEP4は、相対運動中であるかどうか判断し、相対運動中のときは、STEP1からSTEP3までを繰り返し、相対運動が終了し、データ測定の必要がなくなれば、STEP1からSTEP3までの処理を終了し、次のSTEP5に進む。例えば一連の相対運動を300フレームの動画データで測定するときは、約10秒でSTEP1からSTEP3までの処理を終了する。
【0038】
STEP5は、運動位置の変化を示す行列算出の処理手順である。一般に空間における運動は回転と平行移動の合成である。空間にある座標系を定めると、空間の点は三次元のベクトルとして表現できるので、今ある空間点をMとして、xをそのベクトルとする。運動により点Mを動かすとき、その運動後の座標は、回転を表す行列Gとベクトルaを用いて、Gx+aと表される。これを行列の積で示すために、三行一列のxにもう一行1を加えた四行一列として、式(5)のように表す。
【数5】
つまり、点Mの運動は、回転をあらわす三行三列の行列成分Gと、三行一列の行列成分であるベクトルaを含む四行四列の行列で表すことができる。
【0039】
いま下顎の特定点LOについて第一の運動位置を表す四行四列の行列をH1Uと、第二の運動位置を表す四行四列の行列をH2Uとすると、これらはそれぞれ第一の運動位置、第二の運動位置から上顎の特定点UOへの変換に相当する。式(3)の関係を用いれば、下顎の特定点LOについて第一の運動位置から第二の運動位置への運動をあらわす変換H12は、式(6)で表される。
【数6】
H12=H2U -1oH1U ・・・(6)
【0040】
すなわちこの処理手順は、コンピュータ19において、メモリー部35に格納された式(4)のTLUのデータから、第一の運動状態、第二の運動状態におけるデータを読み出し、それぞれH1U、H2Uとして、演算部37において式(6)を演算することで、第一の剛体に固定した座標系を基準にした、前記特定点の第一の運動位置から第二の運動位置への運動位置の変化をあらわす運動行列を演算し、その結果をメモリー部35に格納する。
【0041】
STEP6は、回転座標系の単位ベクトル算出の処理手順である。回転中心を通る回転軸方向の単位ベクトルは、回転を表す行列Gの、固有値1を持つ固有ベクトルであるから、式(6)で演算された四行四列の行列H12の回転を表す三行三列の行列成分Gについて、その固有値が1である固有ベクトルを、よく知られた掃き出し法などを用いて算出して回転軸方向の単位ベクトルを定め、残りの二軸の単位ベクトルもその過程で演算する。
【0042】
すなわちこの処理手順は、コンピュータ19においてメモリー部35に格納された四行四列の行列H12を読み出して、演算部37において、その回転を表す三行三列の行列の行列について、固有値1の固有ベクトルを求める演算処理を行い、その結果をメモリー部35に格納する。
【0043】
STEP7は、回転角算出の処理手順である。STEP6で得られた回転座標系の単位ベクトルをPとすると、式(7)の関係にあることはよく知られている。
【数7】
ここでθが、剛体の回転軸周りの回転角を表す。すなわちコンピュータ19において、メモリー部35に格納されているH12のデータと、固有ベクトルPを読み出して、式(7)を演算し、その結果をメモリー部35に格納する。
【0044】
STEP8は、回転中心座標算出の処理手順である。下顎と特定の位置関係をもつ特定点LOの第一の運動位置から第二の運動位置への運動をあらわす運動行列H12のベクトル成分aについて、式(8)で示すように、aを回転座標系でみれば、回転軸方向の回転中心の平行移動成分b1と、回転中心周りの回転角θによる座標移動成分b0に分けられる。
【数8】
ここでaは三行一列、b0は二行一列、b1はスカラー量である。b0は、回転中心から特定点LOへの回転半径をc0とすれば、式(9)の関係を持つ。
【数9】
b0=c0−G*c0
c0=(I−G)-1*b0 ・・・(9)
ここでIは単位行列である。このc0と特定点LOの位置座標から回転中心の位置座標が算出できる。すなわち、コンピュータ19において、メモリー部35に格納されているH12を読み出し、演算部37でベクトル成分aについて式(8)、(9)を演算し、回転中心座標を算出し、結果をメモリー部35に格納する。
【0045】
STEP9は、メモリー部35に格納されている一連の相対運動のデータについて、STEP5からSTEP8の処理手順がすべて完了したか判断し、未完了のときはSTEP1からSTEP3までの処理を終了の処理手順を繰り返し、完了したときはつぎのSTEP10に進む。例えば一連の相対運動を300フレームの動画データから演算するときは、約五分でSTEP1からSTEP3までの処理を終了する。
【0046】
STEP10は、表示の処理手順である。回転軸を含む回転座標系の単位ベクトル、回転軸回りの回転角、回転中心座標の少なくとも一つの回転運動特性値を表示する。すなわちコンピュータ19において、メモリー部35から、これらの回転運動特性値を読み出して、出力部39を介してコンピュータのCRT画面、プロッタ等の表示装置38に表示する。
