DE102011089672A1 - Verfahren und Vorrichtung zur verlaufsorientierten Mehrfach-Bediendruckerkennung - Google Patents

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Abstract

Hintergrund der Erfindung Die Erfindung liegt auf den Gebieten der Medizintechnik und der medizinischen Informatik und betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur verlaufsorientierten Mehrfach-Bediendruckerkennung. Dies wird im Englischen und unter Computerfachkreisen auch als „history based“ (verlaufsorientiert) „multi touch“ (Mehrfachbediendruck z.B. durch einen Stift oder Finger auf einer Bedienoberfläche bzw. Touchscreen) bezeichnet. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die sogenannte self-capacitive Touch-Technologie um einen Algorithmus ergänzt wird, welcher durch die Auswertung der gelieferten Rohdaten (Messdaten der Zeilen und Spalten) unter einem zeitlichen Aspekt (Historie der Tastendrücke, Bewegungsvektor) zusätzliche Informationen extrahiert und damit eine Zuordnung der Rohdaten auf zwei Fingerbedienungen (R1, R2; B1, B2) zulässt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung liegt auf den Gebieten der Medizintechnik und der medizinischen Informatik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verlaufsorientierten Mehrfach-Bediendruckerkennung. Dies wird im Englischen und unter Computerfachkreisen auch als „history based“ (verlaufsorientiert) „multi touch“ (Mehrfachbediendruck z.B. durch einen Stift oder Finger auf einer Bedienoberfläche bzw. Touchscreen) bezeichnet.
  • Ein Anwendungsgebiet liegt auf dem Gebiet der Radiologie, bei dem üblicherweise computergestützte RIS-(Abkürzung für die englische Bezeichnung "Radiology Information System"), HIS (engl. Hospital Information System), KIS (Krankenhausinformationssystem) und PACS-(Abkürzung für die englische Bezeichnung "Picture Archiving and Communication System")Systeme zum Einsatz kommen. Die Radiologie basiert auf einer Bildakquisistion an unterschiedlichen Modalitäten, wie z. B. einem Computertomograph (CT), einem Magnetresonanztomograph (MRT), einem Positronenemissionstomograph (PET), einem Röntgengerät (X-Ray), oder einem Ultraschallgerät (US). Die genannten radiologischen Untersuchungsgeräte stellen den Bilddatensatz bereit. Bei dem Bilddatensatz handelt es sich in der Regel um einen Bildvolumendatensatz, welcher ein Volumenbild enthält, oder um einen Bildseriendatensatz, welcher eine Serie von Bildern enthält.
  • User Interfaces bei Healthcare und in der Industrie werden bisher mit sogenannten Touchscreen oder auch sogenannten Diskrete(on/off)-Tasten ausgerüstet.
  • Diese weisen eine berührungssensitive Anzeigeeinheit mit einem sog. Touchscreen auf. Dadurch können auf der Anzeigeeinheit ausgegebene und aktivierbare Eingabefelder oder Schaltflächen z.B. mit einem Finger bzw. mit einem Stift angewählt werden. Die aktivierbaren Eingabefelder können dabei relativ großflächig angeordnet werden, um ein schnelles, zielsicheres und müheloses Bedienen zu ermöglichen. Zur Dateneingabe von alphanumerischen Zeichen kann z.B. auch eine grafisch nachgebildete Tastatur auf der berührungssensitiven Anzeigeeinheit verwendet werden. Eine solche Nachbildung wird auch als Bildschirmtastatur bezeichnet.
  • Es gibt spezielle resistive Touchscreens mit der Möglichkeit einer Multitouchbedienung. Sie haben die Vorteile von resistiven Touches (Auslösung durch Druck). Jedoch liegt ein Nachteil darin, dass ein richtiger Druck ausgeübt werden muss, um eine Reaktion hervorzurufen.
  • Im Healthcare-Bereich werden vorwiegend resistive Touchscreen verwendet. Die Gründe dafür liegen in der frühen Verfügbarkeit von resistiven Touchscreens und ihrer hohen Robustheit, insbesondere auch gegen Verschmutzung. Wie in den 1A, 1B und 1C angedeutet, besteht der sogenannte resistive Touch aus zwei Folien F, welche mit leitfähigem ITO (indium tin oxide), gekennzeichnet mit ITO, beschichtet sind (siehe 1A). Das ITO hat einen Flächenwiderstand (Ohm/cm2). Die beiden ITO-Schichten werden durch sogenannte Spacer auseinandergehalten. Durch einen Druck werden die beiden ITO-Schichten zusammengedrückt. Dadurch ändern sich die vier Teilwiderstände (siehe 1B). Durch eine Messung der Widerstände kann der Druckpunkt ermittelt werden. Werden zwei Punkte R1, R2 gleichzeitig gedrückt, meldet der resistive Touch ein Ausgangssignal, das einen Tastendruck zwischen beiden realen Tastendrücken entspricht (siehe 1C). Daher ist er für Multitouch prinzipiell ungeeignet.
