CN107017871A - 接近和碰撞识别 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及接近和碰撞识别。应当简单并且可靠地识别医疗设备中的接近和碰撞。为此，提供一种用于识别对医疗设备的接近的传感器装置和方法。电容式传感器元件具有能压缩的绝缘体层(3)，绝缘体层(3)在第一表面上具有第一导体迹线布置(1)，并且在与第一表面相对的第二表面上具有第二导体迹线布置(2)。此外，传感器装置具有分析装置，用于重复采集传感器元件的电容值。分析装置被构造为，当相应的电容值达到或者超过预先给定的第一阈值时，输出接近信号，并且当相应的电容值达到或者超过大于第一阈值的预先给定的第二阈值时，输出碰撞信号。

Description

接近和碰撞识别
技术领域
本发明涉及一种用于识别对医疗设备的接近的传感器装置。此外，本发明涉及对应的用于识别对医疗设备的接近的方法。
背景技术
医疗成像系统现在越来越灵活并且越来越能够适应相应的任务。这也包括与患者一起或者围绕患者的设备的机械移动，以便到达更好的拍摄位置或者例如获得一系列图像。这种移动或运动至少部分经由系统本身控制，并且部分经由操作人员控制。因此，行驶通过特定坐标(自动模式)或者例如经由C形臂的操纵杆偏转重新进行定位(手动模式)。然而，在这些行驶中，总是存在障碍物或者甚至患者本身处于活动路径中的风险。由此，存在发生挫伤和其它损伤的严重危险。
对于这种碰撞问题，已经存在通过压力传感机构的碰撞保护机制。然而，在触发该传感机构时，已经与障碍物发生了碰撞。为了避免这，使用不同的接近系统，例如超声波传感器、红外线传感器或者电容式测量系统。在此，一个缺点是，这些系统在所要求的安全级别(相当于SIL2或者在医疗技术中附加地要求的首先故障安全(Erstfehlersicherheit)，据此必须立即识别并且报告每个故障)就只能够识别接近、而不能识别碰撞。另一个缺点是，设备表面上的例如来自手术室的液体损害位于围板(Verschalung)下方的电容式传感器，并且使得不能进行准确的接近测量，因为介质、即测量区域的介电常数如此之高，使得根本不再察觉测量区域中的身体部分的进入。
因此，迄今为止，对于接近传感机构使用一些系统，而对于碰撞识别使用单独的系统。在碰撞识别中，通常触发急停开关，其使系统立即进入停止状态并且保持活跃，直到排除了触发原因并且系统不再识别出碰撞为止。在接近传感机构中，例如也可以在分析中自特定阈值起触发急停开关。但是只要与对象的距离值是确定的，则也可以仅以有利的方式(例如以线性或指数方式)降低接近速度。接近传感机构的优点是，在真正发生碰撞之前不久，就能够触发系统的可能的停止。
碰撞识别的优点是，能够关于不能被液体等的浸湿影响的机械信号进行分析，由此该碰撞识别也能够对应地可靠地进行。例如在监视措施中，当传感器被对象触碰并且激活时，进行信号中断。在非接触传感器的情况下，原则上在最后的相关点之前可以不执行这种功能监视。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，以简单的方式实现对医疗设备、特别是医疗成像系统的安全的使用。
根据本发明，上述技术问题通过用于识别对医疗设备的接近的传感器装置来解决，传感器装置包括具有能压缩的绝缘体层的电容式传感器元件，绝缘体层在第一表面上具有第一导体迹线布置，并且在与第一表面相对的第二表面上具有第二导体迹线布置，其中，导体迹线布置中的每一个分别在导体迹线段之间具有一个或更多个间隙，以及分析装置，用于重复采集传感器元件的电容值，其中，分析装置被构造为，当相应的电容值达到或者超过预先给定的第一阈值时，输出接近信号，并且当相应的电容值达到或者超过大于第一阈值的预先给定的第二阈值时，输出碰撞信号。
