DE102008046348A1

DE102008046348A1 - Verfahren, Gerät und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt zur rechnergestützten Bahnplanung eines bewegbaren Geräts, insbesondere eines medizinischen Geräts

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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Bahnplanung eines bewegbaren Geräts (1), insbesondere eines medizinischen Geräts, in einem Raumbereich (R). In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Bahnen des bewegbaren Geräts (1) in geeigneter Weise mit Hilfe von Risikovolumina charakterisiert, welche bei der Bewegung des Geräts entlang einer jeweiligen Bahn das Risiko von Kollisionen mit anderen Objekten beschreiben. Aus den Risikovolumina wird ein Gesamtrisiko einer Kollision des bewegbaren Geräts (1) mit Objekten im Raumbereich (R) bestimmt und, basierend auf einem Optimierungsverfahren, welches als ein Optimierungsziel ein minimales Kollisionsrisiko enthält, werden rechnergestützt optimale Bahnen bestimmt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird bei der Bahnplanung ferner die Anordnung von Sensoren zur Detektion von Objekten berücksichtigt, so dass das Verfahren ferner auch eine optimale Sensorganordnung ausgibt. Basierend auf den optimalen Bahnen bzw. der optimalen Sensoranordnung kann das Gerät im Betrieb geeignet bewegt werden, um hierdurch das Risiko von Kollisionen möglichst gering zu halten. Ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Bewegung von medizinischen Geräten, beispielsweise einer Röntgeneinrichtung in der Form eines C-Bogens.