【0047】
図8は、本発明の実施の形態における測定結果の例であり、図8(a)は健常者について、図8(b)はクリック症状を有する患者について、上顎に対して下顎を次第に開き次いで次第に閉じる運動を行ない、横軸に時間(画像フレーム番号)をとり、縦軸にその時々刻々の下顎の回転軸に対しての回転角、回転中心位置座標、回転単位ベクトル、回転中心の平行移動量を表したものである。図8(a)と図8(b)を比較すると図中で(1)、(2)、(3)と示した点が異なる。これらの運動位置においては、回転中心が移動し、その単位ベクトルも変化ているのが明確に認められる。すなわち、(1)と(3)の点においては、下顎と上顎とのかみ合わせの開始および終了したときに、かみ合わせにおいて正常に上顎と下顎が接触しないかみ合い相異常があることがわかり、(2)の点においては顎の開閉運動に不連続性があり、ときには「クリック」音が認められる運動相異常があることが分かる。このように上顎、下顎のかみ合わせ、開閉という二個の剛体の機能で特徴づけられる相対的な運動を回転角、回転中心座標、単位ベクトル、回転中心の平行移動等、回転運動特性値として定量的に測定し、その結果を表示できる。
【0048】
本発明の実施の形態においては、下顎運動に詳細に説明したが、ひざ、腕、指等関節の回転運動機能で特徴づけられる二個の剛体の相対的な運動について本発明が実施できる。この場合、被検体は人間、人間以外の生体に限られず、ロボットについても本発明は実施できる。また機械装置の一部の機構等、相互に相対運動をする第一の剛体と第二の剛体間の剛体運動の測定にも本発明は実施できる。
【0049】
表示については、さらに座標変換をほどこして、観察しやすい座標系で測定値を表示することでも本発明は実施できる。
【0050】
本発明の実施の形態におけるフローチャートのうち、STEP1からSTEP10までをひとつのプログラムとすることも、STEP1からSTEP3までと、STEP4以降を分離して二つのプログラムとすることによっても本発明を実施することができる。
【0051】
マーカーの大きさ、形状、色彩等は、本発明の実施の形態のほか、反射型のマーカーを各実施の態様に合わせて設計事項の範囲で変更して本発明が実施できる。位置座標測定原理は、本発明の実施の形態のほか、複数台の非接触式、接触式の三次元測定器によっても本発明が実施できる。
【0052】
【発明の効果】
本発明にかかる剛体運動測定方法は、相互に相対運動をする第一の剛体および第二の剛体にそれぞれ複数のマーカーを取付け固定し、相対運動中の前記複数のマーカーの三次元座標を測定し、第二の剛体と特定の位置関係をもつ特定点の三次元座標および三次元回転角を、第一の剛体に固定した座標系を基準にして演算し、相対運動中の第一の運動位置と第二の運動位置で得られた、前記特定点の二個の三次元六自由度演算結果から、第一の剛体に固定した座標系を基準にした、前記特定点の第一の運動位置から第二の運動位置への運動位置の変化をあらわす行列を演算する運動行列演算工程と、前記演算で得られた運動行列を、剛体の回転座標系基準の回転運動行列に変換し、第二の剛体の回転運動特性値として、回転軸を含む回転座標系の単位ベクトル、回転軸回りの回転角、回転中心座標を演算するので、これらの回転運動特性値を追跡することで、二個の剛体の機能で特徴づけられる相対的な回転運動の変化を定量的に測定ができた。
【0053】
さらに本発明の顎運動測定方法においては、被検体の上顎および被検体の下顎に取付けられる複数のマーカーは、反射型のマーカーであるので、一般室での測定が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態にかかる顎運動測定装置の使用状況説明図
である。
【図2】 本発明の実施の形態におけるヘッドフレーム、下顎マーカー具の詳細図である。
【図3】 本発明の実施の形態における光学系の配置図である。
【図4】 本発明の実施の形態におけるコンピュータのブロック図である。
【図5】 本発明の実施の形態におけるマーカーの位置座標測定原理を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態におけるフローチャートである。
【図7】 本発明の実施の形態における特定点、単位ベクトルの定義の説明図である。
【図8】 本発明の実施の形態における測定結果の例で、(a)は健常者、(b)は「クリック」症状者についてのものである。
【図9】 従来例の下顎運動測定装置の原理図である。
【図10】 従来例の顎の開閉による座標の変化の測定結果の例である。
【符号の説明】