由此，以有利的方式，传感器装置不仅能够检测对象对传感器装置的接近，而且能够检测对象与传感器装置的碰撞。为此，传感器装置配备有专门的电容式传感器元件，其包含例如由塑料或者由泡沫材料制成的能压缩的绝缘体层。该绝缘体层优选构造为盘状或者板状的，并且在相对的两个面上分别具有导体迹线布置。这些导体迹线布置分别具有多个导体迹线段并且在其之间具有一个或更多个间隙。这种导体迹线布置例如可以是有孔的导体板或者是具有平行的导体迹线带的布置。重要的仅是，导体迹线布置是柔性的，由此绝缘体层能够被按压，并且来自相应的导体迹线布置的杂散场能够在朝向背离绝缘体层的一侧的方向上出现，以保证对于对象向传感器装置的接近的灵敏度提高。分析装置优选连续采集两个导体迹线布置之间的电容，并且将采集的值与两个不同的阈值进行比较。在达到或者超过第一(较低的)阈值时产生接近信号，由此用信号通知正在接近。该阈值可以根据相应的要求来设置。如果采集的电容值达到或者超过第二(较高的)阈值，则推断出发生了碰撞，并且产生所谓的碰撞信号。该第二阈值也可以根据要求预先给定。
优选第一导体迹线布置具有多个第一导体迹线，并且第二导体迹线布置具有多个第二导体迹线，其中，所有第一导体迹线在至少一个方向上与绝缘体层的主延伸平面平行地以相对于所有第二导体迹线移位的方式布置。这意为，绝缘体层的下侧的第二导体迹线布置的导体迹线，不位于绝缘体层的上侧的第一导体迹线布置的导体迹线正下方。通过导体迹线布置的这种移位，产生更多杂散场。
在一种专门的构造中，所有第一和第二导体迹线可以在传感器元件的主作用区域中彼此间至少部分平行。特别是绝缘体层的上侧和下侧的所有导体迹线(除了终端部分)也可以平行地延伸。这种平行布置例如能够简单地通过铜导线迹线来实现。平行延伸这里不应当仅仅理解为直线导体迹线，而例如也可以理解为彼此并排地延伸并且不相交的波浪状的导体迹线。波浪状的导体迹线在需要时具有其在多个方向上是柔性的优点。在最广范的意义上，这里同心圆也视为是平行的。
在另一种专门的构造中，一方面第一导体迹线在绝缘体层的主延伸平面上的垂直投影与另一方面第二导体迹线在主延伸平面上的垂直投影在任何情况下相切，但是其不重叠。这意为，一个导体迹线布置的导体迹线分别成对地至少具有另一个导体迹线布置的一个导体迹线的宽度的距离。通过这种几何结构，对于接近识别和碰撞识别能够获得特别好的结果。
分析装置可以具有热敏电阻，用于对接近信号或者碰撞信号进行温度补偿。当要在不同的环境条件下实现传感器装置的特别高的可靠性时，这种温度补偿是必须的。
可以在导体迹线中的一个上布置能变形的保护层。因此，导体迹线布置在背离绝缘体层的一侧专门由保护层保护。由此能够明显改善传感器装置相对于机械、物理和化学影响的鲁棒性。
在一种优选构造中，传感器装置的分析装置可以被构造为，其识别所采集的电容值关于时间的突然改变，并且产生关于此的故障信号。例如在发生短路或者断线时产生这种突然改变。因此，传感器装置不仅识别接近和碰撞过程，而且还可以对传感器装置的任何损坏进行自我监视。
自我监视还可以通过如下方式得到改善：分析装置进一步被设计为，测量第一和/或第二导体迹线布置的电阻。由此能够进一步更好地识别合适的接线中的断线。此外，在一些情况下因此还能够识别老化过程。
特别有利的是，能够提供一种医疗设备，其具有围板和/或支撑体元件，其中，上面描述的传感器装置固定在围板和/或支撑体元件上。支撑体元件例如可以是金属支持结构或者金属基座，由此屏蔽任何杂散场。如果传感器装置直接布置在盖板下方，则盖板用作对应的保护层。
