CN101896794B - 电容式接近传感器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种电容式接近传感器，包括传感电极，其中该传感电极具有带有导电区域113和不导电区域117的表面，其中该传感器适合用于测量传感电极和对象109、111之间的电场110、112。此外，描述了：一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如SPECT)，一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的系统(例如SPECT)，一种用于避免用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如SPECT)与对象之间碰撞的方法，一种程序单元和一种计算机可读介质。公开了一种电容式接近传感器，其接近对象的灵敏度相对于传感器自身特定几何形状具有改善的独立性。
Description
技术领域
本发明涉及电容式接近传感器、用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)、用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的系统(例如，SPECT)、用于避免用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)和对象之间碰撞的方法。
背景技术
电容式接近传感器集中用于距离检测的目的，特征在于一平坦的主要是圆形或方形的传感电极。使用保护电极获得线性测量范围，其通常为传感器大小的三分之一量级。在飞利浦医疗装置上使用相同的传感技术以用于防碰撞目的，特征在于比传感器大小更大的测量范围。
为了检测对象的接近，该技术沿着移动(医疗)装置外壳的外边界使用电容式接近传感器电极。首先它作为防止与检查台上的病人碰撞的预防措施，并且其次作为防止与直接环境中的其它装置碰撞的预防措施。
根据装置外壳的大小和形状控制电容式接近传感器电极的大小和形状。检测器的传感范围扩展到甚至大于电容式接近传感器结构自身的距离。在这种情况中，传感器特性必然不再与距离成线性关系。
只要能够精细再现，非线性特性基本上不是真正的问题。只有当传感器几何形状保持固定时，才能期望再现非线性行为。基本上通过两个电容电极的形状以及它们相互距离和相对方位配置传感器几何形状。传感器的一个电极是要检测的对象/目标的表面，并且因此根本无法限定。根据正在讨论的装置的形状和大小控制传感器电极的形状和大小。那样，在选择传感器电极形状和大小时自由受限。毫无疑问，根据对象大小以及对象与传感器电极形状的相对位置，传感器特性显示出显著变化。结果提出了这样的防碰撞系统，其具有也根据对象大小/形状和在传感器电极区域上相对接近位置显著变化的制动距离。
在本系统中，当完成校准步骤时，制动距离的有效范围是可接受的。有时在传感器灵敏区域内进行小的(机械)更改或添加(ad-on)，引入了额外的变化。该步骤引起了额外的制动距离变化，需要额外的校准步骤。
发明内容
因此，很好地接受了传感器的非线性再现特性。然而，仅在传感器几何形状保持相同的情况下，传感器特性再现。传感器几何形状一方面包括传感器电极形状，以及要检测的(接地)目标/对象的位置、形状和大小。目标的大小和形状不可能受到影响，并且感测电极的形状或多或少由装置外壳的形状决定。
本发明提出了沿着外壳表面的传感电极的结构，其被成型使得对于在整个灵敏区域上不同传感位置，传感器特性变化最小。根据情形(在装置上的特定位置和目标大小)，该特征将变化限制在抗碰撞系统的制动距离中。同时，它允许在装置上进行以有限方式影响传感器行为的小的更改，仍得到可接受的抗碰撞系统的制动行为。
本发明提供了一种电容式接近传感器，包括传感电极，其中该传感电极具有带有导电区域和不导电区域的表面，其中该传感器适合用于测量传感电极和对象之间的电场。
本发明提供了一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)，其包括根据权利要求1至9中的任意一项所述的传感器。SPECT是一种核医学断层摄影成像技术，其中使用伽玛射线。SPECT代表单光子发射计算机断层摄影。
本发明提供了一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的系统(例如，SPECT)，其包括用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)；和对象，其中该对象包括根据权利要求1至9中的任意一项所述的传感器。
本发明提供了一种用于避免用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)和对象之间碰撞的方法，该方法包括：测量根据权利要求1至9中的任意一项所述的传感器和对象之间的距离；并且如果距离近就停止设备和传感器之间的接近，其中该设备包括该传感器。
本发明提供了一种程序单元，当被处理器执行时，该程序单元适合于执行权利要求12所述的方法。
本发明提供了一种已存储有权利要求13所述的程序单元的计算机可读介质。
将其他实施例合并入从属权利要求中。
根据示例性实施例，提供了一种传感器，其中对象接地。
