DE102008046346A1 - Spatial region i.e. medical treatment room, monitoring method for X-ray device, involves developing three-dimensional environment model from spatial points, where model specifies space volumes occupied by objects within spatial region - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines räumlichen Bereichs, insbesondere des Umfelds eines bewegbaren medizinischen Geräts.The The invention relates to a method and a device for monitoring a spatial Area, in particular the environment of a movable medical Device.
In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten besteht das Erfordernis, räumliche Bereiche mit darin befindlichen Geräten zu überwachen, um beispielsweise Kollisionen zwischen den Geräten und weiteren Gegenständen im Raum bzw. dem Bedienpersonal zu vermeiden.In a variety of technical fields of application there is the requirement spatial areas with devices in it to monitor for example, collisions between the devices and other objects in the Room or the operator to avoid.
Im Bereich der Medizintechnik kommen vermehrt medizinische Geräte zum Einsatz, welche bei der Durchführung von Diagnostik bzw. Therapie automatisiert oder teilautomatisiert Bewegungen ausführen. Hierbei tritt im Besonderen das Problem auf, dass aufgrund der hohen Dynamik in medizinischen Behandlungsräumen, z. B. aufgrund von Bewegungen des Behandlungspersonals bzw. des Patienten, vermehrt Störeinflüsse auftreten, welche Kollisionen des sich bewegenden medizinischen Geräts mit Personen oder Gegenständen verursachen können.in the Medical devices are increasingly being used in medical devices which in the implementation of diagnostics or therapy automated or semi-automated Perform movements. In particular, the problem arises that due to the high Dynamics in medical treatment rooms, eg. B. due to movements the treatment staff or the patient, more and more disturbances occur, which collisions of the moving medical device with persons or objects can cause.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, welche schnell und zuverlässig einen gefährdeten Bereich überwachen.Therefore the invention has the object, a method and a To imagine a device that quickly and reliably vulnerable Monitor area.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 oder durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 18 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.These The object is achieved by the method according to claim 1 or by the device according to claim 18 solved. Further developments of the invention are in the dependent claims played.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einer Mehrzahl von aktiv entfernungsmessenden Erfassungsmitteln der zu überwachende räumliche Bereich dreidimensional erfasst. Aus dem erfassten räumlichen Bereich wird dann rechnergestützt ein dreidimensionales Umgebungsmodell erstellt, welches durch ein oder mehrere Objekte belegte Raumvolumina im räumlichen Bereich spezifiziert. Unter aktiv bzw. direkt entfernungsmessenden Erfassungsmitteln sind dabei solche Erfassungsmittel zu verstehen, welche aktiv ein Signal aussenden und wieder empfangen, wobei aus der Veränderung des Signals durch Reflexion oder Streuung an Objekten bzw. aus der Laufzeit des ausgesendeten und wieder empfangenen Signals die Entfernung zu Objekten bestimmt wird. Das Signal kann dabei beliebig ausgestaltet sein, es kann sich insbesondere um elektromagnetische Wellen (z. B. Licht im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich) oder um Schallwellen (insbesondere Ultraschallwellen) handeln.In the method according to the invention is provided with a plurality of actively ranging measuring means the one to be monitored spatial area captured in three dimensions. From the detected spatial area is then computer-aided created a three-dimensional environment model, which by a or more objects specified volume volumes in the spatial area specified. Under active or direct distance measuring detection means are to understand such detection means, which actively a signal send out and receive again, taking out the change the signal by reflection or scattering on objects or from the Runtime of the transmitted and received signal the distance is determined to objects. The signal can be configured arbitrarily, In particular, it may be electromagnetic waves (eg light in the visible or invisible area) or sound waves (in particular ultrasonic waves) act.