1 被検体、2 下顎、3 上顎、4 フェースボー(L)、5 フェースボー(U)、6 LED、7 座標系ΣL、8 座標系ΣU、9 カメラ座標系Σ、10 座標系ΣH、11 マーカー、12 ヘッドフレーム、13 下顎マーカー具、14 測定台、15、15a、15b 第一反射鏡、16、16a、16b 第二反射鏡、17 ビデオカメラ(三次元測定器)、18 信号ケーブル、19 コンピュータ、20,21 フレーム体、22 帯材、23 締め付け部分、24 取付板、25 マウスピース、26 光路、31 キーボード、32入力部、33 三次元測定器インタフェイス、34 制御部、35 メモリー部、36 外部記憶装置、37 演算部、38 表示装置、39 出力部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rigid body motion measuring method, a rigid body motion measuring apparatus, and a rigid body motion measuring program between a first rigid body and a second rigid body that move relative to each other, and in particular, a relative characteristic characterized by the functions of two rigid bodies. Further, the present invention relates to a jaw motion measurement method, a jaw motion measurement device, and a jaw motion measurement program for measuring the relative motion state of the upper jaw and the lower jaw of a subject.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to measure the motion of a rigid body, a method has been adopted in which a marker is attached and fixed to the rigid body, the position coordinates of the marker are measured with a three-dimensional coordinate measuring instrument, and the change of the position coordinates is displayed on a plotter or the like. ing. However, in order to measure the motion of two rigid bodies that make relative motions, it is necessary to determine the relative three-dimensional coordinate position, and in particular, the relative motion of two rigid bodies characterized by functions such as rotational motion of joints. As for, it is necessary to devise measurement focusing on its function. An example of this is the measurement of jaw movement. Opening and closing of the jaw is performed by relative movement of the upper jaw and the lower jaw. However, the opening and closing of the jaw may occur during the growth of the individual or due to a disease or an accident. For example, there is a meshing phase abnormality in which the upper and lower jaws do not normally come into contact with each other, there is a discontinuity in the opening and closing movement of the jaw, and a movement phase abnormality in which a `` click '' sound is sometimes observed. A quantitative measurement of movement is required.
