DE102008046348A1

DE102008046348A1 - Method for computer-assisted planning of path of C-arm in treatment room for patient, involves determining optimal set of paths corresponding to targets, where target is set as value of minimum total risk of collision

Info

Publication number: DE102008046348A1
Application number: DE102008046348A
Authority: DE
Inventors: Wendelin Dr. Feiten; Oliver Dr. Meissner; Werner Dr. Neubauer; Thomas Dr. Redel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: DE102008046348B4

Abstract

The method involves determining risk volumes for paths of a movable object. The volumes are provided with spatial expansions of a section between each activity volume and each transverse volume of the paths and a probability of occurrence of object types according to the activity volumes. A total risk of collision of a C-arm (1) with objects is determined in a spatial region (R) based on the volumes. An optimal set of paths corresponding to targets is determined using an optimizing process e.g. Newton process, where one of the targets is set as a value of minimum total risk of collision. An independent claim is also included for a computer program product comprising instructions for performing a method for computer-assisted planning of a path of a movable device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Bahnplanung eines bewegbaren Geräts, insbesondere eines medizinischen Geräts, in einem Raumbereich. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein entsprechendes bewegbares Gerät.The The invention relates to a method for computer-aided path planning of a movable device, in particular a medical device, in a room area. Further The invention relates to a corresponding computer program product and a corresponding movable device.

In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden Geräte automatisch bzw. teilautomatisch zur Ausführung bestimmter Aufgaben bewegt. Zum Beispiel werden im Bereich der Medizintechnik zur Diagnostik bzw. Therapie – gesteuert durch einen Bediener und teils automatisch – Bewegungen von medizinischen Geräten durchgeführt, wobei die Bedeutung von automatisch ausgeführten Bewegungen immer größer wird. Es tritt hierbei das Problem auf, dass Kollisionen des sich bewegenden Geräts mit anderen Gegenständen und Personen auftreten können. Bei sich bewegenden medizinischen Geräten kommt erschwerend hinzu, dass die Umgebungen, in denen die Geräte eingesetzt werden, oftmals eine hohe Dynamik und beengte Raumverhältnisse aufweisen.In A variety of technical applications become devices automatically or semi-automatic for execution certain tasks. For example, in the field of medical technology for diagnosis or therapy - controlled by a server and partly automatic - movements of medical devices carried out, whereby the meaning of automatically executed movements increases. This causes the problem that collisions of the moving equipment with other objects and people can occur. Aggravatingly, with moving medical devices, that the environments in which the devices are used often have high dynamics and limited space.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Bewegung eines medizinischen Geräts durch Videokameras zu überwachen, um hierdurch Kollisionsgefahren zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Bei entsprechend hoher Dynamik der überwachten Bewegung kann es dabei relativ oft zu auftretenden Kollisionsgefahren kommen, welche wiederum zu einer Unterbrechung des Betriebs des Geräts, beispielsweise aufgrund eines Brems- oder Ausweichmanövers des Geräts, führen. Es ist deshalb wünschenswert, bereits vor dem Betrieb des Geräts die Bewegung des Geräts rechnergestützt geeignet zu planen, um Betriebsunterbrechungen zu vermeiden.Out In the prior art it is known the movement of a medical equipment to monitor by video cameras, to detect collision hazards and initiate appropriate countermeasures. With correspondingly high dynamics of the monitored movement, it can thereby come quite often to occur collision hazards, which again to interrupt the operation of the device, for example due to a braking or evasive maneuver of the device. It is therefore desirable already before the operation of the device the movement of the device computer-aided appropriate to plan to avoid business interruptions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegung eines bewegbaren Geräts rechnergestützt derart zu planen, dass Kollisionen mit anderen Objekten gering gehalten werden.Of the Invention is based on the object, the movement of a movable equipment computer-aided so to plan collisions with other objects kept low become.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder das Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 18 oder das bewegbare Gerät gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.These The object is achieved by the method according to claim 1 or the Computer program product according to claim 18 or the movable device according to claim 19 solved. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Raumbereich, in dem sich das Gerät bewegen kann, durch ein oder mehrere Aktivitätsvolumina charakterisiert, welche jeweils die räumliche Ausdehnung zumindest eines Teils des Raumbereichs und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen in dem zumindest einen Teil des Raumbereich umfassen. Ferner sind ein oder mehrere Gruppen von Bahnen des bewegbaren Geräts im Raumbereich vorgegeben, wobei eine jeweilige Bahn durch eine Mehrzahl von Transversalvolumina beschrieben wird. Ein Transversalvolumen umfasst dabei zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Bewegung des Geräts auf der Bahn das Volumen, welches das Gerät ab dem jeweiligen Zeitpunkt in einem Zeitraum eines Anhalte- und/oder Ausweichmanövers neu durchqueren wird.In the method according to the invention is the space in which the device can move through or several activity volumes characterized, which in each case the spatial extent at least a part of the space area and the probability of occurrence of one or more object types in the at least one part of the room area. Further, one or more groups of webs of the movable device predetermined in space, with a respective path through a Plurality of transversal volumes is described. A transversal volume includes at a particular time of movement of the device on the Trace the volume of the device from the respective time in a period of a halt and / or avoidance maneuver will cross again.

Erfindungsgemäß wird für eine jeweilige Bahn aus der oder den Gruppen von Bahnen eine Mehrzahl von Risikovolumina ermittelt, wobei ein Risikovolumen durch die räumliche Ausdehnung des Schnitts zwischen einem jeweiligen Aktivitätsvolumen und einem jeweiligen Transversalvolumen beschrieben ist. Es existieren somit für ein jeweiliges Transversalvolumen so viele Risikovolumina, wie es Aktivitätsvolumina gibt, welche sich mit dem Transversalvolumen überschneiden. Ein Risikovolumen wird ferner charakterisiert durch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen gemäß dem jeweiligen Aktivitätsvolumen. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens kann dabei mehrere Wahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von den einzelnen Objekttypen umfassen.According to the invention for a respective Train from the group or groups of tracks a plurality of risk volumes determined, with a risk volume due to the spatial extent of the cut between a respective activity volume and a respective one Transverse volume is described. There are thus for a respective Transversal volume as many risk volumes as there are activity volumes which overlap with the transversal volume. A risk volume is further characterized by the probability of occurrence of one or more object types according to the respective activity volume. The probability of occurrence can be multiple probabilities dependent on from the individual object types.

Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit von den Risikovolumina der jeweiligen Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen ein Gesamtrisiko einer Kollision des Geräts mit Objekten im Raumbereich ermittelt, wobei die jeweiligen Bahnen einer Gruppe vorzugsweise parametrisch beschrieben werden. Das heißt, für jede Bahngruppe existiert eine Parameterbeschreibung, durch welche eine Vielzahl von Bahnen durch unterschiedliche Wahl der Parameter charakterisiert wird. Das Gesamtrisiko einer Kollision repräsentiert ein Maß für die Gefahr einer Kollision bei Bewegungen des Geräts entlang der jeweiligen Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen. Mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens wird ein gemäß einem oder mehreren Zielen optimaler Satz von Bahnen umfassend jeweils eine Bahn aus jeder Gruppe von Bahnen bestimmt, wobei zumindest eines der Ziele ein minimales Gesamtrisiko ist.According to the invention is in dependence from the risk volumes of the respective railways from each group of Tracks a total risk of a collision of the device with objects in the space area determined, wherein the respective orbits of a group preferably parametrically described. That is, for each railway group exists a parameter description by which a plurality of webs characterized by different choice of parameters. The overall risk of a collision represents a measure of the danger of a collision Collision during movements of the device along the respective lanes of each group of lanes. With help an optimization method becomes one according to one or more goals optimal set of tracks comprising one track each from each Group of orbits, with at least one of the objectives being a minimum Total risk is.

Erfindungsgemäß wird durch eine geeignete Definition von Risikovolumina über Transversalvolumina und Aktivitätsvolumina eine Parametrisierung des Risikos erreicht, wobei basierend auf dieser Parametrisierung mit an sich bekannten Optimierungsverfahren ein Satz von Bahnen mit einem möglicht geringen Kollisionsrisiko bestimmt werden kann. Somit können vor dem eigentlichen Betrieb des Geräts geeignete Bahnen für unterschiedliche Bahngruppen bestimmt werden, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform jede Bahngruppe eine durch das Gerät durchzuführende Funktion bzw. Aufgabe charakterisiert, beispielsweise bestimmte diagnostische Bewegungen bzw. Transferfahrten eines medizinischen Geräts. Vorzugsweise wird dabei in dem Gesamtrisiko die relative Häufigkeit der Verwendung von Bahnen aus den Gruppen von Bahnen berücksichtigt. Das heißt, je weniger häufig Bahnen aus einer bestimmten Gruppe verwendet werden, desto geringer fließt diese Bahngruppe in die Berechnung des Gesamtrisikos ein.According to the invention, a parameterization of the risk is achieved by a suitable definition of risk volumes over transversal volumes and activity volumes, based on this parametrization tion with per se known optimization method, a set of tracks can be determined with a possible low risk of collision. Thus, before the actual operation of the device, suitable webs can be determined for different web groups, wherein in a preferred embodiment each web group characterizes a function or task to be performed by the device, for example certain diagnostic movements or transfer runs of a medical device. Preferably, the relative risk of using webs from the groups of webs is taken into account in the overall risk. That is, the less frequently lanes from a particular group are used, the less this lane group is included in the calculation of the overall risk.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Transversalvolumen ferner einen oder mehrere Geschwindigkeitsvektoren, welche die Geschwindigkeit und Richtung des Geräts beim Durchqueren des Transversalvolumens beschreiben, wobei ein Risikovolumen ferner durch den oder die Geschwindigkeitsvektoren des entsprechenden Transversalvolumens charakterisiert ist, aus dem das Risikovolumen durch Schnitt mit einem Aktivitätsvolumen hervorgeht.In Another particularly preferred embodiment comprises a transverse volume furthermore, one or more velocity vectors which represent the velocity and direction of the device describe when traversing the transverse volume, with a Risk volume further by the one or more velocity vectors of the corresponding transverse volume the risk volume by cutting with an activity volume evident.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für einen jeweiligen Objekttyp eine Schadenshöhe einer Kollision des Objekttyps mit dem Gerät in Abhängigkeit von dem oder den Geschwindigkeitsvektoren der jeweiligen Risikovolumina definiert, wobei das Gesamtrisiko die Schadenshöhen für die Risikovolumina der jeweiligen Bahn derart berücksichtigt, dass das Gesamtrisiko bei größeren Schadenshöhen größer wird. Das Kollisionsrisiko hängt somit nicht nur von der Kollision an sich, sondern auch von dem dadurch verursachten Schaden ab. Das heißt, es werden insbesondere solche Kollisionen vermieden, bei denen der verursachte Schaden besonders hoch ist.In a particularly preferred embodiment the method according to the invention is for a respective object type a damage amount of a collision of the object type with the device dependent on of the velocity vector (s) of the respective risk volumes defined, whereby the total risk the damage levels for the risk volumes of the respective Track taken into account, that the overall risk increases with larger amounts of damage. The risk of collision depends not only from the collision itself, but also from the collision damage caused thereby. That is, it will be particular avoided such collisions, which caused the damage is particularly high.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt das Optimierungsverfahren Parameter einer Sensoranordnung umfassend einen oder mehrere Sensoren im Raumbereich, wodurch das Optimierungsverfahren ferner die Parameter einer im Hinblick auf das oder die Ziele optimalen Sensoranordnung ausgibt. Auf diese Weise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren neben optimalen Bahnen ferner auch eine optimale Sensoranordnung ermittelt, mit der das Risiko von Kollisionen verringert wird. Es wird somit ein besonders geringes Kollisionsrisiko dadurch erreicht, dass bei Betrieb des Geräts nicht nur die optimalen Bahnen verwendet werden, sondern auch die Sensoren entsprechend der ermittelten optimalen Sensoranordnung positioniert werden.In a further embodiment the method according to the invention considered the optimization method comprising parameters of a sensor arrangement one or more sensors in the space area, thereby optimizing the process Further, the parameters of one optimal with respect to the one or more objectives Sensor arrangement outputs. In this way, with the inventive method In addition to optimal paths further also an optimal sensor arrangement which reduces the risk of collisions. It Thus, a particularly low risk of collision is achieved by that when operating the device not only the optimal tracks are used, but also the Sensors according to the determined optimal sensor arrangement be positioned.

