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JP7658538B2 - Position estimation device, automatic injection device, and program - Google Patents
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JP7658538B2 - Position estimation device, automatic injection device, and program - Google Patents

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Description

特許法第30条第2項適用 令和3年3月8日 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会 講演論文集にて発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act March 8, 2021 Information, Intelligence, and Precision Instruments Division (IIP Division) Lecture Presentation in the collection of lecture papers

本発明は、対象物の3次元位置を推定する位置推定装置、自動注射装置、位置推定方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a position estimation device, an automatic injection device, a position estimation method, and a program for estimating the three-dimensional position of an object.

異なる方向から対象物を撮影した、該対象物の第1及び第2画像を取得し、取得した第1及び第2画像に基づいて、対象物の3次元位置を算出する位置推定装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A position estimation device is known that acquires first and second images of an object by photographing the object from different directions, and calculates the three-dimensional position of the object based on the acquired first and second images (see, for example, Patent Document 1).

特許第6532042号公報Patent No. 6532042

しかしながら、上記位置推定装置においては、対象物を覆う表面の光学特性を考慮していないため、対象物の3次元位置の推定精度が低下していた。 However, the above position estimation device does not take into account the optical properties of the surface covering the object, resulting in reduced accuracy in estimating the three-dimensional position of the object.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、対象物の3次元位置をより高精度に算出できる位置推定装置、自動注射装置、位置推定方法、及びプログラムを提供することを主たる目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and its main objective is to provide a position estimation device, an automatic injection device, a position estimation method, and a program that can calculate the three-dimensional position of an object with higher accuracy.

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
異なる方向から対象物を撮影した、該対象物の第1及び第2画像を取得する第1及び第2画像取得手段と、
前記第1及び第2画像取得手段により取得された第1及び第2画像に基づいて、該第1及び第2画像における前記対象物の特徴形状を表す線の第1及び第2近似式を夫々算出する近似式算出手段と、
前記対象物の位置を算出する位置算出手段と、を備え、
前記位置算出手段は、
前記第1画像取得手段の位置と、前記近似式算出手段により算出された第1近似式の線と、を通る第1面を算出し、該第1面と前記対象物を覆う表面との第1交線を算出し、該第1交線を分割した各第1分割点と前記第1画像取得手段とを通る線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出し、
前記第2画像取得手段の位置と、前記近似式算出手段により算出された第2近似式の線と、を通る第2面を算出し、該第2面と前記対象物を覆う表面との第2交線を算出し、該第2交線を分割した各第2分割点と前記第2画像取得手段とを通る線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出し、
前記第1屈折線と前記第2屈折線とが交差する点を夫々算出し、該算出した各点に基づいて、前記対象物の3次元位置を算出する、
位置推定装置
である。
この一態様において、
前記近似式算出手段は、前記対象物の特徴形状を表す近似式として1次の直線式又は2次以上の曲線式を算出してもよい。
この一態様において、
前記第1及び第2画像取得手段は、赤外線カメラであってもよい。
この一態様において、
前記対象物は、血管であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
前記位置推定装置により算出された血管の3次元位置に基づいて、該血管に対し穿刺針を穿刺する、
ことを特徴する自動注射装置
であってもよい。
この一態様において、
前記穿刺針を移動させる移動手段と、
前記穿刺針にかかる力を検出する力検出手段と、
前記力検出手段により検出された穿刺針の力に基づいて、前記穿刺針が前記血管に到達したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記移動手段を制御する制御手段と、
を備えていてもよい。
この一態様において、
前記判定手段は、前記力検出手段により検出された穿刺針の力が2つ目のピークに達したときに、前記穿刺針が前記血管に到達したと判定してもよい。
この一態様において、
前記制御手段は、前記力検出手段により検出された穿刺針の力が閾値以上になると、前記穿刺針を前記血管から抜針するように前記移動手段を制御してもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
第1及び第2画像取得手段により異なる方向から対象物を撮影し、該対象物の第1及び第2画像を取得するステップと、
前記取得された第1及び第2画像に基づいて、該第1及び第2画像における前記対象物の特徴形状を表す線の第1及び第2近似式を夫々算出するステップと、
前記第1画像取得手段の位置と、前記算出された第1近似式の線と、を通る第1面を算出し、該第1面と前記対象物を覆う表面との第1交線を算出し、該第1交線を分割した各第1分割点と前記第1画像取得手段とを通る線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出するステップと、
前記第2画像取得手段の位置と、前記算出された第2近似式の線と、を通る第2面を算出し、該第2面と前記対象物を覆う表面との第2交線を算出し、該第2交線を分割した各第2分割点と前記第2画像取得手段とを通る線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出するステップと、
前記第1屈折線と前記第2屈折線とが交差する点を夫々算出し、該算出した各点に基づいて、前記対象物の3次元位置を算出するステップと、
を含む、位置推定方法
であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
第1及び第2画像取得手段により異なる方向から対象物を撮影し、該対象物の第1及び第2画像を取得する処理と、
前記取得された第1及び第2画像に基づいて、該第1及び第2画像における前記対象物の特徴形状を表す線の第1及び第2近似式を夫々算出する処理と、
前記第1画像取得手段の位置と、前記算出された第1近似式の線と、を通る第1面を算出し、該第1面と前記対象物を覆う表面との第1交線を算出し、該第1交線を分割した各第1分割点と前記第1画像取得手段とを通る線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出する処理と、
前記第2画像取得手段の位置と、前記算出された第2近似式の線と、を通る第2面を算出し、該第2面と前記対象物を覆う表面との第2交線を算出し、該第2交線を分割した各第2分割点と前記第2画像取得手段とを通る線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出する処理と、
前記第1屈折線と前記第2屈折線とが交差する点を夫々算出し、該算出した各点に基づいて、前記対象物の3次元位置を算出する処理と、
をコンピュータに実行させる、プログラム
であってもよい。
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to
a first image capturing means for capturing a first image and a second image capturing means for capturing a second image of an object from different directions;
an approximation equation calculation means for calculating first and second approximation equations of a line representing a characteristic shape of the object in the first and second images based on the first and second images acquired by the first and second image acquisition means, respectively;
a position calculation means for calculating a position of the object,
The position calculation means
a first surface passing through the position of the first image acquisition means and the line of the first approximation equation calculated by the approximation equation calculation means is calculated, a first intersection line between the first surface and a surface covering the object is calculated, and a first refracted line is calculated by refracting a line passing through each of the first division points obtained by dividing the first intersection line and the first image acquisition means at each of the first division points based on a refractive index within the surface,
a second surface passing through the position of the second image acquisition means and the line of the second approximation equation calculated by the approximation equation calculation means is calculated, a second intersection line between the second surface and a surface covering the object is calculated, and second refracted lines are calculated by refracting a line passing through each second division point obtained by dividing the second intersection line and the second image acquisition means at each second division point based on a refractive index within the surface,
calculating points at which the first refraction line and the second refraction line intersect, and calculating a three-dimensional position of the object based on the calculated points;
It is a position estimation device.
In this embodiment,
The approximation equation calculation means may calculate a linear linear equation or a curve equation of second or higher order as the approximation equation representing the characteristic shape of the object.
In this embodiment,
The first and second image acquisition means may be infrared cameras.
In this embodiment,
The object may be a blood vessel.
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to
a puncture needle is inserted into the blood vessel based on the three-dimensional position of the blood vessel calculated by the position estimation device;
The automatic injection device may be characterized in that
In this embodiment,
A moving means for moving the puncture needle;
a force detection means for detecting a force acting on the puncture needle;
a determination means for determining whether or not the puncture needle has reached the blood vessel based on the force of the puncture needle detected by the force detection means;
A control means for controlling the moving means based on a result of the determination by the determination means;
The device may include:
In this embodiment,
The determination means may determine that the puncture needle has reached the blood vessel when the force of the puncture needle detected by the force detection means reaches a second peak.
In this embodiment,
The control means may control the moving means to withdraw the puncture needle from the blood vessel when the force of the puncture needle detected by the force detection means reaches or exceeds a threshold value.
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to
photographing an object from different directions using first and second image acquisition means to acquire first and second images of the object;
calculating, based on the acquired first and second images, first and second approximation equations of a line representing a characteristic shape of the object in the first and second images, respectively;
a step of calculating a first surface passing through the position of the first image acquisition means and the calculated line of the first approximation equation, calculating a first intersection line between the first surface and a surface covering the object, and calculating first refracted lines obtained by refracting a line passing through each of first division points obtained by dividing the first intersection line and the first image acquisition means at each of the first division points based on a refractive index within the surface;
a step of calculating a second plane passing through the position of the second image acquisition means and the line of the calculated second approximation equation, calculating a second intersection line between the second plane and a surface covering the object, and calculating second refracted lines obtained by refracting a line passing through each second division point obtained by dividing the second intersection line and the second image acquisition means at each second division point based on a refractive index within the surface;
calculating points at which the first refraction line and the second refraction line intersect, and calculating a three-dimensional position of the object based on the calculated points;
The present invention may be a position estimation method including the steps of:
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to
A process of photographing an object from different directions using first and second image acquisition means to acquire first and second images of the object;
a process of calculating first and second approximation equations of a line representing a characteristic shape of the object in the first and second images, respectively, based on the acquired first and second images;
a process of calculating a first surface passing through the position of the first image acquisition means and the calculated line of the first approximation equation, calculating a first intersection line between the first surface and a surface covering the object, and calculating first refracted lines obtained by refracting a line passing through each of first division points obtained by dividing the first intersection line and the first image acquisition means at each of the first division points based on a refractive index within the surface;
a process of calculating a second surface passing through the position of the second image acquisition means and the line of the calculated second approximation equation, calculating a second intersection line between the second surface and a surface covering the object, and calculating second refracted lines obtained by refracting a line passing through each second division point obtained by dividing the second intersection line and the second image acquisition means at each second division point based on a refractive index within the surface;
A process of calculating points where the first refraction line and the second refraction line intersect, and calculating a three-dimensional position of the object based on each of the calculated points;
The above-mentioned program may be executed by a computer.