[0003]
FIG. 9 shows a principle diagram of a conventional mandibular movement measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-308329. In FIG. 9, a face bow (L) 4 and a face bow (U) 5 are attached and fixed to the
[0004]
The operation of the conventional example with this configuration will be described. 8
[0005]
Furthermore, it is a plane that is perpendicular to the horizontal plane including the indentation point and the left and right ears, and the horizontal plane, and is a plane in the center in front of the head. Σ composed of three frontal planesHIs set, and the upper coordinate system (ΣU) 8 and coordinate system (ΣH) Conversion T between 10ThreeUsing the mandibular coordinate system (ΣL) 7 and coordinate system (ΣH) Conversion T between 10FourAnd the coordinate change of the specific point of the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, even when the first rigid body and the second rigid body move relative to each other, for example, even when the upper jaw and the lower jaw move relative to each other in the conventional example, the upper jaw can be obtained by using the coordinate transformation calculation. It is possible to obtain a change in position coordinates of a specific point of the lower jaw with respect to, and a change in position coordinates of a specific point of the lower jaw on the horizontal plane, the sagittal plane, and the frontal plane. However, what is obtained is a change in the relative position coordinates of a specific point on the lower jaw, the meshing phase abnormality where the upper and lower jaws do not normally contact in meshing, discontinuity in the jaw opening and closing movement, sometimes `` click '' For movement phase abnormalities, etc. in which sound is recognized, it is difficult to estimate the rotational movement abnormalities that are characterized by the function of the jaws, because the position coordinates change very slightly.
[0007]
In addition, when the subject is related to human motor function, such as jaw movement, there is a problem of measurement environment. For example, in the conventional measurement method described above, in order to increase the measurement accuracy of the position coordinates, it is necessary to perform the measurement by sequentially turning on the LEDs in an isolated dark room so as not to make a shadow of the LED. It is close to the situation of flashing sequentially, and it gives mental pressure to the patient, especially pediatric patients.
[0008]
The object of the present invention is to solve the problems of the conventional example, and to perform a rigid body motion between the first rigid body and the second rigid body that move relative to each other, in particular, the relative motion characterized by the functions of the two rigid bodies. In addition, in the measurement of jaw movement that measures the relative movement state of the subject's upper and lower jaws, there is a discontinuity in the meshing phase abnormality where the upper and lower jaws do not normally contact in engagement, the jaw opening and closing movements are Rigid body motion measurement method, rigid body that can quantitatively measure the relative rotational motion characterized by jaw function, such as abnormal movement phase where sometimes “click” sound is recognized, and can be measured in a general room To provide a motion measurement device, a rigid motion measurement program, a jaw motion measurement method, a jaw motion measurement device, and a jaw motion measurement program.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the rigid body motion measuring method according to the present invention is applied to the first rigid body and the second rigid body, which perform relative motion to each other.Mounting fixed3D coordinates of the markers in relative motionWith a three-dimensional measuring instrumentFrom the three-dimensional measurement step to be measured and the three-dimensional coordinate measurement value obtained during the relative motion, the three-dimensional coordinates and the three-dimensional rotation angle of the specific point having a specific positional relationship with the second rigid body are determined as the first Based on a coordinate system fixed to a rigid bodyBy computing meansIn a rigid body motion measurement method having a three-dimensional six-degree-of-freedom calculation step for calculating, two three-dimensional six-degree-of-freedom calculations of the specific point obtained at the first motion position and the second motion position during relative motion From the result, a matrix representing a change in the movement position from the first movement position of the specific point to the second movement position based on the coordinate system fixed to the first rigid body is obtained.By computing meansThe motion matrix calculation step to calculate, and the motion matrix obtained by the above calculation is converted into a rotational motion matrix based on the rotational coordinate system of the rigid body, and the unit vector or rotation of the rotational coordinate system including the rotational axis of the second rigid body At least one rotational motion characteristic value of the rotation angle around the axis or the rotation center coordinateBy computing meansIt has the rotational motion calculating process to calculate, It is characterized by the above-mentioned.
[0010]
In the rigid body motion measuring method according to the present invention, the motion matrix calculation step includes a matrix component representing a rotation of 3 rows and 3 columns and a matrix having a vector component of 3 rows and 1 column.By computing meansIt is characterized by calculating.