Zur Parametrisierung der Sensoranordnung ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung ein jeweiliger Sensor der Sensoranordnung durch eine Detektionswahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Objekttypen charakterisiert, wobei die Detektionswahrscheinlichkeit vorzugsweise von dem Ort und/oder der Geschwindigkeit des jeweiligen Objekttyps relativ zu dem Sensor abhängt. Bei ortsfest angeordneten Sensoren kann die Detektionswahrscheinlichkeit für jeden Objekttyp gegebenenfalls fest vorgegeben sein. Vorzugsweise wird dabei für eine jeweilige Bahn eine Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit für einen oder mehrere Objekttypen aus den einzelnen Detektionswahrscheinlichkeiten ermittelt. Die einzelnen Detektionswahrscheinlichkeiten entlang einer Bahn berücksichtigen dabei für am Gerät angebrachte Sensoren deren Anbringungsort und deren Geschwindigkeit gemäß der Bewegung des Geräts, wobei die Geschwindigkeit aus den Geschwindigkeitsvektoren der Risikovolumina bestimmt werden kann. Das heißt, aus den Parametern der Bahn kann auf die Detektionswahrscheinlichkeit der einzelnen Sensoren für verschiedene Objekttypen an den einzelnen Bahnpositionen geschlossen werden. Die ermittelte Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit wird als Parameter in dem Gesamtrisiko berücksichtigt.to Parameterization of the sensor arrangement is in a preferred variant the invention, a respective sensor of the sensor arrangement by a Detection probability of one or more object types characterized in that the detection probability is preferably from the location and / or the speed of the respective object type relative to the sensor. For stationary sensors, the detection probability for each If necessary, fixed the object type. Preferably for a respective track has a total detection probability for one or several object types from the individual detection probabilities determined. The individual detection probabilities along consider a railway for on the device attached sensors their location and their speed according to the movement of the device, where the speed of the velocity vectors of the risk volumes can be determined. This means, from the parameters of the orbit can be based on the detection probability the individual sensors for different object types are closed at the individual rail positions become. The determined total detection probability is called Parameters taken into account in the overall risk.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem Gesamtrisiko ferner ein Schadenminderungsfaktor enthalten, der eine Reduzierung der Schadenshöhe bei der Detektion eines Objekttyps durch die Sensoranordnung modelliert. Die Reduzierung der Schadenshöhe ergibt sich daraus, dass bei der Detektion eines Objekts im Regelfall ein entsprechender Bremsvorgang bzw. ein Ausweichmanöver ausgelöst wird, so dass der Schaden geringer ausfällt, als wenn sich das Gerät regulär auf seiner vorgegebenen Bahn weiter bewegen würde.In a further preferred embodiment the method according to the invention the overall risk also includes a loss mitigation factor, a reduction in the amount of damage in the detection of a Object type modeled by the sensor array. The reduction the amount of damage this results from the fact that in the detection of an object as a rule a corresponding braking operation or an evasive maneuver is triggered, so that the damage is lower than if the device is regular on its predetermined path would move further.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Sensoranordnungen modelliert werden. Insbesondere können solche Sensoranordnungen mit einem oder mehreren aktiv entfernungsmessenden Sensoren modelliert werden. Ein aktiv entfernungsmessender Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er aktiv ein Signal aussendet und wieder empfängt, wobei basierend auf der Veränderung des Signals durch Reflexionen bzw. Streuungen an Objekten bzw. basierend auf der Laufzeit des Signals der Abstand zu entsprechenden Objekten ermittelt wird. Das Signal kann dabei beliebig ausgestaltet sein, es kann sich beispielsweise um elektromagnetische Wellen (z. B. in Form von sichtbarem oder nicht sichtbarem Licht) oder um Schallwellen (insbesondere Ultraschallwellen) handeln. Beispiele von solchen aktiv entfernungsmessenden Sensoren sind Laserscanner oder aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras. Die Sensoranordnung kann dabei Sensoren am Gerät und/oder ortsfest im Raum angebrachte Sensoren umfassen, wobei die Detektionswahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Objekttypen für einen Sensor am Gerät von der Befestigungsposition des Sensors am Gerät und der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich das Gerät bewegt.In the method according to the invention, any desired sensor arrangements can be modeled. In particular, such sensor arrangements can be modeled with one or more active range-measuring sensors. An actively distance-measuring sensor is characterized in that it actively sends out and receives a signal, wherein the distance to corresponding objects is determined based on the change in the signal due to reflections or scattering of objects or based on the transit time of the signal. The signal can be configured as desired, for example electromagnetic waves (eg in the form of visible or invisible light) or sound waves (esp special ultrasonic waves) act. Examples of such active range-measuring sensors are laser scanners or actively distance-measuring 3D cameras. The sensor arrangement may include sensors on the device and / or stationary mounted in the room sensors, the detection probability of one or more types of object for a sensor on the device depends on the mounting position of the sensor on the device and the speed at which the device moves.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nicht die gesamte Sensoranordnung parametrisch berücksichtigt, sondern es sind bereits vorbestimmte Positionen für die Sensoren vorgegeben, wobei jedoch Einstellparameter, wie z. B. ein Blickwinkel des Sensors, in die Parametrisierung der Sensoranordnung einfließen.In a particularly preferred embodiment The invention does not parametric the entire sensor array considered, but there are already predetermined positions for the sensors given, however, setting parameters such. B. an angle of the sensor, into the parameterization of the sensor arrangement.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für jede Sensoranordnung ein Kostenaufwand ermittelbar, wobei ein weiteres Ziel des Optimierungsverfahrens ein minimaler Kostenaufwand ist. Durch den Kostenaufwand wird insbesondere der monetäre Aufwand charakterisiert, der für die Installation der Sensoranordnung erforderlich ist. Der Kostenaufwand kann dabei z. B. die Kosten der einzelnen Sensoren bzw. die Kosten für die Anbringung der Sensoren an bestimmten Positionen berücksichtigen.In a further preferred embodiment the method according to the invention is for Each sensor arrangement can be determined a cost, with another Goal of the optimization process is a minimal cost. The cost of the particular monetary expense characterized for the installation of the sensor arrangement is required. The cost can be z. As the cost of each sensor or the cost for the Consider mounting the sensors in certain positions.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige, an sich bekannte Optimierungsverfahren zum Lösen des Optimierungsproblems eingesetzt werden. Beispielsweise können analytische Optimierungsverfahren, wie z. B. das Newton-Verfahren oder Verfahren basierend auf konjugierten Gradienten verwendet werden. Vorzugsweise kommen jedoch probabilistische Optimierungsverfahren zum Einsatz, wie z. B. genetische Algorithmen.In the method according to the invention can any, known per se optimization method for solving the Optimization problems are used. For example, analytical Optimization method, such. As the Newton method or method based on conjugated gradient can be used. Preferably, however, come probabilistic optimization methods for use, such. B. genetic Algorithms.