根据本发明，上述技术问题还通过如下方式通过用于识别对医疗设备的接近的方法来解决：重复采集具有能压缩的绝缘体层的电容式传感器元件的电容值，绝缘体层在第一表面上具有第一导体迹线布置，并且在与第一表面相对的第二表面上具有第二导体迹线布置，其中，导体迹线布置中的每一个分别在导体迹线段之间具有一个或更多个间隙，以及当相应的电容值达到或者超过预先给定的第一阈值时，产生接近信号，并且当相应的电容值达到或者超过大于第一阈值的预先给定的第二阈值时，产生碰撞信号。
上面结合传感器装置提及的优点对于根据本发明的方法也相应地得到。结合传感器装置描述的功能特征同样也可以视为根据本发明的方法的方法特征。
附图说明
现在，根据附图详细说明本发明，在附图中：
图1示出了电容式传感器元件的原理略图；
图2示出了图1中的传感器元件的一部分的场图；
图3示出了用于计算电容的原理图；
图4示出了用于确定根据图1中的传感器元件的导体布置的电容的等效电路图；
图5示出了图1中的电容式传感器元件的构建的实施方式；
图6示出了根据图1的电容式传感器元件的构建的另一个实施方式；
图7示出了高度弯曲的电容式传感器元件的图示；
图8示出了发生变形时的关于时间的传感器元件的电容曲线；
图9示出了屏蔽线断线时的传感器元件的电容曲线；
图10示出了传感器缆线断线时的传感器元件的电容曲线；
图11示出了在分析电子设备上发生短路时的传感器元件的电容曲线；
图12示出了具有改进的功能测试的传感器装置的电路图；以及
图13示出了用于考虑电容式传感器元件的污染的电路图。
具体实施方式
下面详细描述的实施例是本发明的优选实施方式。在此应当注意，各个特征不仅能够以所描述的组合、而且能够单独或者以其它在技术上合理的组合实现。
为了避免与医疗设备、例如C形臂X射线设备发生危险情形或者甚至碰撞，可以对其配备根据本发明的传感器装置。医疗设备也可以具有多个这种传感器装置。
对应于一种示例性构造，传感器装置的电容式传感器元件15的横截面具有图1的几何结构。这种结构根据原理是平板电容器。柔性或者可压缩的层3作为电介质位于两个导体迹线布置1和2之间。该绝缘体层3例如可以是塑料、泡沫塑料等。在发生碰撞时，可以将导体迹线布置1和2向彼此按压，从而所得到的电容式传感器元件的电容发生改变。
第一导体迹线布置1具有多个导体段或者导体La。第二导体迹线布置2以类似的方式具有多个导体段或者单独的导体Lb。导体La和Lb可以像在图1的示例中一样被构造为沿直线平行地延伸的导体迹线或者导体带。在此，导体La不仅彼此间、而且相对于导体Lb平行地延伸。但是导体La和Lb不是必须在其整个长度上沿直线延伸。相反，其也可以包含弯曲或者拱形，例如可以以锯齿形或者波浪状延伸，在此各个相邻的导体不接触或者不相交。但是也不需要所有导体都彼此平行地延伸。相反，导体迹线布置1或者2例如也可以构造为导电的穿孔板。
这里，选择第一导体迹线布置1的相邻的导体La的距离，使得其对应于第二导体迹线布置2的导体Lb的宽度，并且在需要时也对应于第一导体迹线布置1的导体La的宽度。这种几何结构是特别有利的，但是也可以将各个导体的宽度选择为更大或者更小，只要在各个导体之间保留间隙即可。
图2示出了一方面第一导体迹线布置1的导体La中的两个和第二导体迹线布置2的一个导体Lb之间的电场的场分布。第一电场线4绝大部分延伸通过在图2中未示出的绝缘体层3，这里示例性地从导体La延伸到导体Lb。这些电场线4通常仅受碰撞影响，也就是说，对象直接或间接撞击该电容式传感器元件，并且绝缘体层3例如被压缩。
此外，电场还具有电场线5，其大部分在电容式传感器元件外部延伸。该电场线5对能够用来检测对象向传感器装置的接近的测量场有贡献。在任何情况下其前提条件是，对象影响测量场或者电场线5，这例如对于人体组织是这种情况，但是对于许多合成材料不是这种情况。