[0011]
Further, the rigid body motion measuring apparatus according to the present invention includes a plurality of markers that are respectively attached and fixed to the first rigid body and the second rigid body that move relative to each other, and three-dimensional coordinates of the plurality of markers that are in relative motion. From the three-dimensional measuring device to be measured and the three-dimensional coordinate measurement value obtained during the relative motion, the three-dimensional coordinates and the three-dimensional rotation angle of the specific point having a specific positional relationship with the second rigid body are determined as the first In the rigid body motion measuring apparatus having a three-dimensional 6-degree-of-freedom calculating means for calculating based on a coordinate system fixed to a rigid body, the specific point obtained at the first motion position and the second motion position during relative motion From the two three-dimensional six-degree-of-freedom calculation results of, the change of the movement position from the first movement position to the second movement position of the specific point is shown based on the coordinate system fixed to the first rigid body. A motion matrix computing means for computing a matrix; The movement matrix obtained by calculation, converts the rotary motion matrix of the rotating coordinate system based rigid, the second rigidAt least one of the unit vector of the rotation coordinate system including the rotation axis, the rotation angle around the rotation axis, or the rotation center coordinateAnd a rotary motion calculating means for calculating a rotational motion characteristic value of the rigid body.
[0012]
Further, in the rigid body motion measuring apparatus according to the present invention, the motion matrix computing means represents a matrix having a matrix component representing a rotation in three rows and three columns and a vector component having three rows and one column.CalculateIt has at least one calculating means of the rotation center calculating means.
[0013]
Further, the rigid body motion measurement program according to the present invention includes a computer that measures the motion of a rigid body, and a plurality of markers that are respectively attached and fixed to the first rigid body and the second rigid body that are relatively moved by the control unit. Instructs a three-dimensional measuring instrument that measures three-dimensional coordinates, takes the measured three-dimensional coordinate values during relative movement into the memory part of the computer, stores them in the memory part, and stores them in the memory part by the computing part of the computer The measured three-dimensional coordinate value is read, and the three-dimensional coordinates and the three-dimensional rotation angle of a specific point having a specific positional relationship with the second rigid body are calculated with reference to the coordinate system fixed to the first rigid body. In the rigid body motion measurement program for executing the three-dimensional six-degree-of-freedom computation processing procedure, the computer motion unit further determines the first motion position during relative motion and From the two three-dimensional 6-degree-of-freedom calculation results of the specific point obtained at the second motion position, the first motion position of the specific point is determined based on the coordinate system fixed to the first rigid body. A motion matrix calculation processing procedure for calculating a matrix representing a change of the motion position to the second motion position, and converting the motion matrix obtained by the calculation into a rotational motion matrix based on a rotational coordinate system of a rigid body; Rigid bodyAt least one of the unit vector of the rotation coordinate system including the rotation axis, the rotation angle around the rotation axis, or the rotation center coordinateThe rotational motion calculation processing procedure for calculating the rotational motion characteristic value of the is executed.
[0015]
In the rigid body motion measurement program according to the present invention, the motion matrix computation processing procedure computes a matrix having a matrix component representing rotation in three rows and three columns and a matrix having vector components in three rows and one column.Make senseIt is characterized by that.
[0016]
In the jaw movement measuring method according to the present invention, the first rigid bodyTheMaxilla of subjectageThe second rigid bodyTheLower jaw of subjectAs a result, the three-dimensional coordinates of the plurality of markers in the relative movement, which are attached and fixed to the upper jaw of the subject and the lower jaw of the subject, which move relative to each other, are measured by a three-dimensional measuring instrument.It is characterized by that. The same applies to the jaw movement measuring device and the jaw movement measuring program.
[0017]
How to measure jaw movement of the present inventionTo the lawThe plurality of markers attached to the upper jaw of the subject and the lower jaw of the subject are preferably reflective markers.The same applies to the jaw movement measuring device and the jaw movement measuring program.