Ein bevorzugter Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Planung der Bewegung eines medizinischen Geräts in einem Behandlungsraum. Das Gerät kann dabei beispielsweise eine Röntgeneinrichtung, insbesondere ein hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannter C-Bogen, sein.One The preferred area of application of the method according to the invention is planning the movement of a medical device in a treatment room. The device For example, an X-ray device, in particular, a sufficient C-bow known in the art.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung ferner ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung jeder der oben beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.Next In the method described above, the invention further comprises Computer program product with a stored on a machine-readable carrier Program code for execution each of the above-described variants of the method according to the invention, if the program runs on a computer.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein bewegbares Gerät, insbesondere ein medizinisches Gerät, in dem der optimale Satz von Bahnen, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde, in einem Speicher des Geräts hinterlegt ist, um das Gerät im Betrieb basierend auf dem optimalen Satz von Bahnen zu bewegen. In einer bevorzugten Variante wurde dabei mit dem Verfahren auch eine optimale Sensoranordnung ermittelt, welche auch in dem Speicher des Geräts hinterlegt ist. Ebenso können die Sensoren an dem Gerät bereits gemäß der optimalen Sensoranordnung angeordnet sein. Das Gerät wird somit im Betrieb basierend auf dem optimalen Satz von Bahnen und der optimalen Sensoranordnung bewegt.Furthermore The invention relates to a movable device, in particular a medical Device, in which the optimal set of webs, which with the inventive method has been determined, stored in a memory of the device to operate the device based on the optimal set of paths to move. In a preferred variant was doing with the process also an optimal Detected sensor arrangement, which also stored in the memory of the device is. Likewise the sensors on the device already according to the optimal Sensor arrangement be arranged. The device is thus based on operation the optimal set of paths and the optimal sensor arrangement emotional.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.embodiments The invention will be described below with reference to the attached figures described in detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein Szenario in einem medizinischen Interventionsraum mit einem bewegbaren C-Bogen und Sensoren zur Detektion von Objekten im Raum, wobei in diesem Szenario eine optimale Bewegung des C-Bogens mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden kann; 1 a scenario in a medical intervention room with a movable C-arm and sensors for detecting objects in space, in which case optimal movement of the C-arm can be determined by the method according to the invention;

2 bis 4 Seitenansichten eines C-Bogens zur Erläuterung der von dem C-Bogen bei unterschiedlichen Bewegungen durchquerten Transversalvolumina; und 2 to 4 Side views of a C-arm to explain the traversed by the C-arm at different movements transverse volumes; and

5 eine weitere Ansicht eines C-Bogens mit darauf angeordneten Sensoren zur Erfassung der Umgebung des C-Bogens, wobei die Anordnung der Sensoren basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren optimiert werden kann. 5 a further view of a C-arm with sensors arranged thereon for detecting the environment of the C-arm, wherein the arrangement of the sensors can be optimized based on the inventive method.

1 zeigt einen medizinischen Interventionsraum R in Draufsicht, in dem eine Röntgenmessung mit Hilfe eines sog. C-Bogens 1 durchgeführt werden soll. Der C-Bogen ist eine hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannte Röntgeneinrichtung, welche über eine (nicht gezeigte) Positionierungseinrichtung in verschiedene Positionen im Raum zum Röntgen von Körperteilen bewegt werden kann. Der C-Bogen umfasst an einem seiner vorderen Enden eine Strahlungsquelle mit Kollimater 1a sowie am entgegengesetzten Ende eine entsprechende Detektionseinrichtung 1b, welche beide entsprechend den zu röntgenden Körperteilen eines Patienten geeignet positioniert werden. Als C-Bogen kann insbesondere ein Gerät der Siemens AG, beispielsweise AXIOM Artis dFA, eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch auch auf beliebige andere medizinische Geräte oder nicht medizinische Geräte anwendbar, beispielsweise auf Biplananlagen mit zwei C-Bögen, wie z. B. das Modell AXIOM Artis dBC der Siemens AG, oder auf kartesisch geführte Anlagen, wie z. B. das Modell AXIOM Aristos FX Plus der Siemens AG. 1 shows a medical intervention space R in plan view, in which an X-ray measurement using a so-called. C-arm 1 to be carried out. The C-arm is a well-known from the prior art X-ray device, which via a (not shown) positioning means in ver different positions in the room for x-ray of body parts can be moved. The C-arm comprises a radiation source with collimater at one of its front ends 1a and at the opposite end a corresponding detection device 1b which are both suitably positioned according to the body parts of a patient to be X-rayed. In particular, a device of Siemens AG, for example AXIOM Artis dFA, can be used as the C-arm. However, the invention is also applicable to any other medical devices or non-medical devices, such as biplane systems with two C-arms, such. As the model AXIOM Artis dBC Siemens AG, or on Cartesian guided systems such. For example, the AXIOM Aristos FX Plus model from Siemens AG.

Neben dem C-Bogen 1 ist in 1 ferner ein Patiententisch 2 gezeigt, auf dem der zu röntgende Patient liegt. Ferner enthält der Raum R schematisch angedeutete Monitore 3, auf denen die von dem C-Bogen aufgenommenen Bilder wiedergegeben werden. Darüber hinaus ist als weiteres medizinisches Gerät am Fußende des Tisches 2 ein EEG 4 vorgesehen (EEG = Elektro-Enzephalographie). Zum Schutz des Behandlungspersonals gegen Röntgenstrahlung ist darüber hinaus ein Röntgenschutzschild 5 vorhanden, welches über eine entsprechende Positionierungseinrichtung 6, mit der das Schutzschild an der Decke des Raums R befestigt ist, in verschiedene Positionen bewegt werden kann. Die momentane Aufenthaltsposition eines Arztes ist in 1 durch eine Ellipse D und die momentane Aufenthaltsposition eines Assistenten durch eine Ellipse A angedeutet.Next to the C-arm 1 is in 1 also a patient table 2 on which the patient to be X-rayed is lying. Furthermore, the space R contains schematically indicated monitors 3 on which the pictures taken by the C-arm are played back. In addition, as another medical device at the foot of the table 2 an EEG 4 provided (EEG = electro-encephalography). To protect the treatment personnel against X-rays is also an X-ray shield 5 present, which has a corresponding positioning device 6 , with which the protective shield is attached to the ceiling of the room R, can be moved in different positions. The current location of a doctor is in 1 indicated by an ellipse D and the current residence position of a wizard by an ellipse A.

In dem Szenario der 1 besteht das Problem, dass es bei der Ausführung von Bewegungen des C-Bogens zu Kollisionen mit den weiteren Gegenständen bzw. Personen im Raum kommen kann. Um eine mögliche Kollisionsgefahr frühzeitig zu erkennen, sind deshalb unter der Decke des Raums R Kameras 7, 8, 9 und 10 vorgesehen, wobei die Kameras 7 und 8 an einer Längsseite des Raums R und die Kameras 9 und 10 auf der anderen Längsseite des Raums angeordnet sind. Die Sichtwinkel der einzelnen Kameras sind durch den Winkel α angedeutet. Die Kameras ermöglichen eine dreidimensionale Erfassung eines Raumbereichs, in dem die Gefahr von Kollisionen besteht. Die Kameras sind dabei 3D-Kameras, welche vorzugsweise basierend auf einer aktiven Entfernungsmessung den Raumbereich dreidimensional erfassen. Der Bereich, der durch die Kameras in 1 erfasst wird, stellt ein Aktivitätsgebiet dar, in dem vermehrt Aktivitäten durch Bewegung des C-Bogens bzw. des Behandlungspersonals oder des Patienten auftreten. Neben den dargestellten Kameras 7 bis 10 können zur Erfassung der unmittelbaren Umgebung des sich bewegenden C-Bogens 1 auch Kameras direkt an dem C-Bogen vorgesehen sein, welche sich zusammen mit dem C-Bogen bewegen.In the scenario of 1 There is the problem that when performing movements of the C-arm, it may collide with the other objects or persons in the room. To detect a potential collision hazard at an early stage, R cameras are therefore under the ceiling of the room 7 . 8th . 9 and 10 provided, with the cameras 7 and 8th on one long side of room R and the cameras 9 and 10 arranged on the other longitudinal side of the room. The viewing angles of the individual cameras are indicated by the angle α. The cameras enable a three-dimensional detection of a spatial area in which there is a risk of collisions. The cameras are 3D cameras, which preferably detect the spatial area in three dimensions based on an active distance measurement. The area covered by the cameras in 1 is an area of activity in which increased activity occurs due to movement of the C-arm or the treating staff or the patient. In addition to the cameras shown 7 to 10 can capture the immediate environment of the moving C-arm 1 Also cameras are provided directly to the C-arm, which move together with the C-arm.

Zwar können mit den Kameras Objekte im Umfeld des C-Bogens erkannt werden und dadurch mögliche Kollisionen des C-Bogens mit Objekten vermieden werden. Die Bewegung des C-Bogens ist herkömmlicherweise jedoch vorab nicht so geplant, dass das Risiko von Kollisionen gering ist. Erfindungsgemäß kann nunmehr vorab basierend auf entsprechenden Informationen über den Interventionsraum und möglicher Bewegungsbahnen des C-Bogens rechnergestützt eine optimale Bewegung des C-Bogens in dem Raum berechnet werden. Der C-Bogen wird dann anschließend in geeigneter Weise auf den optimalen Bahnen bewegt. Darüber hinaus kann in einer bevorzugten Ausführungsform ferner eine optimierte Anordnung der Kameras rechnergestützt ermittelt werden, um der eigentlichen Bewegungsausführung die Kameras entsprechend dem Ergebnis der Optimierung im Raum anzuordnen. Ein Ziel der durchgeführten Optimierung ist dabei ein möglichst geringes Kollisionsrisiko, wobei als weiteres Ziel auch die entsprechenden Kosten für die Anbringung von Kameras bzw. Sensoren berücksichtigt werden können. Die Kosten sollten dabei möglicht gering gehalten werden.Though can with the cameras objects around the C-arm are detected and possible thereby Collisions of the C-arm with objects are avoided. The movement of the C-arm is conventional However, not previously planned so that the risk of collisions low is. According to the invention can now in advance based on relevant information about the Intervention room and possible Trajectories of the C-arm computer-aided optimal movement of the C-arm in the room can be calculated. The C-arm is then followed moved in an appropriate manner on the optimal paths. Furthermore can in a preferred embodiment Furthermore, an optimized arrangement of the cameras determined by computer be to the actual motion execution the cameras accordingly to arrange the result of the optimization in the room. A goal of the optimization carried out is as small as possible Kollisionsrisiko, whereby as a further goal also the appropriate costs for the attachment of cameras or sensors can be considered. The Costs should be possible be kept low.

Bei der Durchführung des Optimierungsverfahrens sind eine Vielzahl von Informationen und Parametern vorgegeben, wobei basierend auf diesen Informationen bzw. Parametern die Optimierung erfolgt. Die Informationen umfassen zunächst das bereits oben erwähnte Aktivitätsgebiet, in dem Aktivitäten vermutet werden. Dieses Gebiet wird in eine Mehrzahl von Aktivitätsvolumina eingeteilt, welche durch ihre räumliche Ausdehnung charakterisiert sind. Ein Aktivitätsvolumen ist in der hier beschriebenen Ausführungsform durch weitere Größen charakterisiert, welche weiter unten noch näher beschrieben werden. Ferner sind als weitere Informationen mögliche Bahnbewegungen des C-Bogens bekannt, wobei die Bahnbewegungen mit Hilfe sog. Transversalvolumina beschrieben werden, die im Folgenden erläutert sind.at the implementation of the optimization process are a lot of information and parameters given, based on this information or parameters the optimization takes place. The information includes first the already mentioned above Activity area in the activities be suspected. This area is divided into a number of activity volumes divided, which by their spatial Extension are characterized. An activity volume is as described here embodiment characterized by further sizes, whichever is closer below to be discribed. Furthermore, as further information possible rail movements the C-arm known, the web movements using so-called. Transversalvolumina will be described, which are explained below.