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass durch die Verwendung von mehreren aktiv entfernungsmessenden Erfassungsmitteln, welche beispielsweise in Arrays angeordnet sein können, zuverlässig und schnell dreidimensionale Raumpunkte bestimmt werden können, so dass die Belegung des Raums durch Objekte nicht mit rechenaufwändigen Verarbeitungsschritten aus unsicheren Messdaten ermittelt zu werden braucht. Auf diese Weise wird eine Erstellung eines genauen dreidimensionalen Umgebungsmodells in kurzer Rechenzeit gewährleistet.The inventive method has the advantage that through the use of several active distance measuring Detecting means, which may be arranged in arrays, for example can, reliable and three-dimensional space points can be determined quickly, so that the occupancy of the space by objects is not with computationally intensive processing steps from uncertain measurement data needs to be determined. In this way will be a creation of a precise three-dimensional environment model guaranteed in a short computing time.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als aktiv entfernugnsmessende Erfassungsmittel vorzugsweise eine oder mehrere aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras und/oder ein oder mehrere schwenkbare Laserscanner und/oder ein oder mehrere Ultraschallsensoren verwendet. Beispielsweise können entfernungsmessende Kameras der Firma MESA, z. B. das Modell SR 3000, oder zweidimensionale Laserscanner, z. B. das Modell URG 04-LX der Firma Hokuyo oder das Modell LMS 200 der Firma Sick, eingesetzt werden. Die dreidimensionale Umgebungserfassung wird bei zweidimensionalen Laserscannern durch einen Schwenkantrieb der Laserscanner erreicht, wodurch die Scannebene des Laserscanners im Raum bewegt wird und dadurch der Raum dreidimensional vermessen wird.In the method according to the invention are preferably used as active distance measuring detection means one or more actively distance-measuring 3D cameras and / or one or more pivotable laser scanners and / or one or more Ultrasonic sensors used. For example, distance-measuring cameras the company MESA, z. As the model SR 3000, or two-dimensional Laser scanner, z. Example, the model URG 04-LX Hokuyo or the Model LMS 200 from Sick. The three-dimensional Environment detection is performed on two-dimensional laser scanners achieved a pivot drive of the laser scanner, causing the scanning plane the laser scanner is moved in space and thus the space is three-dimensional is measured.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest ein Teil des räumlichen Bereichs, insbesondere der gesamte räumliche Bereich, durch aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras erfasst, und zusätzlich wird ein Teilbereich des räumlichen Bereichs durch einen schwenkbaren Laserscanner erfasst. Auf diese Weise können Teilbereiche, in denen ein hoher Bedarf einer genauen Umgebungsmodellierung besteht, nochmals gesondert durch einen Laserscanner erfasst werden, wodurch die Genauigkeit des Umgebungsmodells in diesen Teilbereichen erhöht wird. Solche Teilbereiche sind insbesondere Bereiche, in denen eine erhöhte Aktivität durch Bewegung von Objekten bzw. Personen vermutet wird.In a preferred embodiment will be at least part of the spatial Area, in particular the entire spatial area, by actively distance-measuring 3D cameras captured, and in addition becomes a subarea of the spatial Area detected by a pivotable laser scanner. To this Way you can Subareas where there is a high need for accurate environment modeling exists, be recorded separately again by a laser scanner, ensuring the accuracy of the environment model in these subareas elevated becomes. Such subregions are in particular areas in which a increased activity is suspected by movement of objects or persons.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten aktiv entfernungsmessenden Erfassungsmittel können beliebig im Raum angeordnet sein. Insbesondere können sie ortsfest im Raum befestigt sein. Jedoch besteht auch die Möglichkeit, zumindest einen Teil der Erfassungsmittel an einem oder mehreren bewegbaren Geräten im Raum anzuordnen. Dadurch können insbesondere auch Bereiche der räumlichen Umgebung erfasst werden, welche in bestimmten Positionen des bewegbaren Geräts nicht durch ortsfest angeordnete Erfassungsmittel gesehen werden können, da sie durch das bewegbare Gerät abgeschattet sind.The in the process according to the invention Active distance-measuring detection means used can be arbitrary be arranged in the room. In particular, they can be fixed in place in the room. However, there is also the possibility at least part of the detection means at one or more movable devices to arrange in the room. Thereby can especially areas of spatial Surroundings are detected, which in certain positions of the movable equipment not be seen by stationary detection means can, as they pass through the movable device are shadowed.