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.
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.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegung eines bewegbaren Geräts rechnergestützt derart zu planen, dass Kollisionen mit anderen Objekten gering gehalten werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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.
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.
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 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 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 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 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.
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.
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.
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
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;
2 bis 4 Seitenansichten eines C-Bogens zur Erläuterung der von dem C-Bogen bei unterschiedlichen Bewegungen durchquerten Transversalvolumina; und
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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:
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:
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:
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
Ohne Berücksichtigung der Sensoranordnung bei der Optimierung kann das Minimum für jeden Repräsentanten einzeln gebildet werden, d. h. es gilt:
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.
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.
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.
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)))
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).
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.
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:
Nach Umstellung des mittleren Faktors lautet das Gesamtrisiko dann wie folgt:
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur rechnergestützten Bahnplanung eines bewegbaren Geräts (1), insbesondere eines medizinischen Geräts, in einem Raumbereich (R), bei dem: – der Raumbereich (R) durch ein oder mehrere Aktivitätsvolumina charakterisiert wird, welche jeweils die räumliche Ausdehnung zumindest eines Teils des Raumbereichs (R) und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen in dem zumindest einen Teil des Raumbereichs (R) umfassen; – ein oder mehrere Gruppen von Bahnen des bewegbaren Geräts (1) im Raumbereich (R) vorgegeben sind, wobei eine jeweilige Bahn durch eine Mehrzahl von Transversalvolumina (V1, ..., V10) beschrieben wird, wobei ein Transversalvolumen (V1, ..., V10) zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Bewegung des Geräts (1) auf der Bahn das Volumen umfasst, welches das Gerät (1) ab dem jeweiligen Zeitpunkt in einem Zeitraum eines Anhalte- und/oder Ausweichmanövers neu durchqueren wird; – für eine jeweilige Bahn eine Mehrzahl von Risikovolumina ermittelt wird, wobei ein Risikovolumen die räumliche Ausdehnung des Schnitts zwischen einem jeweiligen Aktivitätsvolumen und einem jeweiligen Transversalvolumen (V1, ..., V10) der Bahn sowie die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen gemäß dem jeweiligen Aktivitätsvolumen umfasst; – in Abhängigkeit von den Risikovolumina der jeweiligen Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen ein Gesamtrisiko einer Kollision des Geräts (1) mit Objekten im Raumbereich (R) ermittelt wird und mit Hilfe eines Optimierungsverfahren ein gemäß einem oder mehreren Zielen optimaler Satz von Bahnen umfassend jeweils eine Bahn aus jeder Gruppe von Bahnen bestimmt wird, wobei zumindest eines der Ziele ein minimales Gesamtrisiko ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch jede Gruppe von Bahnen eine durch das Gerät (1) durchzuführende Funktion charakterisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Gesamtrisiko die relative Häufigkeit der Verwendung von Bahnen aus den Gruppen von Bahnen berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Transversalvolumen (V1, ..., V10) ferner einen oder mehrere Geschwindigkeitsvektoren umfasst, welche die Geschwindigkeit und Richtung des Geräts (1) beim Durchqueren des Transversalvolumens (V1, ..., V10) beschreiben, wobei ein Risikovolumen ferner den oder die Geschwindigkeitsvektoren des Transversalvolumens (V1, ..., V10) umfasst, aus dem das Risikovolumen durch Schnitt mit einem Aktivitätsvolumen hervorgeht.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem für einen jeweiligen Objekttyp eine Schadenshöhe einer Kollision des Objekttyps mit dem Gerät (1) in Abhängigkeit von dem oder den Geschwindigkeitsvektoren der jeweiligen Risikovolumina definiert ist, wobei das Gesamtrisiko die Schadenshöhen für die Risikovolumina der jeweiligen Bahnen derart berücksichtigt, dass das Gesamtrisiko bei größeren Schadenshöhen größer wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Optimierungsverfahren Parameter einer Sensoranordnung umfassend einen oder mehreren Sensoren (7, 8, ..., 12) im Raumbereich (R) berücksichtigt, wodurch das Optimierungsverfahren ferner die Parameter einer im Hinblick auf das oder die Ziele optimalen Sensoranordnung ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein jeweiliger Sensor (7, 8, ..., 12) der Sensoranordnung durch eine Detektionswahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Objekttypen charakterisiert ist, wobei die Detektionswahrscheinlichkeit vorzugsweise von dem Ort und/oder der Geschwindigkeit des jeweiligen Objekttyps relativ zu dem Sensor (7, 8, ..., 12) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem für eine jeweilige Bahn eine Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit für einen oder mehrere Objekttypen aus den einzelnen Detektionswahrscheinlichkeiten ermittelt wird, wobei die Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit der jeweiligen Bahnen als Parameter in dem Gesamtrisiko berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem in dem Gesamtrisiko ein Schadenminderungsfaktor enthalten ist, der eine Reduzierung der Schadenshöhe bei der Detektion eines Objekts durch die Sensoranordnung modelliert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Sensoranordnung einen oder mehrere aktiv entfernungsmessende Sensoren (7, 8, ..., 12), insbesondere einen oder mehrere Laserscanner und/oder aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die Sensoranordnung Sensoren (11, 12) am Gerät (1) und/oder ortsfest im Raumbereich (R) angebrachte Sensoren (7, ..., 10) umfasst, wobei die Detektionswahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Objekttypen für einen Sensor (11, 12) am Gerät (1) von der Befestigungsposition des Sensors (11, 12) am Gerät (1) und der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich das Gerät (1) bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem die Sensoranordnung durch Einstellparameter von an vorbestimmten Positionen angeordneten Sensoren (7, 8, ..., 12) parametrisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem für basierend auf den Parametern der Sensoranordnung ein Kostenaufwand ermittelbar ist, wobei ein weiteres Ziel des Optimierungsverfahrens ein minimaler Kostenaufwand ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Optimierungsverfahren ein analytisches Optimierungsverfahren umfasst, insbesondere ein Newton-Verfahren oder ein Verfahren basierend auf konjugierten Gradienten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Optimierungsverfahren ein probabilistisches Optimierungsverfahren umfasst, insbesondere einen genetischen Algorithmus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bewegung eines medizinischen Geräts (1) in einem Behandlungsraum (R) geplant wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das medizinische Gerät (1) eine Röntgeneinrichtung ist, insbesondere ein C-Bogen.
Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
Bewegbares Gerät, insbesondere medizinisches Gerät, wobei der optimale Satz von Bahnen, welcher mit einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17 ermittelt wurde, in einem Speicher des Geräts (1) hinterlegt ist, um das Gerät im Betrieb basierend auf dem optimalen Satz von Bahnen zu bewegen.
Gerät nach Anspruch 19, wobei ferner die optimale Sensoranordnung, welche mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13 ermittelt wurde, in dem Speicher hinterlegt ist und/oder Sensoren am Gerät (1) gemäß der optimalen Sensoranordnung angeordnet sind, um das Gerät im Betrieb basierend auf dem optimalen Satz von Bahnen und der optimalen Sensoranordnung zu bewegen.