因此，利用此提供一种传感器设计，其使得能够利用单个传感器实现该前提条件，以避免与能够通过电容检测到的对象发生碰撞，并且可靠地识别与在触碰时通过电容无法检测到的对象的碰撞。
这种传感器元件的电容能够经由下面的对应于图3的两个并排布置的导体迹线的电容的方程式来近似：
在此，距离d对于接近测量仅仅承担固定因子的角色，而不是影响参量。在发生碰撞的情况下，导体迹线的距离d自然会发生改变，因为绝缘体层3可以压缩。对于其余尺寸，a对应于导体迹线的厚度，b对应于导体迹线的宽度，并且l对应于两个导体迹线的长度，只要它们平行地延伸。因此，该模型首先适用于平行地并排延伸的方形的长导体。但是该模型也可以作为对其它导体形状的近似来使用。
两个导体迹线布置1和2之间的柔性或者可压缩的绝缘体层3是具有高可压缩性的电绝缘层，例如硅树脂、泡沫材料、气体等。在选择合适的材料时，可重复的解压缩(回弹)回到初始状态是很重要的，以及必须对材料施加多大的力，以使其显著压缩。对应于压缩，值Cm对于材料的选择是决定性的，也就是说，Cm越大，压缩时的差形成越大。
具有可能的馈线的传感器元件在电路技术上能够以图4的等效电路图描绘。相应地，导体La连接到例如测量电路或者分析电路的第一导线6，并且导体Lb连接到第二导线7。在两个导线6和7之间得到导线电容Cl。从第一导体迹线布置1到第二导体迹线布置2，或者从导体La到导体Lb，得到表示传感器元件外部的测量场的接近电容Ca。在绝缘体层3内部得到连接在导体La和Lb之间的碰撞电容Ck和材料电容Cm的并联电路。为了清楚起见，在图4中绝缘体层3外部的导体Lb彼此未连接。
导线电容Cl和材料电容Cm很大程度上是固定电容，其温度依赖性(欧姆分量)可以通过热敏电阻抵消。接近电容Ca在通过电容可检测到的对象接近传感器元件时发生改变。碰撞电容Ck是由碰撞触发其值改变的电容。
为了识别接近和碰撞的不同，要进行校准并且定义阈值(还参见图8以及所属的文本)。因为在撞(＝具有触碰的碰撞)上障碍物时，根据上面描述的公式，在距离减小一半时，电容已经加倍，因此可以相对于相对小的接近电容进行阈值设置。
现在，根据图5和6描述两种特殊的构造，其中可以相应地装入根据本发明的传感器装置的传感器元件。根据图1的示例，医疗设备具有固定的围板8。此外，医疗设备具有悬挂装置或者支撑体9作为支撑部件。在图1中示出的传感器元件在本示例中借助粘接膜10粘接在围板8上并且利用第二粘接膜11粘接在支撑体9上。代替粘接或粘合膜10和11，还可以使用其它粘合剂，以保证可压缩的绝缘体层(例如塑料或者泡沫塑料)的可靠的返回变形。但是在需要时单面粘接也足够了。
支撑体9例如可以是金属基座，其通过其稳定性来保证仅柔性或者可收缩的绝缘体层3在发生碰撞时被按压。在此，金属具有如下优点：由此还能够在其它设备部件的方向上实现传感器的电磁屏蔽。
在图6的示例中，图1的传感器元件像在前面的示例中一样通过粘接膜11固定在支撑体9上。然而，该示例的特征在于，传感器装置具有可回弹(nachgiebig)的表面。因此，在传感器元件的上侧上，也就是说，在第一导体迹线布置1上，设置可变形的覆盖层12。通过传感器表面的这种可变形性，传感器也可以直接在医疗设备的表面上使用。在需要时，专门针对相应的使用目的对覆盖层涂覆合适的保护漆。由此得到更小的基本电容和更高的灵敏度，还减小了检测面积。覆盖层12特别是使由于对象接近而获得的场变化减小。尤其是对象由于该覆盖层也不再能够如此接近实际的传感器元件1,2,3。因此，有利的是，将覆盖层12构造为尽可能薄，或者在需要时仅使用漆作为覆盖层12。
在一种优选构造中，整个传感器元件优选在多个空间方向上是柔性的。由此开启了如经常在医疗设备中找到的在弯曲的表面上安装的可能性。以这种方式得到根据本发明的传感器装置的进一步更大的使用领域以及对要求的更高的匹配。