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird auch die Dynamik des räumlichen Bereichs erfasst, was durch eine zeitlich kontinuierliche Überwachung erreicht wird. Das heißt, der räumliche Bereich wird als Bildstrom aus zeitlich aufeinander folgenden Bildern erfasst, wobei der Begriff Bildstrom weit auszulegen ist und jede Art von dreidimensionalen Messdaten, insbesondere Videobilder bzw. Messpunkte eines Laserscanners, umfassen kann.In a particularly preferred embodiment, the dynamics of the spatial area is detected, which is characterized by a temporally continuous Monitoring is achieved. That is, the spatial area is detected as an image stream of temporally successive images, wherein the term image stream is to be interpreted broadly and may include any type of three-dimensional measurement data, in particular video images or measurement points of a laser scanner.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert jedes aktiv entfernungsmessende Erfassungsmittel in einem jeweiligen Teilabschnitt des räumlichen Bereichs die durch ein oder mehrere Objekte belegten Raumvo lumina mit einer Detektionswahrscheinlichkeit, wobei unter Berücksichtigung der Detektionswahrscheinlichkeiten aller Erfassungsmittel Raumvolumina im dreidimensionalen Umgebungsmodell als belegt spezifiziert werden. Hierdurch wird eine geeignete Verrechnung der unterschiedlichen Messdaten der Erfassungsmittel unter Berücksichtigung ihrer Detektionswahrscheinlichkeiten erreicht. Ein Raumvolumen kann dabei beispielsweise dann als belegt identifiziert werden, wenn die Detektionswahrscheinlichkeit für dieses Raumvolumen zumindest für ein Erfassungsmittel bzw. für mehrere Erfassungsmittel einen vorgegebenen Wert überschreitet.In a further embodiment the method according to the invention Detects each actively distance-measuring detection means in one respective subsection of the spatial Area with the occupied by one or more objects Raumvo lumina with a detection probability, taking into account the detection probabilities of all detection means room volumes specified as occupied in the three-dimensional environment model. This will be a suitable settlement of the different Measurement data of the detection means taking into account their detection probabilities reached. For example, a room volume can then be occupied be identified if the detection probability for this Room volume at least for a detection means or for several detection means exceeds a predetermined value.
Die einzelnen Raumvolumina im dreidimensionalen Umgebungsmodell können beliebig ausgestaltet sein, vorzugsweise werden sie als quaderförmige Zellen spezifiziert. Um Speicherplatz zu sparen, können gegebenenfalls nicht belegte Raumvolumina in dem Umgebungsmodell zu einem Raumvolumen zusammengefasst werden.The individual room volumes in the three-dimensional environment model can be arbitrary be configured, preferably they are cuboidal cells specified. In order to save space, may be unoccupied Room volumes in the environment model combined into a room volume become.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die belegten Raumvolumina im dreidimensionalen Umgebungsmodell mit dreidimensionalen Objekttypen aus einer Datenbank verglichen, um basierend auf dem Vergleichsergebnis den Raumvolumina Objekte zuzuordnen. Auf diese Weise kann rechnergestützt eine Szenenbeschreibung der Umgebung erhalten werden, welche beispielsweise zur Überwachung von Kollisionen genutzt werden kann.In a particularly preferred embodiment the invention, the occupied space volumes in the three-dimensional Environment model with three-dimensional object types from a database compared to the room volumes based on the comparison result Assign objects. In this way, computer-aided Scene description of the environment can be obtained, which for example for monitoring can be used by collisions.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Raumbereich ein bewegbares Gerät überwacht, wobei die durch das Gerät belegten Raumvolumina in dem dreidimensionalen Umgebungsmodell identifiziert werden. Diese Identifikation kann beispielsweise basierend auf dem oben beschriebenen Vergleich der Raumvolumina mit Objekttypen aus einer Datenbank durchgeführt werden, wobei die Datenbank das Gerät als Objekttyp enthält. Basierend auf einer derartigen Identifikation eines bewegbaren Geräts kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Kollisionsrisiko zwischen dem bewegbaren Gerät und weiteren Objekten im Umgebungsmodell ermittelt werden. Das ermittelte Kollisionsrisiko kann Werte in einem kontinuierlichen Wertebereich oder in einem diskreten Wertebereich annehmen, wobei die Werte eine Aussage ermöglichen, wie hoch das Risiko der Kollision ist. Beispielsweise kann eine Zunahme oder Abnahme des Werts eine Zunahme des Kollisionsrisikos repräsentieren. Gegebenenfalls ist es möglich, dass