本発明によれば、対象物の3次元位置を高精度に算出できる位置推定装置、自動注射装置、位置推定方法、及びプログラムを提供することができる。 The present invention provides a position estimation device, an automatic injection device, a position estimation method, and a program that can calculate the three-dimensional position of an object with high accuracy.

本発明の実施形態1に係る位置推定装置の概略的構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a position estimation device according to a first embodiment of the present invention. 第1及び第2屈折線を算出するための具体的な手法を説明する図である。11A and 11B are diagrams illustrating a specific method for calculating the first and second refraction lines. 本実施形態1に係る位置推定方法のフローを示すフローチャートを示す図である。FIG. 2 is a flowchart showing the flow of a position estimation method according to the first embodiment. 実験による穿刺成功率を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an experimental puncture success rate. 従来の位置推定方法及び本実施形態1に係る位置推定方法による血管断面の推定位置を示す図である。1A and 1B are diagrams showing estimated positions of a blood vessel cross section according to a conventional position estimation method and the position estimation method according to the first embodiment; 本発明の実施形態2に係る自動注射装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing a schematic system configuration of an automatic injection device according to a second embodiment of the present invention. 移動部の概略的な構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a moving section.

実施形態1
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態1に係る位置推定装置は、例えば、医療現場などにおいて、人体の血管の3次元位置を高精度に推定できる。
EMBODIMENT 1
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A position estimation device according to a first embodiment of the present invention can estimate three-dimensional positions of blood vessels in a human body with high accuracy, for example, in a medical setting.

ところで、従来の位置推定装置においては、人体の皮膚の屈折率などの光学特性を考慮していない。このため、人体の血管の3次元位置を推定する際に、実際の血管深さよりも浅く推定されるなどの推定精度の低下が問題となっていた。 However, conventional position estimation devices do not take into account the optical properties of human skin, such as the refractive index. This has led to problems with reduced estimation accuracy when estimating the three-dimensional positions of blood vessels in the human body, such as blood vessels being estimated to be shallower than their actual depth.

これに対し、本実施形態1に係る位置推定装置1においては、後述の如く、人体の皮膚の光学特性を考慮して人体の血管の3次元位置を推定する。これにより、人体の血管の3次元位置を高精度に推定できる。 In contrast, in the position estimation device 1 according to the first embodiment, the three-dimensional positions of the blood vessels in the human body are estimated taking into account the optical characteristics of the skin of the human body, as described below. This allows the three-dimensional positions of the blood vessels in the human body to be estimated with high accuracy.

図1は、本実施形態1に係る位置推定装置の概略的構成を示すブロック図である。本実施形態1に係る位置推定装置1は、血管の画像を取得する第1及び第2カメラ2、3と、血管の近似式を算出する近似式算出部4と、血管の3次元位置を算出する位置算出部5と、を備えている。 Fig. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a position estimation device according to the first embodiment. The position estimation device 1 according to the first embodiment includes first and second cameras 2 and 3 for acquiring images of blood vessels, an approximate equation calculation unit 4 for calculating an approximate equation of the blood vessels, and a position calculation unit 5 for calculating the three-dimensional position of the blood vessels.

第1及び第2カメラ2、3は、第1及び第2画像取得手段の一具体例である。第1及び第2カメラ2、3は、それぞれ、異なる方向から血管を撮影し、血管のステレオ画像として第1及び第2画像を取得する。第1及び第2カメラ2、3は、赤外線カメラであるのが好ましい。これにより、例えば、皮膚下にある血管を透視して撮影することができる。第1及び第2カメラ2、3は、取得した第1及び第2画像を近似式算出部4に出力する。 The first and second cameras 2, 3 are specific examples of first and second image acquisition means. The first and second cameras 2, 3 each capture images of blood vessels from different directions and capture first and second images as stereo images of the blood vessels. The first and second cameras 2, 3 are preferably infrared cameras. This makes it possible to, for example, see through and capture images of blood vessels beneath the skin. The first and second cameras 2, 3 output the captured first and second images to the approximation equation calculation unit 4.

近似式算出部4は、近似式算出手段の一具体例である。近似式算出部4は、第1及び第2カメラ2、3により取得された血管の第1及び第2画像に基づいて、該血管の特徴形状を表す近似式を夫々算出する。 The approximate equation calculation unit 4 is a specific example of an approximate equation calculation means. The approximate equation calculation unit 4 calculates an approximate equation that represents the characteristic shape of the blood vessel based on the first and second images of the blood vessel acquired by the first and second cameras 2 and 3, respectively.

近似式算出部4は、第1及び第2カメラ2、3により取得された第1及び第2画像から血管部分を抽出する。例えば、近似式算出部4は、第1及び第2画像の中から、血管に特有の色特性を有する、明度および彩度が特定範囲内にある領域を血管部分として抽出する。 The approximate equation calculation unit 4 extracts blood vessel portions from the first and second images acquired by the first and second cameras 2 and 3. For example, the approximate equation calculation unit 4 extracts, from the first and second images, areas that have color characteristics specific to blood vessels and whose brightness and saturation are within specific ranges as blood vessel portions.

近似式算出部4は、抽出した血管部分の特徴形状を表す近似式として、例えば、1次の直線式を算出する。通常、採血や輸血が行われる腕などの血管(静脈)は、直線状に延びているため、血管の特徴形状を1次の直線式で表すことができる。これにより、血管の特徴形状を簡易に近似式で表現することができる。 The approximation equation calculation unit 4 calculates, for example, a linear equation as an approximation equation that represents the characteristic shape of the extracted blood vessel portion. Normally, blood vessels (veins) in the arm, where blood is collected or transfused, extend in a straight line, so the characteristic shape of the blood vessel can be represented by a linear equation. This makes it possible to easily represent the characteristic shape of the blood vessel by an approximation equation.

近似式算出部4は、第1カメラ2により取得された第1画像を2値化する。近似式算出部4は、例えば、血管が占めている部位を「1」、他の部位を「0」とした2値画像データを生成する。そして、近似式算出部4は、2値化した第1画像から血管部分を抽出する。近似式算出部4は、例えば、最小二乗法などを用いて、抽出した血管部分(「1」の領域)の中心を通る中心軸線の直線方程式を、第1近似式として算出する。 The approximation equation calculation unit 4 binarizes the first image captured by the first camera 2. The approximation equation calculation unit 4 generates binary image data, for example, in which the areas occupied by blood vessels are designated "1" and other areas are designated "0". The approximation equation calculation unit 4 then extracts the blood vessel portion from the binarized first image. The approximation equation calculation unit 4 calculates, as the first approximation equation, a linear equation of the central axis that passes through the center of the extracted blood vessel portion (area of "1"), for example, using the least squares method.

同様に、近似式算出部4は、例えば、第2カメラ3により取得された第2画像を2値化し、2値化した第2画像から血管部分を抽出する。近似式算出部4は、最小二乗法などを用いて、抽出した血管部分の中心を通る中心軸線の直線方程式を、第2近似式として算出する。 Similarly, the approximation equation calculation unit 4, for example, binarizes the second image acquired by the second camera 3 and extracts the blood vessel portion from the binarized second image. The approximation equation calculation unit 4 calculates, as the second approximation equation, a linear equation of the central axis passing through the center of the extracted blood vessel portion, using the least squares method or the like.