根据本发明的另一个方面，提供了一种传感器，其中，电连接导电区域。
根据本发明的另一个方面，提供了一种传感器，其中，将导电区域电连接到处理电子器件。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种传感器，其中，表面具有基本上平坦的区块，并且这些基本上平坦的区块具有不导电区域。
根据示例性实施例，提供了一种传感器，其中，表面具有基本上不平坦的区块，并且这些基本上不平坦的区块具有导电区域。
可以在本发明示例性实施例的示例性方面中看出：
提供了一种传感器，其中传导区域具有这样的维度，该维度被最优化到整个传感电极维度的大小，以最优化传感器灵敏度在整个结构区域上的均匀性。
根据本发明的另一个方面，提供了一种传感器，其中，传感器的灵敏度基本上独立于传感器的形状。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种传感器，其中，对象是动物或者人类。
本发明的主旨可以看作提供一种电容式接近传感器，其中，独立于该传感器自身特定的几何形状对该传感器接近对象的灵敏度进行最优化。
应该注意，下面所描述的本发明的示例性实施例也适用于方法、装置、程序单元、以及计算机可读介质。
应该注意，还可以合并上述特征。即使没有明确地详细描述，但上述特征的组合也可以带来协同作用效果。
参考下文所描述的实施例，本发明的这些以及其它方面将变得显而易见并得到阐述。
附图说明
下面将参考下列附图对本发明的示例性实施例进行描述。
图1a示出了传感电极的闭合表面传感区域；
图1b示出了传感电极的开放结构传感区域；
图2a示出了根据与根据图1a的传感电极的距离的U输出的图；
图2b示出了根据与根据图1b的传感电极的距离的U输出的另一个图；
图3是根据图1a或1b的基本传感器读出电路；
图4a示出了具有闭合表面的常规传感电极的4个传感器；
图4b示出了具有用于改善整个传感器区域上灵敏度均匀性的开放“骨架”形状结构的新电极的4个新传感器；
图5a示出了医疗心血管产品；
图5b示出了在不同位置处的同一个医疗心血管产品；
图5c更详细示出了另一个医疗心血管产品；
图6示出了具有悬浮顶篷的X射线源；
图7示出了可以存储计算机可读介质的计算机701。
附图标记列表：
101 对象(接地的)
102 电场流线
103 对象(接地的)
104 电场流线
105 传感电极
106 盖子
107 内部电容Ci
108 电压源U源
109 对象(接地的)
110 电场流线
111 对象(接地的)
112 电场流线
113 传感电极的导电区域
114 盖子
115 内部电容Ci
116 电压源U源
117 传感电极的不导电区域
201 对象接近传感电极侧面的曲线
202 对象接近传感电极角落的曲线
203 对象接近传感电极侧面的曲线
204 对象接近传感电极角落的曲线
301 电压源U源
302 内部电容Ci
303 变量C传感-接地(取决于对象和传感电极之间的距离)
401 传感电极
402 x射线管的盖子
403 传感电极
404 传感电极
405 不导电屏障
406 传感电极
407 传感电极
408 传感电极
409 传感电极
410 x射线管的盖子
411 传感电极的导电区域
412 传感电极的导电区域
413 传感电极
414 传感电极的不导电区域
415 传感电极的不导电区域
416 传感电极的不导电区域
501 患者台
502 检测器外壳上的防碰撞传感器
503 x射线管外壳上的防碰撞传感器
504 患者台
505 检测器外壳上的防碰撞传感器
506 x射线管外壳上的防碰撞传感器
601 传感器摇臂
602 摇臂
603 望远镜
604 传感器管组件
具体实施方式
本发明引入了传感电极的另一种结构，其对传感器特性的影响是使其特性范围减小。传感器特性范围保持在更窄的带内，导致制动距离变化更小。
防碰撞传感器的传感器电极具有3维结构。在电极边缘和角落处的传感器灵敏度与在该结构的较大平坦区域处的灵敏度相比，将差异很大。本发明通过修改特别是在传感器电极的较大平坦区域处的电极结构引入了对该行为的改变。现存技术的主要问题是在平坦区域处对象接近传感器结构的灵敏度明显大于在角落或边缘处对象接近传感器的灵敏度。本发明使用具有维持在边缘和角落附近的电极的传感器电极结构，而它在平坦区域处具有开放结构。以这种方式，将几乎不影响在边缘和角落处的灵敏度，而降低在平坦区域处的灵敏度。这样，传感器电极的结构得到在整个传感器表面上更加平衡的灵敏度，导致在制动之后的清除距离(clearance distance)方面更加均匀的制动行为。
接受了一定范围的制动距离，本方法允许由于装置改变引起的传感器行为的更多变化。该特征对于在X射线源的盖子上安装额外的机械间隔器、强制X射线源和人体组织之间的最小距离是非常重要。也为该额外单元提供传感器电极，该传感器电极具有由于间隔器曲线形状引起的相当低的灵敏度轮廓。本发明的技术给出了具有和不具有间隔器、即使在间隔器改变之后不进行校准步骤也可接受的制动行为。