das Kollisionsrisiko auch nur zwischen den Zuständen „vorhandene Kollisionsgefahr” und „nicht vorhandene Kollisionsgefahr” unterscheiden kann.In a particularly preferred embodiment the method according to the invention is monitored in the space area, a movable device, which by the Device occupied Room volumes identified in the three-dimensional environment model become. This identification may be based on the Comparison of the volume volumes described above with object types a database with the database containing the device as an object type. Based on Such identification of a movable device can in a preferred embodiment of Invention a risk of collision between the movable device and others Objects in the environment model. The determined collision risk can be values in a continuous value range or in one assume discrete value range, the values allow a statement, such as high the risk of collision. For example, an increase or decrease in value represents an increase in collision risk. If necessary, it is possible that the collision risk also exists only between the states "existing Risk of collision "and" not existing collision hazard "differ can.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das ermittelte Kollisionsrisiko derart ausgestaltet, dass es umso größer ist, je geringer ein Abstandsmaß zwischen dem Gerät und dem oder den weiteren Objekten im Raum ist. Das Abstandsmaß kann beispielsweise der sich aus dem Umgebungsmodell ergebende geringste Abstand zwischen Objekt und Gerät sein.In a particularly preferred embodiment the determined collision risk is designed such that it the bigger, the smaller a distance measure between the device and the one or more other objects in the room. The distance measure can, for example the smallest distance between object resulting from the environment model and device be.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Ermittlung des Kollisionsrisikos ferner die zukünftige Bewegungsrichtung des Geräts und/oder des oder der weiteren Objekte im Raum ermittelt. Dabei wird eine Kollisionsgefahr festgestellt, wenn unter der Annahme einer Weiterbewegung des Geräts und/oder des oder der weiteren Objekte in einer bestimmten Zeitspanne eine Kollision auftritt. Dabei wird insbesondere auch die Geschwindigkeit der Bewegung der Objekte bzw. des Geräts berücksichtigt. Die zukünftige Bewegungsrichtung kann auf verschiedene Arten ermittelt werden. Insbesondere kann sie aus der aktuellen und/oder vergangenen Bewegungsrichtung des Geräts und/oder des oder der Objekte bestimmt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die zukünftige Bewegungsrichtung aus Informationen über die durchzuführende Bewegung des Geräts und/oder des oder der weiteren Objekte zu ermitteln. Dabei können insbesondere Informationen aus der Steuerung des Geräts betreffend die durchzuführende Bewegung ausgelesen werden.In a particularly preferred embodiment The invention is further used in determining the risk of collision the future Direction of movement of the device and / or one or more objects in space. there there is a risk of collision if assumed a further movement of the device and / or the one or more other objects in a certain period of time Collision occurs. This is especially the speed the movement of the objects or of the device. The future direction of movement can be determined in several ways. In particular, can from the current and / or past movement direction of the equipment and / or the object (s). It exists, however also the possibility the future Direction of movement Information about the movement to be performed of the device and / or one or more objects. It can in particular Information from the control of the device regarding the movement to be performed be read out.
Im Falle, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kollisionsgefahr festgestellt wird bzw. das Kollisionsrisiko ein vorbestimmtes Maß überschreitet, können geeignete Maßnahmen zur Vermeidung der Kollision getroffen werden. Beispielsweise kann ein Alarm ausgegeben werden, der das Bedienpersonal informiert, woraufhin das Bedienpersonal das Gerät stoppen kann. Ebenso kann die Bewegung des Geräts automatisch angehalten werden. Ferner kann das Gerät gegebenenfalls eine Ausweichbewegung zur Kollisionsvermeidung ausführen.in the Case that with the method according to the invention a risk of collision is determined or the risk of collision exceeds a predetermined level, can appropriate measures to avoid collision. For example, can an alarm is issued informing the operator, whereupon the operator can stop the device. Likewise the movement of the device be automatically stopped. Furthermore, the device may optionally execute an evasive movement for collision avoidance.