このようにして、対象物である血管の特徴形状を示す近似式を、複雑な処理を用いることなく容易に算出できる。近似式算出部4は、算出した第1及び第2近似式を位置算出部5に出力する。 In this way, an approximation formula that indicates the characteristic shape of the blood vessel, which is the target object, can be easily calculated without using complicated processing. The approximation formula calculation unit 4 outputs the calculated first and second approximation formulas to the position calculation unit 5.

位置算出部5は、位置算出手段の一具体例である。位置算出部5は、近似式算出部4により算出された血管の第1及び第2近似式に基づき、皮膚表面(例えば、皮膚モデル表面)内の屈折率を考慮して、血管の3次元位置を高精度に算出する。 The position calculation unit 5 is a specific example of a position calculation means. The position calculation unit 5 calculates the three-dimensional position of the blood vessel with high accuracy based on the first and second approximate equations of the blood vessel calculated by the approximate equation calculation unit 4, taking into account the refractive index within the skin surface (e.g., the skin model surface).

位置算出部5は、第1カメラ2の焦点位置と、近似式算出部4により算出された第1近似式の線と、を通る第1面の式を算出する。位置算出部5は、算出した第1面と皮膚モデル表面を表す平面との第1交線を算出する。この第1交線は、第1カメラ2から見た血管像とする。皮膚モデル表面は、対象物を覆う表面の一具体例である。 The position calculation unit 5 calculates an equation of a first surface that passes through the focal position of the first camera 2 and the line of the first approximation equation calculated by the approximation equation calculation unit 4. The position calculation unit 5 calculates a first intersection line between the calculated first surface and a plane representing the skin model surface. This first intersection line is the blood vessel image as seen from the first camera 2. The skin model surface is a specific example of a surface covering an object.

ここで、上述の如く、皮膚表面で光が屈折するが、皮膚表面内の屈折光の光路は同一平面内に存在しない。このため、本実施形態1においては、上記算出した第1交線を細かく分割し、1点ずつ入射光から屈折角を求め、第1カメラ2からの視線を異なる角度で回転させる。このように、カメラの視線方向による屈折角の違いを考慮して、血管の3次元位置を高精度に推定する。 As described above, light refracts at the skin surface, but the optical path of the refracted light within the skin surface does not lie on the same plane. For this reason, in this embodiment 1, the first intersection line calculated above is finely divided, and the refraction angle is obtained from the incident light point by point, and the line of sight from the first camera 2 is rotated by different angles. In this way, the three-dimensional position of the blood vessels is estimated with high accuracy, taking into account the difference in refraction angle depending on the line of sight direction of the camera.

具体的には、位置算出部5は、第1交線を所定間隔で分割した各点(以下、第1分割点)と、第1カメラ2の焦点位置とを通る線を、皮膚モデル表面内の屈折率に基づいて、各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出する。 Specifically, the position calculation unit 5 calculates first refraction lines by refracting a line passing through each point (hereinafter, first division points) obtained by dividing the first intersection line at a predetermined interval and the focal position of the first camera 2 at each first division point based on the refractive index within the skin model surface.

例えば、以下のようにして、第1屈折線を算出することができる。図2は、第1及び第2屈折線を算出するための具体的な手法を説明する図である。 For example, the first refraction line can be calculated as follows. Figure 2 is a diagram explaining a specific method for calculating the first and second refraction lines.

第1分割点p1,nから、第1カメラ2の焦点位置Cまで向かう単位ベクトルを入射光V1,nとする。nは分割数とする。なお、分割数は、例えば、100となっているが、これに限定されず、任意の数が設定されてもよい。分割数を増加させると推定精度が向上するが、計算量も増加する。したがって、分割数には、両者を考慮して実験的に求めた最適値が設定されるのが好ましい。また、分割点間は等間隔となっているが、不等間隔であってもよい。 The unit vector from the first division point p1 ,n to the focal position C1 of the first camera 2 is defined as the incident light V1 ,n . n is the division number. The division number is, for example, 100, but is not limited to this and may be set to any number. Increasing the division number improves the estimation accuracy, but also increases the amount of calculation. Therefore, it is preferable to set the division number to an optimal value experimentally obtained by taking both into consideration. Furthermore, the division points are equally spaced, but may be unequal.

入射光V1,nと、皮膚モデル表面を表す平面Lの単位法線ベクトルNと、の内積を求めることで、第1カメラ2の焦点位置Cから第1分割点p1,nに対する入射角θ1,nを得ることができる。そして,スネルの法則から屈折角φ1,nを導出する。入射角θ1,nと屈折角φ1,nは、以下の式により算出される。
θ1,n=cos-1(N・V1,n
φ1,n=sin-1{(nair/nskin)sinθ1,n
By calculating the inner product of the incident light V1 ,n and the unit normal vector Ns of the plane Ls representing the skin model surface, the incident angle θ1, n from the focal position C1 of the first camera 2 to the first division point p1, n can be obtained. Then, the refraction angle φ1 ,n is derived from Snell's law. The incident angle θ1 ,n and the refraction angle φ1 ,n are calculated by the following formulas.
θ 1,n = cos −1 (N s・V 1,n )
φ 1,n =sin −1 {(n air /n skin )sinθ 1,n }

例えば、皮膚モデル表面内の屈折率をnskin=1.56、空気中の屈折率をnair=1.00とする。また、入射光を屈折させる回転軸ω1,nは,入射光V1,nと法線ベクトルNの外積をとることで得られる。入射光V1,nの回転角γ1,nは以下の式から算出される。
ω1,n=V1,n×N
γ1,n=θ1,n-φ1,n
For example, the refractive index in the skin model surface is n skin =1.56, and the refractive index in air is n air =1.00. The rotation axis ω 1,n that refracts the incident light is obtained by taking the cross product of the incident light V 1,n and the normal vector N s . The rotation angle γ 1,n of the incident light V 1,n is calculated from the following formula.
ω 1,n =V 1,n ×N s
γ 1,n = θ 1,n −φ 1,n

入射光V1,nを回転軸ω1,n回りに回転角γ1,nだけ回転させると、屈折後のベクトルv1,nは以下から算出される。
1,n=R1,n ω1,nγ1,n(-V1,n
When the incident light V 1,n is rotated around the rotation axis ω 1,n by a rotation angle γ 1,n , the vector v 1,n after refraction is calculated as follows:
v 1,n =R 1,n ω1,nγ1,n (-V 1,n )

i,n ω1,nγ1,nは、ロドリゲスの回転行列である。血管像上の点からv1,n方向へのベクトルを屈折光とすると、その光路を表す第1屈折線の式は以下のようになる。
1,n=p1,n+tv1,n
tは、任意の実数とする。
R i,n ω1,nγ1,n is the Rodrigues rotation matrix. If a vector from a point on the blood vessel image in the v 1,n direction is a refracted light, the equation of the first refracted line representing the optical path is as follows:
L 1,n =p 1,n +tv 1,n
Let t be any real number.

位置算出部5は、上述の第1屈折線と同様に、第2屈折線を算出する。位置算出部5は、第2交線を所定間隔で分割した各第2分割点と、第2カメラ3の焦点位置Cとを通る線を、皮膚モデル表面内の屈折率に基づいて、各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出する。 The position calculation unit 5 calculates the second refraction line in the same manner as the first refraction line described above. The position calculation unit 5 calculates second refraction lines by refracting a line passing through each of the second division points obtained by dividing the second intersection line at a predetermined interval and the focal position C2 of the second camera 3 at each of the second division points based on the refractive index within the skin model surface.