在图7中示出了将传感器元件例如安装在弯曲的围板(这里未示出)上的示例。对于这种柔性的传感器元件，例如可以使用柔性的导体迹线膜，从而得到对应地可回弹的表面。由此例如能够根据制造工艺实现非常精细的弯曲半径。
在图7的示意图中，为了简单起见，连续地示出了两个导体迹线布置1和2。然而，该图示也可以是与图1、5或者6的截面中的一个垂直的截面，因此这里在传感器元件的外侧仅可以看到一个导体La，并且在内侧仅可以看到一个导体Lb。然而，在此重要的是，由于传感器元件弯曲，可压缩的绝缘体层的厚度在位置13(大约在传感器元件的中间)比在传感器元件的边缘处的位置14处小。由此导致两个导体La和Lb的距离缩小。距离的这种缩小例如可以通过利用软件技术进行重新校准来简单地抵消，只要这种缩小完全由于传感器元件的弯曲导致。
对传感器数据的分析以电子的方式进行。自特定的第一阈值G1起检测到接近，并且自更大的第二阈值G2起(参见图8)检测到碰撞。因此，关于时间t例如连续地采集或者观察电容C。在本示例中，对象接近传感器元件或传感器装置，并且最终与其发生碰撞。因为传感器元件的电容仅仅由于对象接近不会超过特定的最大值(大约为第一阈值G1)，因此自测量值增大超过该最大值起，可以可靠地称为碰撞。分析装置可以关于此对与传感器元件的电容相关的测量值自动执行分析。其可以输出对应的接近信号，接近信号例如可以与对象到传感器装置的距离连续地有关，或者也可以是单纯的二进制值。在极端的示例中，第一阈值G1为0，并且从一开始就示出对象的任意接近。
当测量值超过第二阈值G2时，分析装置输出碰撞信号。该碰撞信号一般是二进制信号。
通过根据本发明的传感器装置的构造，通过覆盖传感器的整个电容区域的分析电子设备能够实现首先故障识别。特别是因此能够提供针对接近和碰撞的简单并且可靠的传感器装置。
在一个具体的应用示例中，即使对于快速行驶的系统也能够实现所谓的“Not-Aus(紧急停止)”，因为分析通过该电路以例如每秒1000个样本显示是没有问题的。由此能够实现1ms的分辨率，并且即使快速行驶的系统也能够尽早识别，以便能够在发生碰撞之前进行制动。
上面描述的传感器装置在单个传感器中组合了碰撞避免技术(以电容式预见的方式)和首先故障安全的碰撞识别。但是其还可以通过降低故障的危险来得到改善。因此，可通过测量值的突然改变来识别例如短路和断线，如图9至11所示出的。也就是说，如果在屏蔽线中存在断线，则测量值立即向上跳变，如图9所示。相反，在信号线断线时，测量值向下跳变，如在图10中所示出的。最后，在发生短路时，根据图11，测量值同样向下跳变。
由此，一方面通过接近传感机构的测量系统中的碰撞识别得到更高的安全性保证，另一方面得到可靠地识别故障的可能性。如果要将系统设计为进一步更故障安全，或者对传感器机构的校准不允许进行这种类型的故障识别，则也可以使用根据图12的另一个测量系统。在此，分析装置具有两个测量单元A和B。经由测量单元A，如上面所描述的，测量电容，同时第二测量单元B检查电阻Rdb。其经由传感器元件15借助线电阻为R1的双芯线与测量单元A和测量单元B并联连接。测量单元A在此经由两个电容器Cs仅交流连接到传感器元件。传感器元件15基本上由图4的等效电路图表示。在此，电容Ck,Cm和Ca的并联电路由绝缘体层3的并联的欧姆电阻Ri进行补充。该并联电路经由欧姆导体迹线电阻Rb与导线6串联连接，导线6和另一个导线7引向两个测量单元A和B。电阻Rdb位于两个导线6和7之间。
在传感器元件断线时，测量的电阻将变为无穷大。相反，在发生短路时，实际上不再能够测量到电阻。