[0018]
In the rigid body motion measuring method according to the present invention, a plurality of markers are attached and fixed to each of the first rigid body and the second rigid body that move relative to each other, and the three-dimensional coordinates of the plurality of markers during the relative motion are measured. Calculate the 3D coordinates and 3D rotation angle of a specific point with a specific positional relationship with the second rigid body based on the coordinate system fixed to the first rigid body, and the first motion position in relative motion The first movement position of the specific point based on the coordinate system fixed to the first rigid body from the two three-dimensional six-degree-of-freedom calculation results of the specific point obtained at the second movement position. A motion matrix calculation step for calculating a matrix representing a change in the movement position from the first movement position to the second movement position, and converting the movement matrix obtained by the calculation into a rotation movement matrix based on a rotational coordinate system of a rigid body; Because it calculates the rotational motion characteristic value of the rigid body of In relative rotational movement characterized, it is quantitatively measured using a rotational movement characteristic values of the rigid body.Here, the rotational motion characteristic value is a unit vector of a rotating coordinate system including a rotation axis of a rigid body, a rotation angle around the rotation axis, or a rotation center coordinate.
[0019]
Further, in the rigid body motion measuring method according to the present invention, a matrix component representing rotation in three rows and three columns and a matrix having a vector component in three rows and one column are calculated, and a unit vector of a rotating coordinate system including a rotation axis, a rotation axis Since the rotation angle of rotation and the coordinates of the rotation center are calculated, it is possible to quantitatively measure the change in relative rotational motion characterized by the functions of the two rigid bodies by tracking these rotational motion characteristic values.
[0020]
Furthermore, in the jaw movement measuring method of the present invention, the plurality of markers attached to the upper jaw of the subject and the lower jaw of the subject are reflective markers, and therefore can be measured in a general room.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram of an actual use situation of a jaw movement measuring apparatus according to the present invention. A
[0022]
FIG. 2 is a detailed view of the
[0023]
FIG. 3 is a top view showing the optical arrangement relationship of the first reflecting mirror 15, the second reflecting mirror 16, and the
[0024]
FIG. 4 is a block diagram showing a hardware configuration of the
[0025]
Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described. First, as shown in FIG. 2, the subject 1 covers the
[0026]
Next, the principle of measuring the position coordinates of the
[0027]
M point coordinates (X1, Y1, Z1Z)1Is obtained from the relationship shown in FIG. Height coordinate Z of M point1From the point of C2, x from the OY axis1Copy the distant point on the OY axis. ZL(L is given for convenience in the sense of the left side of the video camera). On the other hand, when the height coordinate of the same M point is seen from the C1 point, it is y from the OX axis.1Copy the distant point on the OX axis. ZR(R means the right side of the video camera) x1And y1Z is differentLAnd zRCan be distinguished. x1, Y1Is known, so this zLAnd zRZ difference1Can be requested.
[0028]
Based on the above-described measurement principle of the position coordinates of the marker, the
[0029]
[0030]
STEP2 is a procedure for calculating the lower jaw specific point, the coordinates of the upper jaw specific point and the unit vector. That is, it is a processing procedure for calculating the three-dimensional six-degree-of-freedom of the three-dimensional coordinates and the three-dimensional rotation angle of a specific point having a specific positional relationship with the first rigid body and the second rigid body, respectively. First, the processing procedure for determining a specific point and a unit vector is shown in FIG. Considering a plane A defined by three markers attached to the
[0031]
Next, this specific point LOConversion of the position coordinate when the position coordinate of is measured from the coordinate system of the
[Expression 1]
Where TLCRepresents the conversion from the coordinate system having a specific positional relationship with the lower jaw to the coordinate system of the
[0032]
Similarly, a specific point U of the coordinate system having a specific positional relationship with the upper jawO, Specific point UOUnit vector U with originOUX, UOUY, UOUZIs determined. Next, this specific point UOIs converted to a position coordinate when measured from the coordinate system of the
[Expression 2]
The meaning of the symbols is the same as in
[0033]
That is, in this processing procedure, the
[0034]
[0035]
In general, the conversion from A to B is TAB, Convert B to CBC, Conversion from C to ACAThen, equation (3) holds between these three.