具体的には、次のようにして第2屈折線は算出される。
第2分割点p2,nから、第2カメラ3の焦点位置Cまで向かう単位ベクトルを入射光V2,nとする。入射光V2,nと、皮膚モデル表面を表す平面Lの単位法線ベクトルNと、の内積を求めることで、第2カメラ3の焦点位置Cから第2分割点p2,nに対する入射角θ2,nを得ることができる。そして,スネルの法則から屈折角φ2,nを導出する。入射角θ2,nと屈折角φ2,nは、以下の式により算出される。
θ2,n=cos-1(N・V2,n
φ2,n=sin-1{(nair/nskin)sinθ2,n
Specifically, the second refraction line is calculated as follows.
The unit vector from the second division point p2 ,n to the focal position C2 of the second camera 3 is defined as the incident light V2 ,n . The incident angle θ2,n from the focal position C2 of the second camera 3 to the second division point p2 , n can be obtained by calculating the inner product of the incident light V2 ,n and the unit normal vector Ns of the plane Ls representing the skin model surface. Then, the refraction angle φ2 , n is derived from Snell's law. The incident angle θ2 ,n and the refraction angle φ2 ,n are calculated by the following formulas.
θ 2,n = cos −1 (N s・V 2,n )
φ 2,n =sin −1 {(n air /n skin )sinθ 2,n }

入射光を屈折させる回転軸ω2,nは,入射光V2,nと法線ベクトルNの外積をとることで得られる。入射光V2,nの回転角γ2,nは以下の式から算出される。
ω2,n=V2,n×N
γ2,n=θ2,n-φ2,n
The rotation axis ω2 ,n for refracting the incident light is obtained by taking the cross product of the incident light V2 ,n and the normal vector Ns . The rotation angle γ2 ,n of the incident light V2,n is calculated by the following formula:
ω 2,n =V 2,n ×N s
γ 2,n = θ 2,n −φ 2,n

入射光V2,nを回転軸ω2,n回りに回転角γ2,nだけ回転させると、屈折後のベクトルv2,nは以下から算出される。
2,n=R2,n ω2,nγ2,n(-V2,n
When the incident light V 2,n is rotated around the rotation axis ω 2,n by a rotation angle γ 2,n , the vector v 2,n after refraction is calculated as follows:
v 2,n =R 2,n ω2,nγ2,n (-V 2,n )

血管像上の点からv2,n方向へのベクトルを屈折光とすると、光路を表す第2屈折線の式は以下のようになる。
2,n=p2,n+tv2,n
If a vector from a point on the blood vessel image in the v2 ,n direction is taken as refracted light, the equation of the second refracted line representing the optical path is given as follows:
L 2,n =p 2,n +tv 2,n

位置算出部5は、上記算出した第1屈折線と、第2屈折線とが交差する点を夫々算出する。位置算出部5は、n個の分割点に関して、第1屈折線L1,n=p1,n+tv1,nと、第2屈折線L2,n=p2,n+tv2,nと、が交差する点を夫々、算出する。 The position calculation unit 5 calculates the points where the first refraction line and the second refraction line intersect with each other. The position calculation unit 5 calculates the points where the first refraction line L1 ,n = p1 ,n + tv1 ,n and the second refraction line L2 ,n = p2,n + tv2 ,n intersect with each other for the n division points.

より具体的には、第1屈折線L1,n=p1,n+tv1,nと、第2屈折線L2,n=p2,n+tv2,nと、の距離が最短となるような第1及び第2屈折線上の点をそれぞれt1、n、t2、nとする。位置算出部5は、以下の式を用いて、この点t1、n、t2、nを算出する。

Figure 0007658538000001
More specifically, the points on the first and second refraction lines where the distance between the first refraction line L1 ,n = p1 ,n + tv1,n and the second refraction line L2 ,n = p2 ,n + tv2 ,n are shortest are defined as t1 ,n and t2 ,n , respectively. The position calculation unit 5 calculates these points t1 ,n and t2 ,n using the following equations.
Figure 0007658538000001

位置算出部5は、上記最短となる点t1、n、t2、nの中点を夫々算出する。位置算出部5は、上記算出した中点群に基づいて、血管の位置を3次元直線式として算出する。位置算出部5は、上記算出した中点群に対して、例えば、主成分分析を行うことで、血管の位置を3次元直線式として算出する。 The position calculation unit 5 calculates the midpoints of the shortest points t1 , n , t2 , and n . The position calculation unit 5 calculates the position of the blood vessel as a three-dimensional linear equation based on the calculated midpoint group. The position calculation unit 5 calculates the position of the blood vessel as a three-dimensional linear equation by performing, for example, principal component analysis on the calculated midpoint group.

図3は、本実施形態1に係る位置推定方法のフローを示すフローチャートを示す図である。 Figure 3 is a flowchart showing the flow of the position estimation method according to the first embodiment.

第1及び第2カメラ2、3は、それぞれ、異なる方向から血管を撮影し、血管の第1及び第2画像を取得し、取得した第1及び第2画像を近似式算出部4に出力する(ステップS101)。 The first and second cameras 2, 3 each capture an image of the blood vessel from a different direction, acquire a first and second image of the blood vessel, and output the acquired first and second images to the approximation equation calculation unit 4 (step S101).

近似式算出部4は、第1及び第2カメラ2、3から出力された血管の第1及び第2画像に基づいて、血管の特徴形状を表す第1及び第2近似式を夫々算出し、算出した第1及び第2近似式を位置算出部5に出力する(ステップS102)。 The approximation formula calculation unit 4 calculates first and second approximation formulas representing the characteristic shape of the blood vessel based on the first and second images of the blood vessel output from the first and second cameras 2 and 3, respectively, and outputs the calculated first and second approximation formulas to the position calculation unit 5 (step S102).

位置算出部5は、第1カメラ2の焦点位置と、近似式算出部により算出された第1近似式の線と、を通る第1面の式を算出する(ステップS103)。位置算出部5は、算出した第1面と皮膚モデル表面を表す平面との第1交線を算出する(ステップS104)。 The position calculation unit 5 calculates an equation of a first surface that passes through the focal position of the first camera 2 and the line of the first approximation equation calculated by the approximation equation calculation unit (step S103). The position calculation unit 5 calculates a first intersection line between the calculated first surface and a plane representing the skin model surface (step S104).

位置算出部5は、第1交線を所定間隔で分割した各第1分割点と、第1カメラ2の焦点位置とを通る線を、皮膚モデル表面内の屈折率に基づいて、各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出する(ステップS105)。 The position calculation unit 5 calculates first refraction lines obtained by refracting a line passing through each of the first division points obtained by dividing the first intersection line at a predetermined interval and the focal position of the first camera 2 at each of the first division points based on the refractive index within the skin model surface (step S105).

位置算出部5は、第2カメラ3の焦点位置と、近似式算出部4により算出された第2近似式の線と、を通る第2面の式を算出する(ステップS106)。位置算出部5は、算出した第2面と皮膚モデル表面を表す平面との第2交線を算出する(ステップS107)。 The position calculation unit 5 calculates the equation of a second surface that passes through the focal position of the second camera 3 and the line of the second approximation equation calculated by the approximation equation calculation unit 4 (step S106). The position calculation unit 5 calculates a second intersection line between the calculated second surface and a plane representing the skin model surface (step S107).

位置算出部5は、第2交線を所定間隔で分割した各第2分割点と、第2カメラ3の焦点位置とを通る線を、皮膚モデル表面内の屈折率に基づいて、各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出する(ステップS108)。 The position calculation unit 5 calculates second refraction lines obtained by refracting a line passing through each of the second division points obtained by dividing the second intersection line at a predetermined interval and the focal position of the second camera 3 at each of the second division points based on the refractive index within the skin model surface (step S108).

位置算出部5は、上記算出した第1屈折線と第2屈折線とが交差する点を夫々算出する(ステップS109)。位置算出部5は、上記算出した点群に基づいて、血管の位置を3次元直線式として算出する(ステップS110)。 The position calculation unit 5 calculates the points where the first and second refraction lines calculated above intersect (step S109). The position calculation unit 5 calculates the position of the blood vessel as a three-dimensional linear equation based on the calculated point group (step S110).

続いて、本実施形態1に係る位置推定方法による推定精度を以下の実験により確認している。本実験において、位置推定方法により推定された血管の3次元位置に基づいて、ロボットアームによりその血管に対し自動穿刺を行う。コンピュータがコントローラに対して、手先Tの座標値(X、Y、Z)と、姿勢角(α、β、γ)を送信することで、コントローラは、多関節型のロボットアームをその位置に制御する。 The estimation accuracy of the position estimation method according to this embodiment 1 is then confirmed by the following experiment. In this experiment, the robot arm automatically punctures the blood vessel based on the three-dimensional position of the blood vessel estimated by the position estimation method. The computer transmits the coordinate values (X, Y, Z) and posture angles (α, β, γ) of the hand T to the controller, and the controller controls the multi-jointed robot arm to that position.

2台の赤外線カメラで同時に撮影した画像に基づいて、本実施形態1に係る位置推定方法及び従来の位置推定方法を用いて、血管の3次元位置を夫々推定する。なお、従来の位置推定方法では、上記のような皮膚表面での屈折を考慮せずに3次元位置を推定している。 Based on images captured simultaneously by two infrared cameras, the three-dimensional positions of blood vessels are estimated using the position estimation method according to the first embodiment and a conventional position estimation method. Note that the conventional position estimation method estimates the three-dimensional positions without taking into account the refraction at the skin surface as described above.