在预见性的电容测量受影响(例如由于污染或者一些材料、例如塑料由原理决定地不能被检测到)的情况下，可靠的碰撞识别仍然总是正常运行，因为其独立于外部的影响。
附加地，如结合图13所说明的，可以经由对电容(不断增大的接近电容，碰撞电容不增大)进行分析，来确定采集空间的污染16。在图13的示例中，选择了图6的结构。由于污染16，相对介电常数εr增大，这导致测量的电容的对应地恒定的变化。在技术上由于污染在任何情况下在接近传感器内部都得到电容的变化。由此，通过对应地进行分析，能够排除由于污染引起的传感器的故障。

Claims (10)

1.一种用于识别对医疗设备的接近的传感器装置，
其特征在于，
-具有能压缩的绝缘体层(3)的电容式传感器元件(15)，绝缘体层(3)在第一表面上具有第一导体迹线布置(1)，并且在与第一表面相对的第二表面上具有第二导体迹线布置(2)，其中，导体迹线布置(1,2)中的每一个分别在导体迹线段之间具有一个或更多个间隙，以及
-分析装置，用于重复采集传感器元件(15)的电容值，其中，
-分析装置被构造为，当相应的电容值达到或者超过预先给定的第一阈值(G1)时，输出接近信号，并且当相应的电容值达到或者超过大于第一阈值的预先给定的第二阈值(G2)时，输出碰撞信号。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，第一导体迹线布置(1)具有多个第一导体迹线，并且第二导体迹线布置(2)具有多个第二导体迹线，以及其中，所有第一导体迹线在至少一个方向上与绝缘体层的主延伸平面平行地以相对于所有第二导体迹线移位的方式布置。
3.根据权利要求2所述的传感器装置，其中，所有第一和第二导体迹线在传感器元件(15)的主作用区域中彼此间至少部分平行。
4.根据权利要求2或3所述的传感器装置，其中，一方面第一导体迹线在绝缘体层的主延伸平面上的垂直投影与另一方面第二导体迹线在主延伸平面上的垂直投影在任何情况下触碰、但是不重叠。
5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，分析装置具有热敏电阻，用于对接近信号或者碰撞信号进行温度补偿。
6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，在第一导体迹线布置(1)上布置能变形的保护层。
7.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，分析装置被构造为，识别所采集的电容值关于时间的突然改变，并且产生关于此的故障信号。
8.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，分析装置被设计为，测量第一和/或第二导体迹线布置(1,2)的电阻。
9.一种医疗设备，其具有围板(8)和/或支撑体元件(9)，其中，将根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置固定在围板(8)和/或支撑体元件(9)上。
10.一种用于识别对医疗设备的接近的方法，
其特征在于，
-重复采集具有能压缩的绝缘体层(3)的电容式传感器元件的电容值，绝缘体层(3)在第一表面上具有第一导体迹线布置(1)，并且在与第一表面相对的第二表面上具有第二导体迹线布置(2)，其中，导体迹线布置(1,2)中的每一个分别在导体迹线段之间具有一个或更多个间隙，以及
-当相应的电容值达到或者超过预先给定的第一阈值(G1)时，产生接近信号，并且当相应的电容值达到或者超过大于第一阈值(G1)的预先给定的第二阈值(G2)时，产生碰撞信号。
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