图1a和图2a在简单布置中示出了用于距离传感的、与电容性测量技术相关的基本问题，其中，传感器电极结构具有复杂的三维形状。图1a示出了对象106，其可以例如为X射线源的外壳。在该外壳上存在表面105，其为导电的。该表面105是经内部电容器Ci与电压源U源连接的传感电极。与外壳106和传感电极105相对的，存在元件101和103。将这些元件101和103与地连接。在这些元件101和103与传感电极105之间存在电容C传 感-接地。标记传感-接地(sense-ground)说明了电容是在传感电极105以及接地元件101和103之间的电容。在元件101和103与传感电极105之间还存在电场102和104。
构造该电极有助于实现对于各个接近方向更加平衡的行为。图1b示出了相同的情形，除了传感电极具有开放结构传感区域之外(例如，具有外壳114)。总传感器包括若干导电区域113和若干不导电区域117。经电容器Ci 115将传感电极的这些部分与电压源U源116连接在一起。与传感电极相对的，存在元件109或111。在这些元件和传感电极的导电区域113之间存在电场流线110或112。
在平坦侧面以相对大的对象接近电容性三维传感器电极(情形A)与在角落处接近它(情况B)相比将显示出在更大范围上明显更高的灵敏度。特别是在对象几何形状大小的量级的距离处，该现象将最显著。对于为了防碰撞的距离传感的应用领域，期望具有由于这些影响造成的传感器特性的最小延展，因为这给出了制动距离的最小延展。因为总是存在一定影响，所以显然必须接受一定影响。然而，通过在机械部件的三维表面上构建传感电极而不是具有闭合表面可以降低该影响。
图2a描绘了根据元件101或103与传感电极105之间的距离的输出电压U输出。该图示出了根据图1的情形接近元件102或103的灵敏度。曲线201描绘了接近元件101的特性。曲线202描绘了接近元件103的特性。在曲线201和202之间有明显差异。因此，在相同距离x处，存在不同电压U输出,1和U输出,2。元件101产生比元件103更低的电压U输出,1，元件103产生较高的电压U输出,2。两个电压U输出,1和U输出,2之间的差异对应于测量误差。
图2b描绘了分别对于接近元件109或111的相同特性。可以看出，根据图2b的测量误差(U输出,1和U输出,2之间的差异)现在急剧减小。
图3示意性示出了根据图1a和1b中情形的电路。将传感电极经内部电容器Ci 302连接到电压源U源301。各个元件101、103、109或111与传感电极之间的电场导致电容C传感-接地303。该电容C传感-接地303取决于元件101、103、109或111与传感电极之间的距离。
所描述的为了改善灵敏度均匀性构建传感电极的技术已经应用到Medical Systems in Best的心血管成像系统的X射线管盖子上的防碰撞传感器上。该技术对于实现“身体卫士系统”在盖子的全部灵敏区域上的更好的制动行为至关重要。对于某个系统，如在图4a中所示，部件402的4个传感器401、403、404和406布置在X射线管上的盖子内部的四个象限内，所述4个传感器具有4个全闭合区域传感器结构。通过不导电屏障405隔离4个传感器401、403、404和406。根据本发明实现所构建的电极明显带来了制动距离的更小的变化，同时在管盖子前面的可选隔离器单元的传感器电极处提供了更好的灵敏度。
图4b示出了相同的布置410，只是其具有根据本发明的传感器。传感器401’、403’、404’和406’具有导电区域411和412以及不导电区域414、415和416。如在之前段落中所提到的，为迎合在角落和边缘处较低的灵敏度，通过在这些平坦区域处的传感器结构中引入开口来降低平坦区域(大的)的传感器灵敏度。图4a和4b示出了在Poly-G2系统的X射线管的盖子内部的传感器电极结构的示例。通过将传导图案限制于在每个角落和边缘411处的10mm宽带条，将基本电极结构从全区域传导图案(图4a)减少到骨架形图案。另外，可以将5mm宽对角线带条412添加到大的开口，从而避免这些区域出现过低的局部灵敏度。
将开发专用设计工具来方便为给定应用的成功电极结构设计其外壳的专用大小和形状，其中必须在该外壳上设计传感功能。
在飞利浦医疗系统分公司中，存在一些本发明可以升级其性能以及将在不久的将来实现的应用。这些应用包括来自X射线成像系统的心血管组的系统：PolyG2管盖子、Clea系统以及FD10和FD20X射线检测器单元的管盖子。图5a、5b和5c示出了这些系统的图片，其中带有实现用于防碰撞的电容式接近传感器的位置的指示。
图5a、5b和5c示出了一种医疗心血管产品，其中，描绘了患者台501、504以及在检测器外壳上的防碰撞传感器502、505以及在X射线管外壳上的防碰撞传感器503、506。
除了医疗系统领域应用之外，该技术总体上对包括装置自动机械操作的不希望碰撞情形的应用感兴趣。
对于Philips Medical Systems Hamburg的通用X射线心血管身体卫士的应用：PMS Hamburg是给医疗工业提供通用X射线系统的供应商。他们在X射线系统上新的开发之一是Tango系统。在Tango X射线系统内，非接触对象检测装置将是安全概念的一部分。该装置将防止运动X射线系统与X射线检查室内的人或者装置的碰撞。Tango系统由患者台和检测器悬浮顶篷组成。为了避免部分系统或者整个系统与X射线检测室内的设施或其它对象，尤其是与人的碰撞，对象检测系统应该提供可以由Tango系统的运动控制解读的适当的(碰撞)数据。通过与设备接口提供关于被检测对象相对于悬浮顶篷或其部件在距离和方向上的位置的数据。