皮膚モデルは、アクリルボードで作成したケース内に模擬血管として外径4mm、内径3mmのシリコンチューブを通した後、超軟質ウレタン造形用樹脂(人肌のゲル硬度0、エクシール)を充填して作成した。チューブ内には模擬血液として墨汁を入れ、皮膚モデル表面には皮膚平面を定義するために3つのマーカを貼り付けた。 The skin model was created by passing a silicone tube with an outer diameter of 4 mm and an inner diameter of 3 mm as a simulated blood vessel through a case made of acrylic board, and then filling it with ultra-soft urethane modeling resin (human skin gel hardness 0, Exseal). India ink was placed inside the tube as a simulated blood sample, and three markers were attached to the surface of the skin model to define the skin plane.

皮膚モデルの設置領域は、カメラから近距離と遠距離の2種類である。また、それぞれの領域で皮膚モデルを水平にした場合と、血管軸を中心に±10°傾けた場合と、の条件で血管位置の推定を行い、自動穿刺動作を行う。皮膚モデルをそれぞれの条件で5回、サンプル毎に異なる位置、および角度で設置して穿刺成否を比較した。穿刺の成否は穿刺動作の後にシリンジを引き、逆血が確認できたものを成功とした。 The skin model was placed in two areas, close and far from the camera. In each area, the blood vessel position was estimated when the skin model was horizontal and when it was tilted ±10° around the blood vessel axis, and the automatic puncture operation was performed. The skin model was placed five times under each condition, at different positions and angles for each sample, and the success or failure of the puncture was compared. The syringe was pulled after the puncture operation, and if backflow of blood was confirmed, it was considered a success.

図4は、上記実験による穿刺成功率を示す図である。図4に示す如く、従来の位置推定方法では、全距離(近距離及び遠距離)の穿刺成功率が33%であったが、本実施形態1に係る位置推定方法では、全距離の穿刺成功率が76%になり大幅に改善されていることが分かる。特に、本実施形態に係る位置推定方法では、従来の位置推定方法が苦手としている皮膚平面を傾けた姿勢(±10°)でも推定精度を維持し、穿刺成功率が向上している。 Figure 4 shows the puncture success rate from the above experiment. As shown in Figure 4, with the conventional position estimation method, the puncture success rate for all distances (short and long distances) was 33%, but with the position estimation method according to this embodiment 1, the puncture success rate for all distances is 76%, which is a significant improvement. In particular, with the position estimation method according to this embodiment, estimation accuracy is maintained even in a position where the skin plane is tilted (±10°), which is a weakness of the conventional position estimation method, and the puncture success rate is improved.

また、従来の位置推定方法は、実際の血管位置より浅く推定されたため模擬血管到達前に停止し穿刺に失敗している。これに対し、本実施形態1に係る位置推定方法では血管内まで到達し穿刺に成功している。このような結果は、カメラから遠距離領域に穿刺目標がある場合に多く見られた。 Furthermore, with the conventional position estimation method, the position was estimated to be shallower than the actual blood vessel position, and the needle stopped before reaching the simulated blood vessel, resulting in a failed puncture. In contrast, with the position estimation method according to the first embodiment, the needle reached the inside of the blood vessel and was successful in puncturing. This type of result was often seen when the puncture target was located far away from the camera.

図5は、従来の位置推定方法及び本実施形態1に係る位置推定方法による血管断面の推定位置を示す図である。図5に示す如く、従来の位置推定方法に比べて本実施形態1に係る位置推定方法の方がより真の血管位置と近い場所を推定していることがわかる。 Figure 5 is a diagram showing the estimated positions of blood vessel cross sections using a conventional position estimation method and the position estimation method according to this embodiment 1. As shown in Figure 5, it can be seen that the position estimation method according to this embodiment 1 estimates a location closer to the true blood vessel position than the conventional position estimation method.

以上、本実施形態1に係る位置推定装置1は、第1カメラ2の位置と、近似式算出部4により算出された第1近似式の線と、を通る第1面を算出し、第1面と血管を覆う皮膚表面との第1交線を算出し、第1交線を所定間隔で分割した各第1分割点と第1カメラ2とを通る線を、皮膚表面内の屈折率に基づいて各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出し、第2カメラ3の位置と、近似式算出部4により算出された第2近似式の線と、を通る第2面を算出し、第2面と血管を覆う皮膚表面との第2交線を算出し、第2交線を所定間隔で分割した各第2分割点と第2カメラ3とを通る線を、皮膚表面内の屈折率に基づいて各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出し、第1屈折線と第2屈折線とが交差する点を夫々算出し、算出した各点に基づいて、血管の3次元位置を算出する。 As described above, the position estimation device 1 according to the first embodiment calculates a first plane passing through the position of the first camera 2 and the line of the first approximation formula calculated by the approximation formula calculation unit 4, calculates a first intersection line between the first plane and the skin surface covering the blood vessel, calculates a first refraction line by refracting a line passing through each of the first division points obtained by dividing the first intersection line at a predetermined interval and the first camera 2 at each of the first division points based on the refractive index in the skin surface, calculates a second plane passing through the position of the second camera 3 and the line of the second approximation formula calculated by the approximation formula calculation unit 4, calculates a second intersection line between the second plane and the skin surface covering the blood vessel, calculates a second refraction line by refracting a line passing through each of the second division points obtained by dividing the second intersection line at a predetermined interval and the second camera 3 at each of the second division points based on the refractive index in the skin surface, calculates the points at which the first refraction line and the second refraction line intersect, and calculates the three-dimensional position of the blood vessel based on each calculated point.

これにより、血管を覆う皮膚表面内の屈折率を考慮して、血管の3次元位置を高精度に算出することができる。また、第1及び第2交線を分割し、第1及び第2分割点毎に入射光から屈折角を求め、第1及び第2カメラ2、3からの視線を異なる角度で回転させる。これにより、カメラの視線方向による屈折角の違いを考慮して、血管の3次元位置をより高精度に推定することができる。 This allows the three-dimensional position of the blood vessel to be calculated with high accuracy, taking into account the refractive index within the skin surface that covers the blood vessel. In addition, the first and second intersection lines are divided, the refraction angle is obtained from the incident light for each of the first and second division points, and the lines of sight from the first and second cameras 2, 3 are rotated by different angles. This allows the three-dimensional position of the blood vessel to be estimated with high accuracy, taking into account the difference in refraction angle depending on the line of sight direction of the camera.

なお、上記実施形態1において、対象物として、医療現場などにおける人の血管が適用されているが、これに限定されず、任意の物体が適用されてもよい。これにより、血管の場合と同様に、簡易な手法で、任意の物体の3次元位置を高精度に算出できる。 In the above embodiment 1, the target object is a human blood vessel in a medical setting, but the target object is not limited to this and any object may be used. As a result, the three-dimensional position of any object can be calculated with high accuracy using a simple method, just like in the case of blood vessels.

例えば、対象物が物体(ガラス、液体など)の表面で覆われていて、その表面で光が屈折するような場合に、本実施形態1に係る位置推定装置1により、その対象物の3次元位置を高精度に推定できる。特に、本実施形態1に係る位置推定装置1によれば、その表面が平面である場合だけなく、その表面に凹凸がある場合でも、その対象物の3次元位置を高精度に推定できる。 For example, when an object is covered with a surface (glass, liquid, etc.) and light is refracted on the surface, the position estimation device 1 according to the first embodiment can estimate the three-dimensional position of the object with high accuracy. In particular, the position estimation device 1 according to the first embodiment can estimate the three-dimensional position of the object with high accuracy not only when the surface is flat, but also when the surface is uneven.

上記実施形態1において、近似式算出部4は、第1及び第2近似式として1次の直線式を算出しているが、これに限定されない。近似式算出部4は、第1及び第2近似式として、例えば、2次元曲線や3次元曲線などの曲線式を算出してもよい。 In the above-mentioned first embodiment, the approximation formula calculation unit 4 calculates linear equations as the first and second approximation formulas, but is not limited to this. The approximation formula calculation unit 4 may calculate curved equations such as two-dimensional curves or three-dimensional curves as the first and second approximation formulas.

この場合、位置算出部5は、第1カメラ2の位置と、近似式算出部4により算出された第1画像上の第1曲線(第1近似式)と、を含む第1曲面の第1曲面方程式を算出する。 In this case, the position calculation unit 5 calculates a first surface equation of the first surface that includes the position of the first camera 2 and the first curve (first approximate equation) on the first image calculated by the approximate equation calculation unit 4.