Einige Transversalvolumina, die sich für verschiedene Bewegungen des C-Bogens ergeben, sind in 2 bis 4 wiedergegeben. 2 zeigt dabei eine diagnostische Rotationsbewegung des C-Bogens um seinen Mittelpunkt bzw. sein Isozentrum. Der Mittelpunkt ist dabei der Mittelpunkt des in 2 als C bezeichneten Kreuzes und die diagnostische Rotationsbewegung erfolgt um eine sich senkrecht zur Blattebene erstreckende Achse in diesem Mittelpunkt. Das Kreuz C deutet dabei die virtuelle Patientenröhre an, d. h. es entspricht im Wesentlichen der räumlichen Ausdehnung des zu röntgenden Patienten. Die diagnostische Rotationsbewegung wird ferner durch den Doppelpfeil R verdeutlicht. Bei dieser Bewegung werden durch den C-Bogen Transversalvolumina durchquert, welche als V1 bis V4 in 2 angedeutet sind. Ein Transversalvolumen beschreibt dabei in der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Bahnbewegung des C-Bogens das Volumen, welches der C-Bogen nach einem Anhaltebefehl neu durchqueren wird. Dieses Volumen entspricht dem Volumen, dass der C-Bogen nach dem Anhaltebefehl insgesamt durchquert, abzüglich des Volumens, welches der C-Bogen zum Zeitpunkt des Anhaltebefehls schon einnimmt. Die Transversalvolumina werden ferner durch ein Feld von Geschwindigkeitsvektoren charakterisiert, welche weiter unten noch näher erläutert werden. Man erkennt in 2, dass die Maschine bei der diagnostischen Rotationsbewegung je nach Bewegungsrichtung entsprechende Volumina V1 bzw. V2 auf dem Rücken des C-Bogens bzw. Volumina V3 und V4 jeweils vor dem Ende des C-Bogens durchquert.Some transversal volumes that result for different motions of the C-arm are in 2 to 4 played. 2 shows a diagnostic rotational movement of the C-arm around its center or isocenter. The center is the center of the 2 cross designated as C and the diagnostic rotational movement takes place about an axis perpendicular to the plane extending axis in this center. The cross C indicates the virtual patient tube, ie it essentially corresponds to the spatial extent of the patient to be X-rayed. The diagnostic rotati Onsbewegung is further illustrated by the double arrow R. During this movement, transversal volumes are traversed by the C-arm, which are indicated as V1 to V4 in FIG 2 are indicated. A transversal volume describes in the embodiment of the invention described here at a particular point in time the path of movement of the C-arm, the volume which the C-arm will traverse anew after a stop command. This volume corresponds to the volume that the C-arm traverses after the stop command, minus the volume already occupied by the C-arm at the time of the stop command. The transverse volumes are further characterized by a field of velocity vectors, which will be explained in more detail below. One recognizes in 2 in that, in the diagnostic rotational movement, the machine traverses, depending on the direction of movement, corresponding volumes V1 or V2 on the back of the C-arm or volumes V3 and V4 respectively before the end of the C-arm.

3 zeigt zwei Seitenansichten des C-Bogens 1 mit entsprechenden Transversalvolumina, welche bei einer sog. Anrückbewegung des C-Bogens durchquert werden. Die Anrückbewegung beschreibt die Bewegung des C-Bogens hin in seine Arbeitsposition. Die Bewegungsrichtung ist dabei durch den Pfeil P angedeutet. Ferner ist wiederum die virtuelle Patientenröhre durch das Kreuz C wiedergegeben. Man erkennt, dass bei einer Anrückbewegung ein Transversalvolumen V5 im Inneren des C-Bogens sowie zwei Transversalvolumina V6 und V7 vor dem C-Bogen durchquert werden. 3 shows two side views of the C-arm 1 with corresponding transverse volumes, which are traversed in a so-called. Anrückbewegung the C-arm. The approach movement describes the movement of the C-arm towards its working position. The direction of movement is indicated by the arrow P. Further, again, the virtual patient tube is represented by the cross C. It can be seen that a transverse movement V5 in the interior of the C-arm and two transversal volumes V6 and V7 are traversed before the C-arm during a return movement.

4 zeigt eine Ansicht analog zu 3, wobei nunmehr durchquerte Transversalvolumina bei einer Abrückbewegung weg von der Arbeitsposition des C-Bogens gezeigt sind. Die Abrückbewegung ist dabei durch den Pfeil P' angedeutet, der in die entgegengesetzten Richtung wie der Pfeil P der 3 deutet. Ferner ist wiederum die virtuelle Patientenröhre als Kreuz mit Bezugszeichen C angedeutet. Man erkennt, dass bei dieser Abrückbewegung entsprechende Transversalvolumina V8, V9 und V10 auf dem Rücken des C-Bogens durchschritten werden. 4 shows a view similar to 3 , now traversed transverse volumes are shown in a downward movement away from the working position of the C-arm. The Abrückbewegung is indicated by the arrow P ', in the opposite direction as the arrow P of 3 indicated. Furthermore, again the virtual patient tube is indicated as a cross with reference symbol C. It can be seen that corresponding transverse volumes V8, V9 and V10 are traversed on the back of the C-arm during this reversing movement.

5 zeigt eine weitere Seitenansicht des C-Bogens 1, der entsprechende Sensoren 11 und 12 zur unmittelbaren dreidimensionalen Erfassung der Umgebung vor dem C-Bogen umfasst. Bei den Sensoren handelt es sich beispielsweise wiederum um 3D-Kameras, welche vorzugsweise den Kameras 7 bis 10 gemäß 1 entsprechen. Der im Wesentlichen konusförmige Raumbereich, der durch die Kamera 11 erfasst wird, ist dabei mit dem Bezugszeichen B1 und der ebenfalls konusförmige Raumbereich, der durch die Kamera 12 erfasst wird, mit dem Bezugszeichen B2 bezeichnet. Die Kameras dienen insbesondere dazu, bei einer Rotationsbewegung, welche wiederum durch den Doppelpfeil R angedeutet ist, Bereiche vor dem C-Bogen zu erfassen, welche durch den C-Bogen selbst abgeschattet sein können. Die Anordnung dieser Kameras wird in einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens derart berücksichtigt, dass eine optimale Position der Kameras im Hinblick auf eine Kollisionsvermeidung unter Berücksichtigung von geringem Kostenaufwand bestimmt wird. 5 shows another side view of the C-arm 1 , the corresponding sensors 11 and 12 for immediate three-dimensional coverage of the environment before the C-arm. The sensors are again, for example, 3D cameras, which are preferably the cameras 7 to 10 according to 1 correspond. The essentially cone-shaped space area through the camera 11 is detected, is denoted by the reference numeral B1 and the likewise cone-shaped space area through the camera 12 is detected, denoted by the reference B2. The cameras are used in particular to detect areas in front of the C-arm during a rotational movement, which is again indicated by the double arrow R, which may be shadowed by the C-arm itself. In a preferred variant of the optimization method according to the invention, the arrangement of these cameras is taken into account in such a way that an optimal position of the cameras with regard to a collision avoidance is determined taking into account low costs.

Nachfolgend werden detailliert Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens erläutert. Zur optimalen Bewegungsplanung muss zunächst die Bahn des Geräts, dessen Bewegung geplant wird, parametrisiert werden. Eine Bahn des Geräts wird dabei beschrieben durch den Verlauf der Stellungen der Gelenke des Geräts über die Zeit. Es wird davon ausgegangen, dass {g_k} k = 1, ..., N die beweglichen Gelenke des ansonsten starren Geräts sind, welche in einem Vektor q = (g₁, ..., g_N)^T zusammengefasst werden, der die Konfiguration des Geräts darstellt. Eine Bahn wird dabei sowohl durch die Gelenkstellungen als auch durch den Zeitverlauf bestimmt, in dem die Gelenkstellungen eingenommen werden. Die Bahn wird also insgesamt bestimmt durch ein Zeitintervall [t₀, t₁] und den diesen Zeiten zugeordneten Konfigurationen, also durch die Abbildung q: [t₀, t₁] → Q.In the following, embodiments of an optimization method according to the invention will be explained in detail. For optimum motion planning, the path of the device whose movement is planned must first be parameterized. A path of the device is described by the course of the positions of the joints of the device over time. It is assumed that {g _k } k = 1, ..., N are the movable joints of the otherwise rigid device, which are summarized in a vector q = (g ₁ , ..., g _N ) ^T , the represents the configuration of the device. A pathway is determined both by the joint positions and by the passage of time, in which the joint positions are taken. The trajectory is therefore determined as a whole by a time interval [t ₀ , t ₁ ] and the configurations assigned to these times, that is, by the mapping q: [t ₀ , t ₁ ] → Q.

Die Bahnen des Geräts sollen jeweils einen bestimmten Zweck erfüllen und dabei gewisse Randbedingungen einhalten. Der Zweck ist beispielsweise, das Gerät von einer anfangs gegebenen Konfiguration aus an eine bestimmte Endkonfiguration zu bewegen. In Bezug auf den oben beschriebenen C-Bogen könnte der Zweck beispielsweise darin liegen, Kollimater und Detektor des C-Bogens kreisförmig um ein zu röntgendes Körperorgan herum zu bewegen. Im Folgenden wird zur Bewegungsplanung eine Mehrzahl von Gruppen von Bahnen berücksichtigt, wobei jede Gruppe einer in der Anwendung gestellten Aufgabe entspricht. Die Aufgaben werden im Folgenden als {A_l, l = 1, ..., L} bezeichnet. Ziel des Optimierungsverfahrens ist es dabei, für jede Gruppe von Bahnen eine optimale Bahn im Hinblick auf ein oder mehrere Ziele, insbesondere im Hinblick auf ein minimales Kollisionsrisiko, zu ermitteln.The webs of the device should each fulfill a specific purpose and thereby comply with certain conditions. For example, the purpose is to move the device from a configuration initially given to a particular end configuration. For example, with respect to the C-arm described above, the purpose could be to circularly move the collimator and detector of the C-arm around a body organ to be X-rayed. In the following, for movement planning, a plurality of groups of tracks are considered, each group corresponding to a task set in the application. The tasks are hereinafter referred to as {A _l , l = 1, ..., L}. The aim of the optimization process is to determine an optimal trajectory for each group of trajectories with regard to one or more objectives, in particular with regard to a minimal collision risk.