[Equation 3]
TCAoTBCoTAB= 1
TBC= TCA -1oTAB -1= TCA -1oTBA... (3)
Here, for example, TBCoTABTABConvert to TBCIt represents that it was given. Therefore, if A is a coordinate system of a video camera, B is a coordinate system having a specific positional relationship with the lower jaw, and C is a coordinate system having a specific positional relationship with the upper jaw, a specific point L having a specific positional relationship with the lower jaw.O3D coordinates, 3D rotation angle, specific point U with a specific positional relationship with the upper jawOConversion T for conversion based on 3D coordinates and unit vectorLUIs the T in equation (1)LC, T in equation (2)UCIs calculated by the equation (4).
[Expression 4]
TLU= TUC -1oTLC ... (4)
The T thus obtainedLUEven if the upper jaw and the lower jaw move relative to each other, the movement of the lower jaw can be captured with reference to the upper jaw. Therefore, unless otherwise specified, the lower jaw movement will be considered.
[0036]
That is, this processing procedure is performed in the
[0037]
[0038]
STEP 5 is a matrix calculation processing procedure indicating a change in the movement position. In general, motion in space is a combination of rotation and translation. If a coordinate system in the space is defined, a point in the space can be expressed as a three-dimensional vector, so that the existing space point is M and x is the vector. When the point M is moved by movement, the coordinates after the movement are expressed as Gx + a using a matrix G representing rotation and a vector a. In order to show this as a matrix product, it is expressed as equation (5) as four rows and one column obtained by adding another
[Equation 5]
That is, the motion of the point M can be expressed by a matrix of 4 rows and 4 columns including a matrix component G of 3 rows and 3 columns representing rotation and a vector a which is a matrix component of 3 rows and 1 column.
[0039]
Now the specific point L of the lower jawOA 4-by-4 matrix representing the first motion position for H1UAnd a 4-by-4 matrix representing the second motion position is H2UThen, these are the specific points U of the upper jaw from the first movement position and the second movement position, respectively.OEquivalent to conversion to Using the relationship of Equation (3), the specific point L of the lower jawOTransformation H representing the movement from the first movement position to the second movement position12Is represented by Formula (6).
[Formula 6]
H12= H2U -1oH1U ... (6)
[0040]
That is, this processing procedure is performed by the
[0041]
[0042]
That is, this processing procedure is performed by a four-by-four matrix H stored in the
[0043]
[Expression 7]
Here, θ represents a rotation angle around the rotation axis of the rigid body. That is, in the
[0044]
[Equation 8]
Where a is 3 rows and 1 column, b0Is two rows and one column, b1Is a scalar quantity. b0Is a specific point L from the center of rotation.OThe radius of rotation to c0Then, there is a relationship of Expression (9).
[Equation 9]
b0= C0-G * c0
c0= (IG)-1* B0 ... (9)
Here, I is a unit matrix. This c0And specific point LOThe position coordinates of the rotation center can be calculated from the position coordinates. That is, in the
[0045]
[0046]
[0047]
FIG. 8 is an example of measurement results in the embodiment of the present invention. FIG. 8 (a) shows a healthy person, FIG. 8 (b) shows a patient with a click symptom, and gradually opens the lower jaw with respect to the upper jaw. Close movement is performed, time (image frame number) is taken on the horizontal axis, and the rotation angle, rotation center position coordinate, rotation unit vector, and rotation center translation with respect to the rotation axis of the lower jaw every moment on the vertical axis. It represents the quantity. When FIG. 8A is compared with FIG. 8B, the points indicated as (1), (2), and (3) in the figure are different. At these motion positions, it can be clearly seen that the center of rotation has moved and that the unit vectors have also changed. That is, at the points (1) and (3), it can be seen that when the engagement between the lower jaw and the upper jaw starts and ends, there is a meshing phase abnormality in which the upper jaw and the lower jaw do not normally contact in the engagement, (2) It can be seen that there is a discontinuity in the jaw opening and closing movement, and there is a movement phase abnormality in which a “click” sound is sometimes observed. In this way, the relative movements characterized by the functions of the two rigid bodies such as the upper jaw and lower jaw meshing and opening and closing are quantitatively expressed as rotational motion characteristic values such as rotation angle, rotation center coordinates, unit vector, and rotation center translation. Can be measured and the results can be displayed.