位置算出部5は、算出した第1曲面と皮膚モデル表面を表す平面との第1交線を算出する。位置算出部5は、第1交線を所定間隔で分割した各第1分割点と、第1カメラ2の焦点位置とを通る線を、皮膚モデル表面内の屈折率に基づいて、各第1分割点で屈折させた第1屈折線を夫々算出する。 The position calculation unit 5 calculates a first intersection line between the calculated first curved surface and a plane representing the skin model surface. The position calculation unit 5 calculates first refraction lines obtained by refracting a line passing through each of the first division points obtained by dividing the first intersection line at a predetermined interval and the focal position of the first camera 2 at each of the first division points based on the refractive index within the skin model surface.

同様に、位置算出部5は、第2カメラ3の位置と、近似式算出部4により算出された第2画像上の第2曲線(第2近似式)と、を含む第2曲面の第2曲面方程式を算出する。 Similarly, the position calculation unit 5 calculates a second surface equation of the second surface including the position of the second camera 3 and the second curve (second approximate equation) on the second image calculated by the approximate equation calculation unit 4.

位置算出部5は、算出した第2曲面と皮膚モデル表面を表す平面との第2交線を算出する。位置算出部5は、第2交線を所定間隔で分割した各第2分割点と、第2カメラ3の焦点位置とを通る線を、皮膚モデル表面内の屈折率に基づいて、各第2分割点で屈折させた第2屈折線を夫々算出する。 The position calculation unit 5 calculates a second intersection line between the calculated second curved surface and a plane representing the skin model surface. The position calculation unit 5 calculates second refraction lines obtained by refracting a line passing through each of the second division points obtained by dividing the second intersection line at a predetermined interval and the focal position of the second camera 3 at each of the second division points based on the refractive index within the skin model surface.

位置算出部5は、上記算出した第1屈折線と、第2屈折線とが交差する点を夫々算出する。位置算出部5は、上記算出した点群に基づいて、血管の3次元位置を算出する。 The position calculation unit 5 calculates the points where the first refraction line and the second refraction line calculated above intersect. The position calculation unit 5 calculates the three-dimensional position of the blood vessel based on the calculated point group.

実施形態2
本発明の実施形態2に係る自動注射装置は、例えば、医療現場などにおいて、自動的に、人の血管に対し穿刺針を穿刺し、採血や輸血などを行う。本実施形態2に係る自動注射装置によれば、医療現場において行われる採血や輸血などを自動化し、医療従事者の2次感染の予防、病院での待ち時間の解消、穿刺ミス等の採血や輸血などに伴う問題を解決することができる。
EMBODIMENT 2
The automatic injection device according to the second embodiment of the present invention automatically punctures a puncture needle into a person's blood vessel in, for example, a medical facility, etc., to collect blood, perform blood transfusion, etc. The automatic injection device according to the second embodiment automates blood collection, transfusion, etc., performed in a medical facility, thereby preventing secondary infection among medical staff, eliminating waiting times in hospitals, and resolving problems associated with blood collection, transfusion, etc., such as puncture errors.

図6は、本実施形態2に係る自動注射装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 Figure 6 is a block diagram showing the general system configuration of the automatic injection device according to the second embodiment.

本実施形態2に係る自動注射装置10は、上記実施形態1に係る位置推定装置1により算出された血管の3次元位置に基づいて、該血管に対し穿刺針を穿刺する。血管は、例えば、人の前腕肘窩部における、表在性の静脈血管などである。 The automatic injection device 10 according to the second embodiment inserts a puncture needle into a blood vessel based on the three-dimensional position of the blood vessel calculated by the position estimation device 1 according to the first embodiment. The blood vessel is, for example, a superficial venous vessel in the antecubital fossa of a person's forearm.

自動注射装置10は、位置推定装置1と、穿刺針を移動させる移動部11と、穿刺針にかかる力を検出する力検出部12と、穿刺針が血管に到達したか否かを判定する判定部13と、移動部11を制御する制御部14と、を備えている。 The automatic injection device 10 includes a position estimation device 1, a movement unit 11 that moves the puncture needle, a force detection unit 12 that detects the force applied to the puncture needle, a determination unit 13 that determines whether the puncture needle has reached a blood vessel, and a control unit 14 that controls the movement unit 11.

位置推定装置1は、上述の如く、血管の3次元位置を算出し、該算出した血管の3次元位置を制御部14に出力する。位置推定装置1は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)などのプロセッサ1aと、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)などの内部メモリ1bと、HDD(Hard Disk Drive)やSDD(Solid State Drive)などのストレージデバイス1cと、ディスプレイなどの周辺機器を接続するための入出力I/F1dと、装置外部の機器と通信を行う通信I/F1eと、を備えた通常のコンピュータのハードウェア構成を有する。
なお、位置推定装置1、判定部13、及び制御部14は、一体的に構成されていてもよい。
As described above, the position estimation device 1 calculates the three-dimensional position of the blood vessel, and outputs the calculated three-dimensional position of the blood vessel to the control unit 14. The position estimation device 1 has a hardware configuration of a normal computer including, for example, a processor 1a such as a CPU (Central Processing Unit) or a GPU (Graphics Processing Unit), an internal memory 1b such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory), a storage device 1c such as a HDD (Hard Disk Drive) or an SDD (Solid State Drive), an input/output I/F 1d for connecting peripheral devices such as a display, and a communication I/F 1e for communicating with devices outside the device.
The position estimation device 1, the determination unit 13, and the control unit 14 may be integrally configured.

移動部11は、移動手段の一具体例である。移動部11は、例えば、図7に示す如く、穿刺針を任意の位置に移動させることができるマニピュレータとして構成されている。移動部11は、アーム部111と、アーム部111の先端に連結されたスライド機構112と、スライド機構112を駆動する直動アクチュエータ113と、を有している。アーム部111は、複数の関節部114及びリンク115で構成された多関節型アームである。各関節部114には、各関節部114を回転駆動するサーボモータ、各関節部114の回転情報を検出する回転センサなどが設けられている。 The moving unit 11 is a specific example of a moving means. For example, as shown in FIG. 7, the moving unit 11 is configured as a manipulator that can move the puncture needle to any position. The moving unit 11 has an arm unit 111, a slide mechanism 112 connected to the tip of the arm unit 111, and a linear actuator 113 that drives the slide mechanism 112. The arm unit 111 is a multi-joint arm composed of multiple joints 114 and links 115. Each joint 114 is provided with a servo motor that rotates each joint 114, a rotation sensor that detects rotation information of each joint 114, and the like.

スライド機構112には、穿刺針を有するシリンジ116が連結されている。直動アクチュエータ113は、スライド機構112を駆動することで、直線的に、シリンジ116の穿刺針を血管に接近させ、あるいは離間されることができる。 A syringe 116 having a puncture needle is connected to the slide mechanism 112. The linear actuator 113 drives the slide mechanism 112 to linearly move the puncture needle of the syringe 116 closer to or further away from the blood vessel.

力検出部12は、力検出手段の一具体例である。力検出部12は、例えば、6軸力覚センサなどで構成されている。力検出部12は、例えば、スライド機構112に設けられている。力検出部12は、スライド機構112がシリンジ116を血管に接近させ穿刺針を血管に穿刺したときの、穿刺針にかかる力を検出することができる。 The force detection unit 12 is a specific example of a force detection means. The force detection unit 12 is composed of, for example, a six-axis force sensor. The force detection unit 12 is provided, for example, in the slide mechanism 112. The force detection unit 12 can detect the force acting on the puncture needle when the slide mechanism 112 brings the syringe 116 close to the blood vessel and punctures the puncture needle into the blood vessel.

判定部13は、判定手段の一具体例である。判定部13は、力検出部12により検出された穿刺針の力に基づいて、穿刺針が血管に到達(貫通)したか否かを判定する。判定部13は、例えば、力検出部12により検出された穿刺針の力が2つ目のピークに達したときに、穿刺針が血管に到達したと判定する。これは、1つ目のピークは、穿刺針が皮膚を貫通したことを示し、2つ目のピークは、穿刺針が血管壁を貫通したこと示すからである。このように、簡易かつ正確に穿刺針の血管への到達を判定できる。 The determination unit 13 is a specific example of a determination means. The determination unit 13 determines whether or not the puncture needle has reached (penetrated) a blood vessel based on the force of the puncture needle detected by the force detection unit 12. The determination unit 13 determines that the puncture needle has reached a blood vessel when the force of the puncture needle detected by the force detection unit 12 reaches a second peak, for example. This is because the first peak indicates that the puncture needle has penetrated the skin, and the second peak indicates that the puncture needle has penetrated the blood vessel wall. In this way, it is possible to easily and accurately determine whether the puncture needle has reached a blood vessel.