Die Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen sind durch die entsprechende Aufgabe bis zu einem gewissen Grad festgelegt. Für eine Transportfahrt sind beispielsweise ein Anfangspunkt q(t₀) = q₀ und ein Endpunkt q(t₁) = q₁ festgelegt bzw. eine Mehrzahl von Endpunkten Q1, wobei q(t₁) ∈ Q₁, falls eine Menge von Parkpositionen in Frage kommen. Weitere Einschränkungen ergeben sich aus der Hindernislandschaft des räumlichen Bereichs, in dem sich das Gerät bewegen soll. Dabei sind Konfigurationen, die zu Kollisionen mit Hindernissen führen, verboten. Jedes relevante Hindernis führt zu einer Menge O_k von verbotenen Konfigurationen, so dass für die von dem Gerät durchlaufenen Bahnen gelten muss: q(t)

O_k, t ∈ [t₀, t₁], k = 1, ..., K.The lanes from each group of lanes are determined to a degree by the task at hand. For a transport journey, for example, a starting point q (t ₀ ) = q ₀ and an end point q (t ₁ ) = q _{1 are} defined or a plurality of end points Q1, where q (t ₁ ) ∈ Q ₁ , if a set of park posi be eligible. Further restrictions result from the obstacle landscape of the spatial area in which the device is to move. Configurations that lead to collisions with obstacles are prohibited. Each relevant obstacle results in a set _Ok of forbidden configurations, so that for the trajectories traversed by the device: q (t)

O _k , t ∈ [t ₀ , t ₁ ], k = 1, ..., K.

Die Bahnen werden dabei in der Regel beschrieben durch eine hinreichend dichte diskrete Menge von einzelnen Zeitpunkten τ_i, i = 1, ..., T mit τ₀ = t₀ und τ_T = t₁. Eine feste Bahn B ist dann gegeben durch die Tupel {(τ₁, q_i)| i = 1, ..., T}. Diese Tupel werden zu einem langen Parametervektor p = (τ₁, g₁, τ₂, g₂, ...,τ_T, q_T) zusammengefasst, der die Bahn definiert. Beschränkungen an die Bahn sind somit gegeben durch Einschränkungen dieses Parametervektors, z. B. durch die Forderung q₁

O_k, i = 1, ..., T, k = 1, ..., K aufgrund von Hindernissen bzw. durch die Forderung q_i ∈ B_i, i = 1, ..., T aufgrund von Anforderungen an die von der Bahn durchgeführten Aufgabe.The paths are usually described by a sufficiently dense discrete set of individual times τ _i , i = 1, ..., T with τ ₀ = t ₀ and τ _T = t ₁ . A fixed orbit B is then given by the tuples {(τ ₁ , q _i ) | i = 1, ..., T}. These tuples are combined to form a long parameter vector p = (τ ₁ , g ₁ , τ ₂ , g ₂ , ..., τ _T , q _T ) that defines the trajectory. Restrictions on the web are thus given by limitations of this parameter vector, e.g. B. by the requirement q ₁

O _k , i = 1, ..., T, k = 1, ..., K due to obstacles or by the requirement q _i ∈ B _i , i = 1, ..., T due to requirements of the task performed by the railway.

Wie bereits oben erwähnt, werden die in einem Anwendungsgebiet durchführbaren Aufgaben der Bahnen definiert als {A_l, l = 1, ..., L}. Dabei wird die Menge der eine Aufgabe A_i erfüllenden Bahnen B_i repräsentiert durch die Parametermenge P_i. Im Allgemeinen enthalten diese Mengen mehrere Elemente, d. h. aus der Hindernislandschaft und der Anforderung bleiben freie Parameter. Bei einer Transportfahrt sind z. B. in der Regel viele verschiedene Bahnen möglich, so lange kein Hindernis getroffen wird und Anfangs- und Endpunkt eingehalten werden. Aus diesen freien Bahnen wird erfindungsgemäß für jede Aufgabe eine optimale Bahn ausgewählt, welche mit der entsprechenden optimalen Parametermenge beschrieben wird.As already mentioned above, the tasks of the trajectories that can be carried out in one application area are defined as {A _l , l = 1, ..., L}. In this case, the set of paths A _i fulfilling a task A _{i is} represented by the parameter set P _i . In general, these sets contain several elements, ie the obstacle landscape and the requirement remain free parameters. In a transport journey z. As a rule, many different paths possible, as long as no obstacle is met and start and end points are met. From these free paths, an optimal path is selected according to the invention for each task, which is described with the corresponding optimum parameter set.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Optimierung im Hinblick auf zwei Ziele. Das erste Ziel ist eine Minimierung des Risikos einer Kollision mit vorher nicht bekannten Hindernissen und das zweite Ziel betrifft minimale Kosten für im Raum bzw. am Gerät anzubringende Sensoren, wobei diese Kosten gemäß einem beliebigen vorgegebenen Maß, festgelegt sein können. Insbesondere sind die Kosten höher, je teurer ein Sensor ist und je schwieriger seine Anbringung an Positionen im Raum bzw. am Gerät ist.In a preferred embodiment The invention is the optimization with regard to two goals. The first goal is to minimize the risk of collision with previously unknown obstacles and the second target minimal costs for in the room or on the device sensors to be mounted, these costs according to any given Measure, set could be. In particular, the costs are higher, the more expensive a sensor is and the more difficult it is to attach it Positions in the room or on the device is.

Neben dem Ziel einer Risiko- und Kostenminimierung können gegebenenfalls auch noch weitere Ziele bei der Optimierung berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Optimierung auch im Hinblick darauf erfolgen, dass eine Bahn in möglichst kurzer Zeit durch das Gerät durchlaufen werden soll oder dass der Energieverbrauch beim Durchlaufen der Bahn minimal sein soll. Ferner kann bei der Optimierung als weitere Anforderung ein Sicherheitskriterium berücksichtigt werden, d. h. dass die Bahn gewisse Abstände zu Hindernissen einzuhalten hat.Next If necessary, the goal of risk and cost minimization can also be additional goals to be considered in the optimization. Especially The optimization can also be done in terms of a Train in as possible short time through the device should be run through or that the energy consumption when going through the train should be minimal. Furthermore, in the optimization as further requirement a safety criterion be taken into account, d. H. that the course certain distances has to adhere to obstacles.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Aktivitätsgebiet bzw. Aktivitätsvolumen vorgegeben, wobei dieses Volumen gegebenenfalls in mehrere einzelnen Volumina unterteilt sein kann. Das Aktivitätsgebiet beschreibt dabei einen Teil des Raums, in dem mit gewisser Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Aktivität stattfindet. In dem Szenario gemäß 1 kann das Aktivitätsvolumen beispielsweise durch die über die Kameras 7 bis 10 erfassten Raumbereiche definiert sein. Das Aktivitätsvolumen beschreibt dabei nicht nur einen räumlichen Bereich, sondern es ist ferner auch charakterisiert durch den Kontext, d. h. ob sich das Gerät, für welches eine Bahn geplant wird, gerade in Bewegung befindet, wie viele Personen anwesend sind, wie viele unabhängige Aktivitäten dieser Personen parallel stattfinden und dergleichen. Im Folgenden wird ein solcher Kontext durch eine A-priori-Auftretenswahrscheinlich-keit für Objekte und Personen im Raum berücksichtigt. Ein Aktivitätsvolumen wird somit beschrieben durch V_A (G, {(h_j, p(h_j))|j = 1, ..., J}), d. h. durch die Wahrscheinlichkeiten p(h_j) des Auftretens von Objekten einer Klasse h_j im Raumbereich G, wobei der Raumbereich bezüglich eines raumfesten Weltkoordinatensystems W gegeben ist.In the method according to the invention, an activity area or activity volume is predetermined, it being possible for this volume to be subdivided into a plurality of individual volumes. The activity area describes a part of the space in which with certain probability a certain activity takes place. In the scenario according to 1 For example, the activity volume can be controlled by the cameras 7 to 10 be defined areas of space defined. The activity volume not only describes a spatial area but is also characterized by the context, ie whether the device for which a lane is being planned is currently in motion, how many people are present, how many independent activities of these persons take place in parallel and the like. In the following, such a context is considered by an a priori probability of objects and persons in space. An activity volume is thus described by V _A (G, {(h _j , p (h _j )) | j = 1, ..., J}), ie by the probabilities p (h _j ) of the occurrence of objects of a class h _j in the spatial region G, the spatial region being given with respect to a spatially fixed world coordinate system W.