[0048]
In the embodiment of the present invention, the mandibular movement has been described in detail, but the present invention can be implemented with respect to the relative movement of two rigid bodies characterized by the rotational movement function of joints such as knees, arms, and fingers. In this case, the subject is not limited to a human being or a living body other than a human being, and the present invention can also be implemented for a robot. The present invention can also be implemented for measuring the rigid body motion between the first rigid body and the second rigid body that move relative to each other, such as a mechanism of a part of the mechanical device.
[0049]
As for the display, the present invention can also be implemented by further performing coordinate transformation and displaying the measured values in a coordinate system that is easy to observe.
[0050]
Of the flowcharts in the embodiment of the present invention,
[0051]
In addition to the embodiment of the present invention, the size, shape, color, etc. of the marker can be implemented by changing the reflective marker within the range of design matters in accordance with each embodiment. In addition to the embodiment of the present invention, the position coordinate measurement principle can be implemented by a plurality of non-contact and contact three-dimensional measuring instruments.
[0052]
【The invention's effect】
In the rigid body motion measuring method according to the present invention, a plurality of markers are attached and fixed to each of the first rigid body and the second rigid body that move relative to each other, and the three-dimensional coordinates of the plurality of markers during the relative motion are measured. Calculate the 3D coordinates and 3D rotation angle of a specific point with a specific positional relationship with the second rigid body based on the coordinate system fixed to the first rigid body, and the first motion position in relative motion The first movement position of the specific point based on the coordinate system fixed to the first rigid body from the two three-dimensional six-degree-of-freedom calculation results of the specific point obtained at the second movement position. A motion matrix calculation step for calculating a matrix representing a change in the movement position from the first movement position to the second movement position, and converting the movement matrix obtained by the calculation into a rotation movement matrix based on a rotational coordinate system of a rigid body, Rotational coordinate system including the rotation axis as the rotational motion characteristic value of the rigid body By calculating the unit vector, the rotation angle around the rotation axis, and the rotation center coordinates, tracking these rotational motion characteristic values quantitatively changes the relative rotational motion characterized by the functions of the two rigid bodies. It was possible to measure.
[0053]
Furthermore, in the jaw movement measuring method according to the present invention, the plurality of markers attached to the upper jaw of the subject and the lower jaw of the subject are reflective markers, so that measurement in a general room is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a use situation of a jaw movement measuring device according to an embodiment of the present invention
It is.
FIG. 2 is a detailed view of a head frame and a lower jaw marker tool in the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a layout diagram of an optical system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram of a computer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of measuring the position coordinates of a marker in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of definitions of specific points and unit vectors in the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an example of measurement results in the embodiment of the present invention, where (a) is for a healthy person and (b) is for a person with a “click” symptom.
FIG. 9 is a principle view of a conventional mandibular movement measuring device.
FIG. 10 is an example of a measurement result of a change in coordinates due to opening and closing of the jaw in the conventional example.
[Explanation of symbols]
1 subject, 2 lower jaw, 3 upper jaw, 4 facebow (L), 5 facebow (U), 6 LED, 7 coordinate system ΣL, 8 coordinate system ΣU, 9 Camera coordinate system Σ, 10 Coordinate system ΣH, 11 Marker, 12 Head frame, 13 Mandibular marker tool, 14 Measuring table, 15, 15a, 15b First reflecting mirror, 16, 16a, 16b Second reflecting mirror, 17 Video camera (three-dimensional measuring device), 18 Signal cable , 19 Computer, 20, 21 Frame body, 22 Band material, 23 Tightening part, 24 Mounting plate, 25 Mouthpiece, 26 Optical path, 31 Keyboard, 32 input part, 33 CMM interface, 34 Control part, 35 Memory Unit, 36 external storage device, 37 calculation unit, 38 display device, 39 output unit.
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