制御部14は、制御手段の一具体例である。制御部14は、アーム部111及び直動アクチュエータ113に対して、制御信号を送信することで、例えば、フィードバック制御やロバスト制御を行う。これにより、制御部14は、血管に対しシリンジ116の穿刺針を接近させ、あるいは離間させるなど、シリンジ116の穿刺針を任意の位置に移動させることができる。 The control unit 14 is a specific example of a control means. The control unit 14 performs, for example, feedback control or robust control by sending control signals to the arm unit 111 and the linear actuator 113. This allows the control unit 14 to move the puncture needle of the syringe 116 to any position, such as moving the puncture needle of the syringe 116 closer to or farther away from the blood vessel.

制御部14は、位置推定装置1から出力される血管の3次元位置に基づいて、アーム部111及び直動アクチュエータ113を制御して、シリンジ116の穿刺針を血管に対して穿刺する。 The control unit 14 controls the arm unit 111 and the linear actuator 113 based on the three-dimensional position of the blood vessel output from the position estimation device 1 to insert the puncture needle of the syringe 116 into the blood vessel.

例えば、制御部14は、位置推定装置1から出力される血管の3次元位置に基づいて、アーム部111を制御して、シリンジ116を血管から所定距離まで接近させる。続いて、制御部14は、直動アクチュエータ113を制御して、シリンジ116の穿刺針を直線移動させ、血管に穿刺する。 For example, the control unit 14 controls the arm unit 111 based on the three-dimensional position of the blood vessel output from the position estimation device 1 to bring the syringe 116 within a predetermined distance from the blood vessel. Next, the control unit 14 controls the linear actuator 113 to move the puncture needle of the syringe 116 in a straight line to puncture the blood vessel.

このとき、制御部14は、位置推定装置1から出力される血管の3次元位置に基づいて、例えば、血管を示す交線上において予め設定された位置を目標位置として、穿刺針を移動させる。例えば、上記交線の中心位置、所定比率の位置、ユーザによって指示された位置、などが予めメモリに設定されている。 At this time, the control unit 14 moves the puncture needle to a target position, for example, a position preset on the intersection line indicating the blood vessel, based on the three-dimensional position of the blood vessel output from the position estimation device 1. For example, the center position of the intersection line, a position at a predetermined ratio, a position specified by the user, etc. are preset in the memory.

制御部14は、判定部13による判定結果に基づいて、移動部11の直動アクチュエータ113を制御する。制御部14は、例えば、判定部13により穿刺針が血管に到達したとの判定結果に基づいて、直動アクチュエータ113を制御して、シリンジ116の穿刺針の直線移動を停止させる。そして、制御部14は、シリンジ116の穿刺針から採血や輸血を行うための制御を行う。なお、採血や輸血を行うための機構及び制御は、周知であり、例えば、特開2014-239831号公報などに詳細に記載されているため、これを援用できるものとする。 The control unit 14 controls the linear actuator 113 of the moving unit 11 based on the determination result by the determination unit 13. For example, based on the determination result by the determination unit 13 that the puncture needle has reached a blood vessel, the control unit 14 controls the linear actuator 113 to stop the linear movement of the puncture needle of the syringe 116. The control unit 14 then controls blood collection and transfusion from the puncture needle of the syringe 116. Note that the mechanisms and controls for blood collection and transfusion are well known and are described in detail in, for example, JP 2014-239831 A, and therefore this can be used by reference.

制御部14は、採血が終了したと判断すると、直動アクチュエータ113を制御して、自動的に、シリンジ116の穿刺針を血管から抜針してもよい。これにより、採血や輸血を自動化し医療従事者の負荷を大幅に軽減することができる。 When the control unit 14 determines that blood collection has been completed, it may control the linear actuator 113 to automatically remove the puncture needle of the syringe 116 from the blood vessel. This automates blood collection and transfusion, greatly reducing the burden on medical staff.

ところで、シリンジ116の穿刺針を血管に穿刺する際に、穿刺針に異常な力が作用していないかリアルタイムで監視し、異常な力が作用している場合、直ちに、穿刺針を血管から抜針するのが、安全上好ましい。 When inserting the puncture needle of the syringe 116 into a blood vessel, it is preferable for safety reasons to monitor in real time whether any abnormal force is acting on the puncture needle, and if any abnormal force is acting, to immediately remove the puncture needle from the blood vessel.

これに対し、本実施形態2に係る自動注射装置10は、穿刺針にかかる力が閾値以上になると、穿刺針を血管から抜針する。すなわち、穿刺針にかかる力が閾値以上となるような穿刺針に異常な力が作用している場合に、直ちに、穿刺針を血管から抜針する。 In contrast, the automatic injection device 10 according to the second embodiment withdraws the puncture needle from the blood vessel when the force acting on the puncture needle exceeds a threshold value. In other words, if an abnormal force is acting on the puncture needle such that the force acting on the puncture needle exceeds a threshold value, the puncture needle is immediately withdrawn from the blood vessel.

例えば、制御部14は、力検出部12により検出された穿刺針の力が閾値以上になったと判断すると、穿刺針を血管から抜針するように移動部11の直動アクチュエータ113を制御する。これにより、穿刺針を血管に穿刺する際に、異常な力が作用した場合でも、直ちに穿刺針を血管から抜針し、その安全上を向上させることができる。 For example, when the control unit 14 determines that the force of the puncture needle detected by the force detection unit 12 exceeds a threshold value, it controls the linear actuator 113 of the moving unit 11 to withdraw the puncture needle from the blood vessel. This allows the puncture needle to be withdrawn from the blood vessel immediately, improving safety, even if an abnormal force is applied when inserting the puncture needle into the blood vessel.

なお、本実施形態2において、自動注射装置10は、位置推定装置1により算出された血管の3次元位置に基づいて、血管に対し穿刺針を穿刺し、採血などを行う構成であるが、これに限定されない。本実施形態2において、自動注射装置10は、位置推定装置1により算出された血管(足や手の付け根の動脈など)の3次元位置に基づいて、該血管に対し穿刺を行い、該血管内にカテーテルを挿入する構成であってもよい。 In this embodiment 2, the automatic injection device 10 is configured to insert a puncture needle into a blood vessel and perform blood sampling, etc., based on the three-dimensional position of the blood vessel calculated by the position estimation device 1, but is not limited to this. In this embodiment 2, the automatic injection device 10 may be configured to puncture a blood vessel (such as an artery in the foot or base of the hand) based on the three-dimensional position of the blood vessel calculated by the position estimation device 1, and insert a catheter into the blood vessel.

さらに、位置推定装置1は、皮膚下の神経の3次元位置を算出し、自動注射装置10は、位置推定装置1により算出された神経の3次元位置に基づいて、腰椎麻酔などの麻酔注射や神経ブロック注射などを行っても良い。 Furthermore, the position estimation device 1 may calculate the three-dimensional position of a nerve under the skin, and the automatic injection device 10 may perform anesthesia injections such as lumbar anesthesia or nerve block injections based on the three-dimensional position of the nerve calculated by the position estimation device 1.

本実施形態2において、位置推定装置1は、血管像全体の位置推定を行うのではなく、血管像全体のうち、穿刺を行う部分を含む小さな所定領域のみの位置推定を行ってもよい。これにより、上記計算量を低減でき、位置推定の時間を短縮できる。 In this embodiment 2, the position estimation device 1 may estimate the position of only a small, predetermined area of the entire blood vessel image that includes the area where the puncture will be performed, rather than estimating the position of the entire blood vessel image. This can reduce the amount of calculation and shorten the time required for position estimation.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be embodied in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.

本発明は、例えば、図3に示す処理を、CPUにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。 The present invention can also be realized, for example, by having a CPU execute a computer program to perform the process shown in FIG. 3.

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD-ROM(Read Only Memory)、CD-R、CD-R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。 The program can be stored and provided to a computer using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer readable media include magnetic recording media (e.g., flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (e.g., magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R/Ws, and semiconductor memories (e.g., mask ROMs, PROMs (Programmable ROMs), EPROMs (Erasable PROMs), flash ROMs, and RAMs (random access memories)).

プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 The program may be provided to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The transitory computer readable medium may provide the program to the computer via a wired communication path, such as an electrical wire or optical fiber, or via a wireless communication path.