Im erfindungsgemäßen Verfahren sind ferner Transversalvolumina vorgegeben, welche bereits im Vorangegangenen beschrieben wurden. Die Transversalvolumina beschreiben dabei Raumbereiche, welche das Gerät, für welches eine Bewegung geplant wird, in naher Zukunft durchqueren wird. Die Volumina hängen von der Geometrie des Geräts ab, die bis auf die Gelenkstellungen als fest angenommen wird. Darüber hinaus hängen die Transversalvolumina von der Trajektorie ab, d. h. der bei der jeweiligen Bewegung durchlaufenen Bahn B des Geräts. In der Trajektorie sind Gelenkstellungen sowie die entsprechenden Zeitpunkte notiert. Es wird in der hier beschriebenen Ausführungsform angenommen, dass das Gerät im Falle der Entdeckung eines Hindernisses nicht ausweicht, sondern anhält. Das heißt, ein Transversalvolumen beschreibt das Volumen, welches ein Gerät in einer jeweiligen Bahnposition bis zum Anhalten durchläuft. Im Folgenden wird mit T_i das Zeitintervall bezeichnet, das die Maschine im Falle der Detektion eines Hindernisses im Zeitpunkt τ_i zum Anhalten benötigt. Analog kann ein entsprechendes Zeitintervall auch für eine Ausweichbewegung definiert werden, sofern das Gerät bei der Entdeckung eines Hindernisses eine solche Bewegung ausführt.In the method according to the invention further transversal volumes are given, which have already been described in the foregoing. The transversal volumes describe areas of space which the device for which a movement is planned will traverse in the near future. The volumes depend on the geometry of the device, which is assumed to be fixed except for the joint positions. In addition, the transverse volumes depend on the trajectory, ie the trajectory B of the device during the respective movement. In the trajectory, joint positions and the corresponding time points are noted. It is assumed in the embodiment described here that the device does not evade but stops in the event of detection of an obstacle. That is, a transversal volume describes the volume that a device passes through in a given track position until it stops. In the following, T _i denotes the time interval which the machine requires to stop in the event of the detection of an obstacle at the instant τ _i . Similarly, a corresponding time interval can also be defined for an evasive movement if the device executes such a movement when an obstacle is detected.

Die Größe des Transversalvolumens wird basierend auf dem Volumen V_M(q) definiert, welches das Volumen ist, das die Maschine bei einer gegebenen Konfiguration q im Raum einnimmt. Dieses Volumen ist ebenfalls in den festen Weltkoordinaten W gegeben. Das Transversalvolumen ist abhängig von der Bewegungstrajektorie und dem Zeitpunkt und ist definiert als

Das heißt, das Transversalvolumen beschreibt die Menge aller Punkte im Raum, die im Anhaltezeitraum des Geräts noch durchquert werden, und zwar bis auf diejenigen, bei denen das Gerät am Anfang schon ist. Hierbei bezeichnet T_i die Zeitspanne des Anhaltevorgangs zum Zeitpunkt τ_i und q_i ist die entsprechende Konfiguration zum Zeitpunkt τ_i. Die Konfigurationen zu den Zeitpunkten τ_j im Anhalteintervall T_i sind dabei als q_j bezeichnet.The size of the transversal volume is defined based on the volume V _M (q), which is the volume that the machine occupies in space for a given configuration q. This volume is also given in the fixed world coordinates W. The transversal volume depends on the movement trajectory and the time and is defined as

That is, the transversal volume describes the amount of all points in the space that are traversed during the stopping period of the device, except for those where the device is already at the beginning. Here, T _i denotes the period of the stopping operation at the time τ _i and q _i is the corresponding configuration at the time τ _i . The configurations at the times τ _j in the stopping interval T _i are denoted as q _j .

In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird ein Transversalvolumen ferner durch Geschwindigkeitsvektoren spezifiziert. Insbesondere umfasst jedes Transversalvolumen ferner noch ein Feld

welches ebenfalls von der Trajektorie B und dem Zeitpunkt τ_i abhängt. Durch dieses Geschwindigkeitsfeld werden die Geschwindigkeiten ν_T(B, τ_i)(P) beschrieben, mit denen der erste Teil des Geräts einen gegebenen Punkt

im Transversalvolumen erstmals durchqueren wird, wenn das Gerät der geplanten Trajektorie folgt.In the embodiment of the invention described herein, a transverse volume is further specified by velocity vectors. In particular, each transverse volume also includes one more field

which also depends on the trajectory B and the time τ _i . This velocity field describes the velocities ν _T (B, τ _i ) (P) with which the first part of the device is a given point

traverse for the first time in the transversal volume when the device follows the planned trajectory.

In dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren wird für die jeweiligen Bahnen das Risiko einer Kollision mit Hilfe von Risikovolumina bestimmt. Ein Risikovolumen ist dabei ein Durchschnitt eines Aktivitätsvolumens V_A = (G,{(h_j, p(h_j))|j = 1, ..., J}) und eines jeweiligen Transversalvolumens V_T(B, τ_i) auf der entsprechenden Bahn B, d. h. es gilt V_R(B, τ_i) = V_T(B, τ_i) ∩ G. Das Risikovolumen erbt das Geschwindigkeitsvektorfeld des jeweiligen Transversalvolumens und die Auftretenswahrscheinlichkeiten des Aktivitätsvolumens.In the optimization method according to the invention, the risk of a collision with the help of risk volumes is determined for the respective tracks. A risk volume is an average of an activity volume V _A = (G, {(h _j , p (h _j )) | j = 1,..., J}) and of a respective transverse volume V _T (B, τ _i ) the corresponding orbit B, ie V _R (B, τ _i ) = V _T (B, τ _i ) ∩ G. The risk volume inherits the velocity vector field of the respective transverse volume and the occurrence probabilities of the activity volume.

Sollte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bewegung für einen Einsatzraum geplant werden, der keine Sensoren zur Detektion von Hindernissen aufweist, dann kann man unter einigen Gleichverteilungsannahmen die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem Objekt eines bestimmten Typs h_j schätzen als

Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision wird somit beschrieben als der Quotient aus dem jeweiligen Risikovolumen und dem Aktivitätsvolumen, multipliziert mit der Auftretenswahrscheinlichkeit des Objekttyps. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision ist dabei eine Funktion der Bahntrajektorie B und des Zeitpunkts τ_i.If, with the method according to the invention, a movement is planned for an application space which does not have sensors for detecting obstacles, then one can estimate the probability of a collision with an object of a specific type _hj under some equal distribution assumptions

The probability of a collision is thus described as the quotient of the respective risk volume and the activity volume multiplied by the probability of occurrence of the object type. The probability of a collision is a function of the trajectory B and the time τ _i .

In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung fließt bei der Modellierung des Risikos einer Kollision die Schwere der auftretenden Kollision mit ein. Hierdurch wird berücksichtigt, dass nicht jede Kollision gleich gravierend ist. Insbesondere ist es als gravierender einzustufen, wenn ein Mensch durch das Gerät mit hoher Geschwindigkeit getroffen wird, als wenn ein Kabel bei einer Kollision abgerissen wird. Die Schwere einer Kollision wird dabei durch eine Schadenshöhe d_j(h_j, ν) berücksichtigt, welche die Höhe des Schadens einer Kollision eines Objekttyps h_j mit einer Geschwindigkeit v beschreibt.In the embodiment of the invention described here, in the modeling of the risk of a collision, the severity of the collision occurring is included. This takes into account that not every collision is equally serious. In particular, it is considered to be more serious when a person is hit by the device at high speed than when a cable is torn off in a collision. The severity of a collision is taken into account here by a damage height d _j (h _j , ν) which describes the magnitude of the damage of a collision of an object type h _j with a velocity v.

Mit Hilfe der Schadenshöhe und der Wahrscheinlichkeit einer Kollision kann ein Gesamtrisiko des Geräts bei seiner Bewegung errechnet werden. Dieses Risiko ergibt sich als Produkt von Eintretenswahrscheinlichkeiten einer Kollision und Schadenshöhe. Für einen Objekttyp h_j in einem Risikovolumen V_R(B, τ_i) = V_T(B, τ_i) ∩ G (dargestellt als Durchschnitt eines Aktivitätsvolumens V_A = (G,{(h_j, p(h_j))| j = 1, ..., J}) und eines Transversalvolumens V_T(B, τ_i)) ergibt sich somit folgendes Kollisionsrisiko in Abhängigkeit vom Objekttyp h_j, dem Zeitpunkt τ_i auf der Bahn B sowie dem Aktivitätsvolumen G:

With the aid of the amount of damage and the probability of a collision, a total risk of the device can be calculated during its movement. This risk is the product of the probability of occurrence of a collision and the amount of damage. For an object type h _j in a risk volume V _R (B, τ _i ) = V _T (B, τ _i ) ∩ G (represented as an average of an activity volume V _A = (G, {(h _j , p (h _j )) | j = 1, ..., J}) and a transversal volume V _T (B, τ _i )) there is thus the following risk of collision depending on the object type h _j , the time τ _i on the path B and the activity volume G:

Diese elementaren Risiken werden summiert über eine disjunkte Zerlegung des Raums in Aktivitätsvolumina V_A,n, die Objekttypen h_j,n im jeweiligen Aktivitätsvolumen V_A _,n und die Bahnen B_m gemäß der relativen Häufigkeit b_m ihrer Verwendung. Damit kann ein Gesamtrisiko R wie folgt abgeschätzt werden:

These elementary risks are summed over a disjoint decomposition of the space into activity volumes V _{A, n} , the object types h _{j, n} in the respective activity volume V _A _{, n} and the paths B _m according to the relative frequency b _{m of} their use. Thus, a total risk R can be estimated as follows:

In dem obigen Ausdruck verschwindet eine Vielzahl von Termen, weil der Schnitt von Aktivitätsvolumen und Transversalvolumen leer ist. In dieser Schätzung liegen die meisten Einflussgrößen fest, es ist aber noch nicht der jeweils gewählte Repräsentant P_m aus jeder Gruppe von eine gegebene Aufgabe A_m erfüllende Bahnen B_m bestimmt. Mit der Gesamtheit dieser Repräsentanten P = (P₁, ..., P_m, ..., P_M) über alle Aufgaben hinweg als Freiheitsgrad erhält man schließlich das Gesamtrisiko als folgende Funktion:

In the above expression, a multiplicity of terms disappear because the intersection of activity volume and transverse volume is empty. In this estimation, most influencing variables are fixed, but the respectively selected representative P _m from each group of orbits B _m fulfilling a given task A _m is not yet determined. With the totality of these representatives P = (P ₁ , ..., P _m , ..., P _M ) over all tasks as degree of freedom one finally obtains the total risk as the following function:

Werden als Optimierungsziel nicht die Kosten einer Sensoranordnung berücksichtigt, ist das Ziel der Optimierung lediglich die Minimierung des Gesamtrisikos, wobei mit einem geeigneten Optimierungsverfahren nach der Gesamtheit der Repräsentanten P_min gesucht wird, welche das Gesamtrisiko minimiert, d. h. es wird gesucht nach

If the cost of a sensor arrangement is not taken into account as an optimization target, the goal of the optimization is only to minimize the overall risk, with a suitable optimization method searching for the set of representatives P _min which minimizes the overall risk, ie searches for