Der bevorzugte Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Überwachung eines medizinischen Behandlungsraums mit zumindest einem darin angeordneten bewegbaren medizinischen Gerät, wie z. B. einer Röntgeneinrichtung. Die Röntgeneinrichtung kann dabei insbesondere ein C-Bogen sein, der weiter unten noch näher beschrieben wird.The preferred field of application of the method according to the invention is the monitoring of a medical treatment room with at least one movable medical device arranged therein, such. B. an X-ray device. The X-ray device may in particular be a C-arm, which will be described in more detail below.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Überwachen eines räumlichen Bereichs, insbesondere des Umfelds eines bewegbaren medizinischen Geräts. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von aktiv entfernungsmessenden Erfassungsmitteln zur dreidimensionalen Erfassung des räumlichen Bereichs. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche aus dem erfassten räumlichen Bereich ein dreidimensionales Umgebungsmodell erstellt, welches durch ein oder mehrere Objekte belegte Raumvolumina im räumlichen Bereich spezifiziert. Die Vorrichtung ist dabei insbesondere derart ausgestaltet, dass jede der oben beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar ist.Next In the method described above, the invention further relates to a Device for monitoring a spatial Area, in particular the environment of a movable medical device. The Device comprises a plurality of active distance measuring Detection means for the three-dimensional detection of the spatial Range. About that In addition, an evaluation unit is provided which from the detected spatial Area created a three-dimensional environment model, which Spatial volumes occupied by one or more objects in space Range specified. The device is in particular such designed such that each of the above-described variants of the method according to the invention feasible with the device is.
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nachfolgend an dem Beispiel eines medizinischen Interventionsraums
R beschrieben, der in Draufsicht in
In
dem Behandlungsraum R ist ein Patiententisch
Der
Behandlungsraum wird durch ein Array von insgesamt vier aktiv entfernungsmessenden 3D-Kameras
Die
einzelnen Kameras sind mit einer entsprechenden Auswerteeinheit
Das
erzeugte dreidimensionale Umgebungsmodell wird durch die Auswerteeinheit
In einer Ausführungsform ist der durch die Kameras bzw. Sensoren erfasste Raumbereich unterteilt in im Wesentlichen gleich große Raumvolumina in der Form von Quadern. Aus jeder Messung eines direkt entfernungsmessenden Sensors wird dabei unmittelbar erfasst, in welchen Quadern sich das die Messung verursachende Objekt bzw. seine Oberfläche mit welcher Wahrscheinlichkeit befindet. Darüber hinaus erhält man eine Aussage darüber, welche Quader im Raum mit welcher Wahrscheinlichkeit nicht belegt sind. Durch Verrechnen all dieser Informationen, welche von den verschiedenen aktiv entfernungsmessenden Sensoren im Raum erfasst werden, wird schließlich eine zuverlässige Aussage darüber erhalten, wo sich im dreidimensionalen Raum Objekte befinden. Um Speicherplatz zu sparen, können gegebenenfalls benachbarte freie (d. h. nicht mit Objekten belegte) Quader zu einem größeren Quader zusammengefasst werden.In an embodiment the space area detected by the cameras or sensors is subdivided in essentially the same size Volume volumes in the form of cuboids. From each measurement one directly Distance measuring sensor is detected directly, in which cubes the object causing the measurement or its surface with what probability is. In addition, you get one Statement about Which cuboid in the room with which probability is not occupied are. By clearing all this information, which of the various active distance-measuring sensors detected in the room eventually becomes one reliable Statement about it receive where objects are in three-dimensional space. Around Can save space possibly adjacent free (ie not occupied with objects) Cuboid to a larger cuboid be summarized.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird berücksichtigt,
dass Personen und Objekte im Raum a-priori im Wesentlichen bekannt sind.
In dem medizinischen Interventionsraum gemäß
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere auch zur Kollisionsvermeidung eingesetzt werden.
Beispielsweise kann die Auswerteeinheit
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