1 位置推定装置
2 第1カメラ
3 第2カメラ
4 近似式算出部
5 位置算出部
10 自動注射装置
11 移動部
12 力検出部
13 判定部
14 制御部
111 アーム部
112 スライド機構
113 直動アクチュエータ
114 関節部
115 リンク
116 シリンジ
REFERENCE SIGNS LIST 1 Position estimation device 2 First camera 3 Second camera 4 Approximation formula calculation unit 5 Position calculation unit 10 Automatic injection device 11 Movement unit 12 Force detection unit 13 Determination unit 14 Control unit 111 Arm unit 112 Slide mechanism 113 Linear actuator 114 Joint unit 115 Link 116 Syringe

Claims (9)

異なる方向から対象物を撮影した、該対象物の第1及び第2画像を取得する第1及び第2画像取得手段と、
前記第1及び第2画像取得手段により取得された第1及び第2画像に基づいて、該第1及び第2画像における前記対象物の特徴形状を表す線の第1及び第2近似式を夫々算出する近似式算出手段と、
前記対象物の位置を算出する位置算出手段と、を備え、
前記位置算出手段は、
前記第1画像取得手段の位置と、前記近似式算出手段により算出された第1近似式の線と、を通る第1面を算出し、該第1面と前記対象物を覆う表面との第1交線を算出し、該第1交線を該第1交線の延在方向に沿って分割する複数の第1分割点と前記第1画像取得手段とを通る複数の線を、前記表面内の屈折率に基づいて前記複数の第1分割点で夫々屈折させた複数の第1屈折線を夫々算出し、
前記第2画像取得手段の位置と、前記近似式算出手段により算出された第2近似式の線と、を通る第2面を算出し、該第2面と前記対象物を覆う表面との第2交線を算出し、該第2交線を該第2交線の延在方向に沿って分割する複数の第2分割点と前記第2画像取得手段とを通る複数の線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第2分割点で夫々屈折させた複数の第2屈折線を夫々算出し、
前記複数の第1屈折線と前記複数の第2屈折線とが交差する点を夫々算出し、該算出した各点に基づいて、前記対象物の3次元位置を算出する、
位置推定装置。
a first image capturing means for capturing a first image and a second image capturing means for capturing a second image of an object from different directions;
an approximation equation calculation means for calculating first and second approximation equations of a line representing a characteristic shape of the object in the first and second images based on the first and second images acquired by the first and second image acquisition means, respectively;
a position calculation means for calculating a position of the object,
The position calculation means
a first surface passing through the position of the first image acquisition means and the line of the first approximation equation calculated by the approximation equation calculation means; a first intersection line between the first surface and a surface covering the object; and a plurality of first refracted lines obtained by refracting a plurality of lines passing through the first image acquisition means and a plurality of first division points dividing the first intersection line along an extension direction of the first intersection line at the plurality of first division points based on a refractive index within the surface,
a second surface passing through the position of the second image acquisition means and the line of the second approximation equation calculated by the approximation equation calculation means; a second intersection line between the second surface and a surface covering the object is calculated; and a plurality of second refracted lines are calculated by refracting a plurality of lines passing through a plurality of second division points that divide the second intersection line along an extension direction of the second intersection line and the second image acquisition means at each of the second division points based on a refractive index within the surface;
calculating points at which the plurality of first refraction lines intersect with the plurality of second refraction lines, and calculating a three-dimensional position of the object based on each of the calculated points;
Location estimation device.
請求項1記載の位置推定装置であって、
前記近似式算出手段は、前記対象物の特徴形状を表す近似式として1次の直線式又は2次以上の曲線式を算出する、
ことを特徴とする位置推定装置。
2. The position estimation device according to claim 1,
the approximation equation calculation means calculates a linear equation or a curve equation of second or higher order as an approximation equation representing the characteristic shape of the object;
A position estimation device comprising:
請求項1又は2記載の位置推定装置であって、
前記第1及び第2画像取得手段は、赤外線カメラである、
ことを特徴とする位置推定装置。
3. The position estimation device according to claim 1,
The first and second image acquisition means are infrared cameras.
A position estimation device comprising:
請求項1乃至3のうちいずれか1項記載の位置推定装置であって、
前記対象物は、血管である、
ことを特徴とする位置推定装置。
4. A position estimation device according to claim 1, further comprising:
The object is a blood vessel.
A position estimation device comprising:
請求項4記載の位置推定装置を備え、
前記位置推定装置により算出された血管の3次元位置に基づいて、該血管に対し穿刺針を穿刺する、
ことを特徴する自動注射装置。
A position estimation device according to claim 4,
a puncture needle is inserted into the blood vessel based on the three-dimensional position of the blood vessel calculated by the position estimation device;
The automatic injection device is characterized by:
請求項5記載の自動注射装置であって、
前記穿刺針を移動させる移動手段と、
前記穿刺針にかかる力を検出する力検出手段と、
前記力検出手段により検出された穿刺針の力に基づいて、前記穿刺針が前記血管に到達したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記移動手段を制御する制御手段と、
を備える、ことを特徴とする自動注射装置。
6. The automatic injection device of claim 5,
A moving means for moving the puncture needle;
a force detection means for detecting a force acting on the puncture needle;
a determination means for determining whether or not the puncture needle has reached the blood vessel based on the force of the puncture needle detected by the force detection means;
A control means for controlling the moving means based on a result of the determination by the determination means;
1. An automatic injection device comprising:
請求項6記載の自動注射装置であって、
前記判定手段は、前記力検出手段により検出された穿刺針の力が2つ目のピークに達したときに、前記穿刺針が前記血管に到達したと判定する、
ことを特徴する自動注射装置。
7. The automatic injection device of claim 6,
the determination means determines that the puncture needle has reached the blood vessel when the force of the puncture needle detected by the force detection means reaches a second peak.
The automatic injection device is characterized by:
請求項6又は7記載の自動注射装置であって、
前記制御手段は、前記力検出手段により検出された穿刺針の力が閾値以上になると、前記穿刺針を前記血管から抜針するように前記移動手段を制御する、
ことを特徴とする自動注射装置。
8. The automatic injection device of claim 6 or 7,
The control means controls the moving means to withdraw the puncture needle from the blood vessel when the force of the puncture needle detected by the force detection means becomes equal to or greater than a threshold value.
16. An automatic injection device comprising:
第1及び第2画像取得手段により異なる方向から対象物を撮影し、該対象物の第1及び第2画像を取得する処理と、
前記取得された第1及び第2画像に基づいて、該第1及び第2画像における前記対象物の特徴形状を表す線の第1及び第2近似式を夫々算出する処理と、
前記第1画像取得手段の位置と、前記算出された第1近似式の線と、を通る第1面を算出し、該第1面と前記対象物を覆う表面との第1交線を算出し、該第1交線を該第1交線の延在方向に沿って分割する複数の第1分割点と前記第1画像取得手段とを通る複数の線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第1分割点で夫々屈折させた複数の第1屈折線を夫々算出する処理と、
前記第2画像取得手段の位置と、前記算出された第2近似式の線と、を通る第2面を算出し、該第2面と前記対象物を覆う表面との第2交線を算出し、該第2交線を該第2交線の延在方向に沿って分割する複数の第2分割点と前記第2画像取得手段とを通る複数の線を、前記表面内の屈折率に基づいて該各第2分割点で夫々屈折させた複数の第2屈折線を夫々算出する処理と、
前記複数の第1屈折線と前記複数の第2屈折線とが交差する点を夫々算出し、該算出した各点に基づいて、前記対象物の3次元位置を算出する処理と、
をコンピュータに実行させる、プログラム。
A process of photographing an object from different directions using first and second image acquisition means to acquire first and second images of the object;
a process of calculating first and second approximation equations of a line representing a characteristic shape of the object in the first and second images, respectively, based on the acquired first and second images;
a process of calculating a first surface passing through the position of the first image acquisition means and the line of the calculated first approximation equation, calculating a first intersection line between the first surface and a surface covering the object, and calculating a plurality of first refracted lines obtained by refracting a plurality of lines passing through the first image acquisition means and a plurality of first division points dividing the first intersection line along an extension direction of the first intersection line at each of the first division points based on a refractive index within the surface;
a process of calculating a second surface passing through the position of the second image acquisition means and the line of the calculated second approximation equation, calculating a second intersection line between the second surface and a surface covering the object, and calculating a plurality of second refracted lines obtained by refracting a plurality of lines passing through the second image acquisition means and a plurality of second division points dividing the second intersection line along an extension direction of the second intersection line at each of the second division points based on a refractive index within the surface;
A process of calculating points at which the first refraction lines intersect with the second refraction lines, and calculating a three-dimensional position of the object based on each of the calculated points;
A program that causes a computer to execute the following.
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