Ohne Berücksichtigung der Sensoranordnung bei der Optimierung kann das Minimum für jeden Repräsentanten einzeln gebildet werden, d. h. es gilt:

Without taking into account the sensor arrangement in the optimization, the minimum for each representative can be formed individually, ie it applies:

Es können bei der soeben dargelegten Optimierung beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Optimierungsverfahren verwendet werden. Beispielsweise können analytische Optimierungsverfahren, wie das Newton-Verfahren oder die Methode der konjugierten Gradienten verwendet werden. Vorzugsweise werden jedoch probabilistische Verfahren, wie z. B. genetische Algorithmen, eingesetzt.It can in the just described optimization any, from the state The technique known optimization method can be used. For example can analytical optimization methods, such as the Newton method or the method of conjugated gradient can be used. Preferably However, probabilistic methods, such. B. genetic algorithms, used.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei der neben der Bestimmung von optimalen Bahnen auch eine optimale Anordnung von Sensoren ermittelt wird. Die Sensoren werden dabei bei der Bewegung des Geräts zur Detektion von Hindernissen eingesetzt. Mit Hilfe der Sensoren werden die Risikovolumina überwacht, um das Risiko einer Kollision zu verringern. Die Sensoren können ortsfest im Raum oder auch auf dem sich bewegenden Gerät angeordnet sein. Es können beliebige Arten von Sensoren eingesetzt werden, vorzugsweise werden Sensoren mit aktiver Entfernungsmessung verwendet. Beispiele von verwendbaren Sensoren sind optische Entfernungsmesser mit einzelnem Messstrahl, aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras, beispielsweise Modelle der Firma MESA, Laserscanner, beispielsweise das Modell URG 04-LX der Firma Hokuyo, Ultraschallsysteme, kapazitive Sensoren, sowie Radarentfernungsmesser.following becomes an embodiment the method according to the invention described, in addition to the determination of optimal orbits as well an optimal arrangement of sensors is determined. The sensors will be detected as the device moves to detect obstacles used. The sensors are used to monitor the risk volumes to reduce the risk of a collision. The sensors can be stationary be arranged in the room or on the moving device. It can be any kinds be used by sensors, preferably with sensors active distance measurement used. Examples of usable Sensors are optical rangefinders with single measuring beam, active distance measuring 3D cameras, for example models of the company MESA, laser scanner, for example the model URG 04-LX of the company Hokuyo, ultrasound systems, capacitive sensors, and radar rangefinders.

Ein Sensor S_k einer Anordnung aus mehreren Sensoren wird durch eine Detektionswahrscheinlichkeit charakterisiert. Die Detektionswahrscheinlichkeit ist dabei die Wahrscheinlichkeit, ein mögliches Hindernis zu erkennen und wird im Folgenden als p(S_k, h_j, o_j, ν_j) bezeichnet. Sie hängt ab von dem Typ h_j des zu detektierenden Hindernisses und vom Ort o_j und der Geschwindigkeit v_j des Hindernisses relativ zum Sensor. Die entsprechenden Wahrscheinlichkeiten werden dabei in Laborversuchen vorab experimentell ermittelt. Für solche Sensoren, die an dem Gerät selbst angebracht sind, sind Ort und Geschwindigkeit des Hindernisses zusätzlich als Funktion der Trajektorie und des Anbringungsortes an der Maschine aufzufassen. Damit wird die Wahrscheinlichkeit der Detektion zu p(S_k, h_j, o_j(B_m, q_s,k),ν_j(B_m, q_s,k)). Dabei bezeichnet q_s,k den Anbringungsort des Sensors am Gerät.A sensor S _{k of} an arrangement of several sensors is characterized by a detection probability. The probability of detection is the probability of recognizing a possible obstacle and is referred to below as p (S _k , h _j , o _j , ν _j ). It depends on the type h _{j of} the obstacle to be detected and on the location o _j and the speed v _{j of} the obstacle relative to the sensor. The corresponding probabilities are determined experimentally in advance in laboratory experiments. For such Sensors attached to the device itself are additionally to understand the location and speed of the obstacle as a function of the trajectory and the location of attachment to the machine. Thus, the probability of detection becomes p (S _k , h _j , o _j (B _m , q _{s, k} ), ν _j (B _m , q _{s, k} )). In this case, q _{s, k} denotes the mounting location of the sensor on the device.

Aus der Detektionswahrscheinlichkeit der einzelnen Sensoren kann in einfacher Weise eine Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit berechnet werden. Betrachtet man beispielsweise ein Volumen, das von zwei unabhängigen Sensoren S₁ und S₂ überdeckt wird, ist die Wahrscheinlichkeit des Entdeckens eines Hindernisses gegeben durch: 1 – (1 – p(S1, hj, oj(Bm, qs,1), νj(Bm,qs,1)))·(1 – p(S2, hj, oj(Bm, gs,2), νj(Bm, gs,2))) From the detection probability of the individual sensors, a total detection probability can be calculated in a simple manner. For example, considering a volume covered by two independent sensors S ₁ and S ₂ , the probability of detecting an obstacle is given by: 1 - (1 - p (p 1 , H j , o j (B m , q s, 1 ), ν j (B m , q s, 1 ))) · (1 - p (p 2 , H j , o j (B m , g s, 2 ), ν j (B m , g s, 2 )))

Auf ähnliche Weise kann dann auch die Wahrscheinlichkeit der Detektion eines Hindernisses für eine Menge von Sensoren S = (S_k, g_s,k) berechnet werden als p(S, h_j, B_m).Similarly, the probability of detecting an obstacle for a set of sensors S = (S _k , g _{s, k} ) can then also be calculated as p (S, h _j , B _m ).

Mit einer, in der hier beschriebenen Ausführungsform als fest angenommenen Wahrscheinlichkeit α ∈ [0, 1] wird die Kollision mit einem detektierten Hindernis verhindert, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass trotz der Sensoren {S₁, ..., S_K} eine Kollision stattfindet, beträgt 1 - α =: β. Dies entspricht einer Modellierung derart, dass bei der Detektion einer drohenden Kollision und entsprechend eingeleiteter Brems- bzw. Ausweichmanöver der Schaden um den Faktor β ∈ [0, 1] reduziert wird.With a, in the embodiment described here as firmly assumed probability α ∈ [0, 1] the collision with a detected obstacle is prevented, ie the probability that in spite of the sensors {S ₁ , ..., S _K } a collision takes place , is 1 - α =: β. This corresponds to a modeling such that the damage is reduced by the factor β ∈ [0, 1] in the detection of an imminent collision and corresponding initiated braking or avoidance maneuvers.

Es können somit zwei Fälle eintreten. Und zwar wird mit einer Wahrscheinlichkeit p(S, h_j, B_m) das Hindernis gesehen und der Schaden um den Faktor β reduziert und mit einer Wahrscheinlichkeit 1 – p(S, h_j, B_m) wird das Hindernis nicht erkannt und der Schaden nicht reduziert. Damit kann das Gesamtrisiko als Funktion der gewählten Repräsentanten P_m der Bahnen und der gewählten Sensoranordnung wie folgt dargestellt werden:

There can thus be two cases. Namely, with a probability p (S, h _j , B _m ), the obstacle is seen and the damage is reduced by the factor β, and with a probability 1-p (S, h _j , B _m ), the obstacle is not recognized and Damage not reduced. Thus, the overall risk as a function of the selected representatives P _{m of} the tracks and the selected sensor arrangement can be represented as follows:

Nach Umstellung des mittleren Faktors lautet das Gesamtrisiko dann wie folgt:

After changing the mean factor, the total risk is as follows:

Man erkennt aus obiger Gleichung, dass sich sowohl mit wachsendem β als auch mit wachsendem p(S, h_j, B_m) das Gesamtrisiko reduziert. Durch obige Gleichung sind somit Bahnplanung und Sensoranordnung miteinander verknüpft. Basierend auf obiger Gleichung des Gesamtrisikos kann wieder eine Optimierung im Hinblick auf ein minimales Risiko stattfinden, wobei nunmehr gleichzeitig die Parameter der Bahnen und die Parameter der Sensoranordnung optimiert werden.It can be seen from the above equation that the overall risk is reduced both with increasing β and with increasing p (S, h _j , B _m ). The above equation thus links the path planning and the sensor arrangement. Based on the above equation of the overall risk, an optimization with regard to a minimum risk can take place again, whereby now the parameters of the tracks and the parameters of the sensor arrangement are optimized at the same time.

In der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform wird eine Optimierung auch unter Einbeziehung der Kosten C(S) der Sensoren der Sensoranordnung durchgeführt. Die Kosten repräsentieren den Zusatzaufwand bei der Installation von Sensoren im Raum bzw. an dem Gerät und sollten möglichst gering sein. Es wird somit eine Mehrzieloptimierung mit dem Ziel von geringen Kosten und geringem Kollisionsrisiko durchgeführt. Diese gleichzeitige Optimierung des Risikos R(P, S) und der Kosten C(S) kann durch eine gemeinsame Zielfunktion erreicht werden, welche beispielsweise wie folgt definiert ist: C_ges(P, S) = κ_r·R(P, S) + κ_s ·C(S). Je nach Anwendungsfall werden die Gewichte κ_R und κ_S geeignet definiert. Das gesuchte Optimum ist dann

In the embodiment described below, an optimization is also carried out involving the costs C (S) of the sensors of the sensor arrangement. The costs represent the additional expense of installing sensors in the room or on the device and should be as low as possible. It is thus carried out a multi-objective optimization with the aim of low cost and low risk of collision. This simultaneous optimization of the risk R (P, S) and the cost C (S) can be achieved by a common objective function, which is defined, for example, as follows: C _ges (P, S) = κ _r × R (P, S) + κ _s · C (S). Depending on the application, the weights κ _R and κ _{S are} defined appropriately. The sought optimum is then

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Optimierung derart, dass Höchstgrenzen für Risiko oder Kosten festgelegt werden und nur bezüglich einer der verbleibenden Komponenten ausgewählt aus Risiko und Kosten minimiert wird. Gegebenenfalls können auch beliebige andere Strategien einer Mehrzahloptimierung angewendet werden.In a further variant of the method according to the invention is carried out Optimization such that maximum limits for risk or costs and only one of the remaining Components selected from risk and costs is minimized. If necessary, too Any other strategies of multi-number optimization applied become.