  • Ein Vorteil eines resistiven Touchscreens besteht darin, dass es mit Handschuhen bedienbar ist, da ihre Kontaktauslösung – wie vorstehend beschrieben – durch das Zusammendrücken zweier Folien erfolgt. Bei Healthcare-Anwendungen besteht explizit die Anforderung, dass eine Gerätebedienung auch bei einem Flüssigkeitsfilm auf dem Touchscreen möglich sein muss. Auftretende Flüssigkeiten können z.B. sein: NaCILösung, Blut, Ultraschallgel, Jodlösung und Wasser.
  • Die zunehmende Verbreitung von mobilen Geräten wie z.B. iPad, iPhone mit Multitouchbedienung erhöhen auch den Wunsch im Healthcare- bzw. Industriesektor, die dort gebräuchlichen Bedienungen auch in diesen Branchen verfügbar zu machen. Diese Multitouchbedienung stellt an den Touchscreen jedoch Anforderungen, welche mit bisherigen resistiven Touchscreens nicht zu erreichen sind. Diese Anforderungen sind z.B.:
    • • Gestenerkennung, d.h. Auswertung der Bewegung von einen oder zwei Fingern z.B. zum Rotieren, Scrollen, Zoomen.
    • • Unabhängige Erfassung von zwei oder mehr Drücken oder Bewegungen auf dem Touchscreen.
  • Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden kapazitive Touchscreens entwickelt. Diese Technologien werten jetzt keinen Druck, sondern die Veränderung von Kapazitäten oder Feldern aus, um die Position der Finger auf der Touchfolie zu ermitteln.
  • Da jedoch Wasser und andere leitfähige Flüssigkeiten, z.B. Salzlösung, die Kapazität und damit die Sensorik beeinflussen, ist die sichere Detektion der Position des Fingers und der Bedienhandlung dadurch beeinträchtigt. Bei resistiven Touchscreens gibt es dagegen keine Beeinträchtigung, da diese nur auf Druck reagieren.
  • Bei den kapazitiven Touchscreens sind prinzipiell zwei Verfahren möglich, wobei die Bezeichnungen herstellerabhängig sind. Die verwendeten Technologien sind jedoch ähnlich. Die möglichen Technologien sind:
  • a) Self-capacitive Touch:
  • Wie in den 2A, 2B und 2C angedeutet, besteht der sogenannte self-capacitive (selbst kapazitiven) Touch aus n Zeilen und m Spalten, welche aus leitfähigem ITO (indium tin oxide) auf einer Trägerfolie z.B. F aufgebracht sind (siehe 2A). Die Strukturen in einer realen Implementierung sind oft keine Linien, sondern können andere für die Erfassung optimierte, Strukturen sein. Der Controller misst jetzt sequentiell die Kapazität von Zeilen und Spaltenleitungen gegenüber einer virtuellen Masse (siehe 2B). Es stehen also n + m Messwerte zur Verfügung. Aus einer Veränderung der Kapazität durch einen Finger kann die Bedienung detektiert werden. Ein spezielles Verfahren ermöglicht hierbei die Unterdrückung der Zusatzkapazität des Wassers und auch eine Bedienung mit Flüssigkeitsfilm. Bei einem doppelten Tastendruck erkennt der Controller zwei Signale an den jeweiligen Koordination, es kann jedoch nicht ermittelt werden, ob auf die in der 2C angedeuteten roten bzw. hellen Positionen R1, R2 oder die blaue bzw. dunklen Positionen B1, B2 eine Bedienung erfolgte. Daher kann die Position von zwei Fingern nicht eindeutig detektiert werden kann.
  • b) Mutual-capacitive (wechselseitig kapazitiven) Touch:
  • Wie in den 3A, 3B und 3C angedeutet, der mutual-capacitive Touch besteht aus Zeilen und Spalten welche aus leitfähigem ITO auf einer Trägerfolie aufgebracht sind (siehe 3A). Die Strukturen in einer realen Implementierung sind oft keine Linien, sondern können andere, für die Erfassung optimierte, Strukturen sein. Der Controller legt jetzt sequenziell an alle Zeilen (oder Spalten) ein Hochfrequenzsignal an und misst, auf welchen Spalten (oder Zeilen) er aufgrund einer Bedienung ein Signal misst. In 3B ist gezeigt, wie zwei Bedienungen beim Scan einer Zeile durch die Kapazität auf zwei Spalten ein Signal generieren. In 3C ist dargestellt, dass beim Scan der roten Zeile auf der linken Spalte und beim Scan der blauen Zeile auf der rechten Spalte ein Signal generiert wird. Die beiden Bedienpunkte R1, B2 lassen sich dadurch eindeutig erfassen.
  • Mit anderen Worten ausgedrückt, wird bei einem sogenannten Mutual kapazitiven Touch ein Hochfrequenzsignal im Zeitmultiplexverfahren auf einer Zeilenleitung angelegt, welches über die Kapazität des Fingers auf eine Spaltenleitung übergekoppelt wird. Durch das Auswerten der bei jeder Zeilenleitung aktivierten Spaltenleitungen können die Position von mehreren Fingern gleichzeitig gemessen werden. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass Wasser das Messsignal sehr stark verfälscht und dadurch keine korrekte Erkennung der Fingerposition mehr möglich ist.