图6示出了PMS Hamburg GXR Tango系统的检测器悬浮顶篷。其中示出了实现“电容防碰撞传感器”的不同位置。图6描绘了望远镜603、摇臂602、传感器管组件604、以及传感器摇臂601。
图7示出了可以存储计算机可读介质的计算机701。计算机包括键盘703、显示器704以及CPU 702。
本发明提供了一种电容式接近传感器，包括传感电极，其中，该传感电极具有带有导电区域113和不导电区域117的表面，其中，该传感器适合于测量传感电极和对象109、111之间的电场110、112。此外，描述了：一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)，一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的系统(例如，SPECT)，一种用于避免用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备(例如，SPECT)和对象之间碰撞的方法，一种程序单元和一种计算机可读介质。公开了一种电容式接近传感器，其接近对象的灵敏度示出了相对于传感器自身特定几何形状的改善的独立性。
虽然在附图和前述说明中对本发明进行了详细说明和描述，但是认为这些说明和描述是说明性或示例性而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域的技术人员在实现所要求的发明时可以根据对附图、公开和所附权利要求的研究理解和实现对所公开实施例的其它改变。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单独一个处理器或者其它单元可以完成在权利要求中所叙述的若干项的功能。在彼此不同的从属权利要求中叙述了某些措施的仅有事实并非表明不能使用这些措施的组合进行改进。可以将计算机程序存储/分布在诸如与其它硬件一起或者作为其它硬件一部分提供的光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是也可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式对其进行分布。不应该将权利要求中的任何参考符号理解为对范围的限制。
Claims (12)
1.一种电容式接近传感器，包括：
传感电极，所述传感电极具有带有导电区域(113)和不导电区域(117)的表面，其中，通过将所述不导电区域(117)定位在所述传感电极的灵敏度应该被局部降低的所述传感电极的区域，使所述传感电极的灵敏度在整个传感器表面上更加均衡，其中，所述表面具有基本上平坦的区块，所述基本上平坦的区块的灵敏度通过在所述基本上平坦的区块处的传感器结构中的开口而被降低，其中，对角线带条跨过所述基本上平坦的区块处的所述开口，其中，所述传感器适合用于测量所述传感电极和对象(111、109)之间的电场。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述对象(111、109)接地。
3.如权利要求1至2中任意一项所述的传感器，其中，所述导电区域(113)电连接到处理电子器件。
4.如权利要求1至2中任意一项所述的传感器，其中，所述基本上平坦的区块具有不导电区域(117)。
5.如权利要求1至2中任意一项所述的传感器，其中，所述表面具有基本上不平坦的区块，并且这些基本上不平坦的区块具有导电区域(113)。
6.如权利要求1至2中任意一项所述的传感器，其中，所述导电区域(113)具有被最优化到整个传感电极维度的大小的维度，从而最优化所述传感器的灵敏度在整个结构区域上的均匀性。
7.如权利要求1至2中任意一项所述的传感器，其中，所述传感器的灵敏度独立于所述传感器的形状。
8.如权利要求1至2中任意一项所述的传感器，其中，所述对象(109、111)是动物或者人类。
9.一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备，所述设备包括如权利要求1至8中任意一项所述的传感器。
10.一种用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的系统，所述系统包括：
用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备；以及如权利要求1至8中任意一项所述的传感器。
11.一种用于避免用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备与对象(109、111)之间碰撞的方法，其中，所述设备包括如权利要求1-8中任意一项所述的传感器，所述方法包括：
测量所述传感器与所述对象(109、111)之间的距离；以及
如果所述距离近，就停止所述设备和所述对象之间的接近。
12.一种用于避免用于医疗x射线诊断和/或x射线治疗和/或核诊断/治疗的设备与对象(109、111)之间碰撞的装置，其中，所述设备包括如权利要求1-8中任意一项所述的传感器，所述装置包括：
用于测量所述传感器与所述对象(109、111)之间的距离的模块；以及
用于如果所述距离近就停止所述设备和所述对象之间的接近的模块。
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