Da das oben hergeleitete Gesamtrisiko, welches sowohl die Bahnen als auch die Sensoranordnung berücksichtigt, nur schwer über den gesamten Variationsbereich der unabhängigen Variablen hinweg geschlossen beschreibbar ist, erfolgt die Optimierung vorzugsweise mit Simulationstechniken und probabilistischen Optimierungsverfahren, wie z. B. genetischen Algorithmen. Die Simulation läuft derart ab, dass die Einsatzumgebung, die Hindernisse (d. h. die Art der Hindernisse, die Auftretenswahrscheinlichkeit, die Geschwindigkeit und dergleichen) modelliert werden, ebenso wie das Gerät, die Bewegung des Geräts und die Sensoren der Sensoranordnung. Aufgrund von Experimenten sind die Wahrscheinlichkeiten, mit denen Hindernisse eines bestimmten Typs durch Sensoren eines bestimmten Typs erkannt werden, vorab bekannt. Damit kann für eine gegebenen Bahntrajektorie und eine gegebene Sensoranordnung das Risiko ermittelt werden.Since the overall risk derived above, which takes into account both the trajectories and the sensor arrangement, is difficult to describe closedly over the entire range of variations of the independent variables, the optimization is preferably carried out using simulation techniques and probabilistic optimization process such. B. genetic algorithms. The simulation proceeds to model the environment of use, the obstacles (ie the type of obstacles, the probability of occurrence, the speed and the like), as well as the device, the movement of the device and the sensor array sensors. Through experiments, the probabilities of detecting obstacles of a particular type by sensors of a particular type are known in advance. Thus, the risk can be determined for a given trajectory and sensor arrangement.

Bei der gemeinsamen Optimierung der Bahnbewegung und Sensorauswahl bzw. Sensorplatzierung wird eine Menge von Bahnen des Geräts zu Grunde gelegt, die für das betrachtete Anwendungsgebiet charakteristisch sind. Oftmals sind dabei für frei programmierbare Geräte so viele Bahnen bzw. Aufgaben möglich, dass nicht alle bei der Optimierung berücksichtigt werden können. Es bleiben somit Aufgaben, für welche die entsprechenden Bahnen noch nicht optimiert sind, die Sensoren allerdings festgelegt sind. Die optimale Bahn wird dann gefunden als

Diese Optimierungsaufgabe wurde bereits im Vorangegangenen in Bezug auf ein Gerät ohne Sensoren beschrieben und kann wiederum mit geeigneten Optimierungsverfahren gelöst werden.The joint optimization of the path movement and sensor selection or sensor placement is based on a set of paths of the device which are characteristic of the field of application considered. Often, for freely programmable devices so many paths or tasks are possible that not all can be taken into account in the optimization. Thus, there remain tasks for which the corresponding tracks are not yet optimized, but the sensors are fixed. The optimal track is then found as

This optimization task has already been described above in relation to a device without sensors and can in turn be solved with suitable optimization methods.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Grundkonfiguration der Sensoranordnung zur Detektion von Hindernissen vorgegeben und es kann lediglich eine relative Konfiguration q_s der Sensoren zu dem zu überwachenden Volumen in gewissen Grenzen eingestellt werden. In diesem Fall sind für eine gegebene Aufgabe die optimalen Einstellungen sowohl der speziellen Bahn P_m als auch der Konfiguration der Sensoren q_s zu finden. Diese Optimierungsaufgabe findet somit das Optimum

und kann wiederum mit bekannten Optimierungsverfahren gelöst werden.In a further embodiment of the method according to the invention, a basic configuration of the sensor arrangement for detecting obstacles is predetermined and only a relative configuration q _{s of} the sensors to the volume to be monitored can be set within certain limits. In this case, for a given task, the optimal settings of both the particular trajectory P _m and the configuration of the sensors q _s are found. This optimization task thus finds the optimum

and can in turn be solved with known optimization methods.

Wie sich aus den vorangegangenen Ausführungen ergibt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine optimale Bahn eines Geräts in einer vorgegebenen Umgebung ermittelt werden, wobei die Ziele der Optimierung ein minimales Kollisionsrisiko bzw. minimale Kosten für die verwendeten Sensoren berücksichtigen. Das Verfahren liefert somit für verschiedene Aufgaben optimale Bahnen und gegebenenfalls auch eine optimale Sensorausstattung. Diese Größen können in einem Speicher des Geräts hinterlegt sein, so dass bei der Ausführung der entsprechenden Aufgabe die optimale Bahn durch das Gerät durchlaufen wird. Ebenso können bei der Verwendung des Geräts die Sensoren entsprechend der optimalen Sensoranordnung am Gerät bzw. im Raum befestigt sein.As can be seen from the foregoing, can with the inventive method an optimal trajectory of a device be determined in a given environment, with the goals the optimization a minimal risk of collision or minimal costs for the take into account used sensors. The method thus provides for different tasks optimal tracks and possibly also an optimal Sensor equipment. These sizes can be in a memory of the device be deposited, so that when performing the appropriate task the optimal path through the device is going through. Likewise when using the device the sensors according to the optimal sensor arrangement on the device or in Room to be attached.

Claims

Method for computer-aided path planning of a movable device ( 1 ), in particular a medical device, in a spatial region (R), in which: - the spatial region (R) is characterized by one or more activity volumes, which respectively define the spatial extent of at least part of the spatial region (R) and the probability of occurrence of one or more object types in the at least part of the space area (R); One or more groups of webs of the movable device ( 1 ) in the space area (R), a respective track being described by a plurality of transversal volumes (V1, ..., V10), a transversal volume (V1, ..., V10) at a respective moment of movement of the device ( 1 ) on the web comprises the volume which the device ( 1 ) will be traversed anew from the respective time in a period of a stop and / or avoidance maneuver; A plurality of risk volumes is determined for a respective lane, wherein a risk volume is the spatial extent of the intersection between a respective activity volume and a respective transverse volume (V1,..., V10) of the lane and the probability of the occurrence of one or more object types according to the activity volume involved; Depending on the risk volumes of the respective lanes from each group of lanes, an overall risk of a collision of the device ( 1 ) is determined with objects in the spatial region (R) and with the aid of an optimization method, an optimal set of orbits is determined according to one or more targets, comprising one lane from each group of lanes, wherein at least one of the targets is a minimal overall risk.

Method according to claim 1, in which, through each group of tracks, one through the device ( 1 ) is characterized.

The method of claim 1 or 2, wherein in the Overall risk the relative frequency the use of webs from the groups of webs considered becomes.

Method according to one of the preceding claims, in which a transverse volume (V1, ..., V10) further comprises one or more velocity vectors which determine the speed and direction of the device ( 1 ) when crossing the transversal volume (V1, ..., V10), wherein a risk volume further comprises the velocity vector (s) of the transversal volume (V1, ..., V10), from which the risk volume results by intersection with an activity volume.

Method according to Claim 4, in which, for a respective object type, a damage amount of a collision of the object type with the device ( 1 ) is defined as a function of the velocity vector (s) of the respective risk volumes, the overall risk taking into account the damage levels for the risk volumes of the respective trajectories in such a way that the overall risk becomes greater for larger loss levels.

Method according to one of the preceding claims, in which the optimization method comprises parameters of a sensor arrangement comprising one or more sensors ( 7 . 8th , ..., 12 ) in the space area (R), whereby the optimization method further outputs the parameters of an optimal sensor arrangement with respect to the one or more targets.

Method according to Claim 6, in which a respective sensor ( 7 . 8th , ..., 12 ) of the sensor arrangement is characterized by a detection probability of one or more object types, the detection probability preferably being determined by the location and / or the speed of the respective object type relative to the sensor ( 7 . 8th , ..., 12 ) depends.

The method of claim 7, wherein for a respective Trace a total detection probability for one or more object types is determined from the individual detection probabilities, where the total detection probability of the respective lanes is taken into account as a parameter in the overall risk.

Method according to one of claims 6 to 8, wherein in the Total risk includes a loss mitigation factor, which is a Reduction in the amount of damage modeled upon detection of an object by the sensor array.

Method according to one of claims 6 to 9, wherein the sensor arrangement one or more active distance-measuring sensors ( 7 . 8th , ..., 12 ), in particular one or more laser scanners and / or actively distance-measuring 3D cameras.

Method according to one of claims 6 to 10, wherein the sensor arrangement sensors ( 11 . 12 ) on the device ( 1 ) and / or stationary in the space area (R) mounted sensors ( 7 , ..., 10 ), wherein the detection probability of one or more object types for a sensor ( 11 . 12 ) on the device ( 1 ) from the mounting position of the sensor ( 11 . 12 ) on the device ( 1 ) and the speed at which the device ( 1 ) emotional.

Method according to one of Claims 6 to 11, in which the sensor arrangement is adjusted by setting parameters of sensors (30) arranged at predetermined positions. 7 . 8th , ..., 12 ) is parameterized.

Method according to one of claims 6 to 12, wherein for based a cost can be determined on the parameters of the sensor arrangement with another goal of the optimization process being a minimal one Cost is.

Method according to one of the preceding claims, in the optimization method is an analytical optimization method includes, in particular a Newton method or a method based on conjugate gradients.

Method according to one of the preceding claims, in the optimization method is a probabilistic optimization method includes, in particular a genetic algorithm.

Method according to one of the preceding claims, in which the movement of a medical device ( 1 ) in a treatment room (R) is planned.

The method of claim 16, wherein the medical device ( 1 ) is an X-ray device, in particular a C-arm.

Computer program product with one on a machine-readable carrier stored program code for performing a method according to at least one of the preceding claims, when the program on a computer expires.

Movable device, in particular a medical device, wherein the optimal set of tracks, which was determined by a method according to at least one of claims 1 to 17, in a memory of the device ( 1 ) to move the device in operation based on the optimal set of paths.

Apparatus according to claim 19, wherein furthermore the optimal sensor arrangement, which was determined by a method according to one of claims 6 to 13, is stored in the memory and / or sensors on the device ( 1 ) are arranged according to the optimum sensor arrangement to move the device in operation based on the optimal set of paths and the optimal sensor arrangement.