  • Neben der Möglichkeit von innovativen Bedienmöglichkeiten, welche sich durch Zweifinderbedienung ergeben, ergeben sich bei der Verwendung von kapazitiven Touchschnittstellen noch weitere Vorteile im Hinblick auf funktionale Sicherheit.
  • Bisher gibt es keine Lösung, Multitouchbedienung bei Flüssigkeitsfilmen zu realisieren. Deshalb wird bei aktuellen User Interfaces ein resistiver Touch eingesetzt und auf die Vorteile des Multitouch mit sicherheitsrelevanten Bedienungen verzichtet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Eigenschaften von User Interfaces insbesondere in Bezug auf Flüssigkeitsfilme zu verbessern.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Die Erfindung sieht eine Kombination eines kapazitiven und resistiven Touchscreens vor, um über eine Touchbedienung Bedienhandlungen mit Anforderungen an funktionaler Sicherheit durchzuführen. Dafür ist prinzipiell eine Einfachfingerbedienung am kapazitiven Touch ausreichend, welches durch den self-capacitive touch auch bei Anwesenheit von Flüssigkeitsfilmen garantiert wird.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die self-capacitive Touch-Technologie um einen Algorithmus angepaßt wird, welcher durch die Auswertung der gelieferten Rohdaten (Messdaten der Zeilen und Spalten) unter einem zeitlichen Aspekt bzw. unter Berücksichtung des Bedienverlaufs (Historie der Tasten- bzw. Stift- bzw. Fingerdrücke und/oder eines oder mehrerer Bewegungsvektoren) zusätzliche Informationen extrahiert und damit eine Zuordnung der Rohdaten auf zwei Fingerbedienungen zulässt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, vorzugsweise eine Bedienoberfläche, welche zur Durchführung des oben genannten Verfahrens hardwaremäßig und/oder softwaremäßig ausgebildet ist.
  • Die vorstehend genannten Weiterbildungen und Ausprägungen der Erfindung gelten für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das Verfahren History Based Multitouch kann zwar nicht die Qualität eines mutual-capacitive-Touchscreen bieten, ermöglicht bei Beschränkung auf eine Zweifingerbedienung aber in den allermeisten Fällen eine vergleichbare Funktionalität. Die Kombination von Multitouch mit resistivem Touch für sicherheitsrelevante Bedienungen erlaubt die Realisierung von sehr attraktiven und leistungsstarken User Interface. Damit ist auch das Problem der Wasserempfindlichkeit von Multitouchscreens gelöst. Multitouch und Wasserunempfindlichkeit werden in Einklang gebracht.
  • Die Einschränkungen auf zwei Fingern oder bei Fingerbewegung aus einer horizontalen oder vertikalen Linie heraus können beim Design des User Interface berücksichtigt werden.
  • Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. In der Zeichnung zeigen:
  • 1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 2C und 3A, 3B, 3C den eingangs erläuterten Stand der Technik,
  • 4A, 4B das erfindungsgemäße, verlaufsorientierte Multitouch bei gleichzeitiger Bedienung mit zwei Fingern, wobei ein Finger zuerst erkannt wird,
  • 5A, 5B und 5C das erfindungsgemäße, verlaufsorientierte Multitouch bei gleichzeitiger Bedienung mit zwei Fingern, wobei keine Fingererkennung durchgeführt werden kann und
  • 6A und 6B das erfindungsgemäße, verlaufsorientierte Multitouch bei gleichzeitiger Bedienung mit zwei Fingern, wobei für die Finger ein Bewegungsvektor bestimmt wird.
  • Wie eingangs dargestellt, ermöglicht der Stand der Technik von keiner der beiden kapazitiven Technologien die gleichzeitige Erfüllung der beiden Anforderungen:
    • • Ein sicherer Doppeltouch und
    • • eine zuverlässige Bedienung bei Flüssigkeitsfilmen.
  • Die Erfindung sieht folgende Lösung vor unter der Voraussetzung:
    • a) Die Anzahl der gleichzeitigen Bedienungen wird auf zwei reduziert, d.h. der Touch kann mit 2 Fingern unabhängig voneinander bedient werden.
  • Die Erfindung sieht einen sicheren Doppeltouch vor, also einer Kombination aus kapazitiven und resistivem Touch. Da ein Druck notwendig ist, braucht der resistive Touch immer eine „Unterlage“. Bei dem Doppeltouch gibt es schon einen resistiven Touch mit „Unterlage“, der zweite Touch muss jetzt „flexibel“ ohne „Unterlage“ sein. Demnach ist ein resistiver einfacher Touch vorgesehen, der nur mit einer Folie aufgebaut werden kann. Zusätzlich wird der kapazitive Touch verwendet, der den zweiten Touch ermöglicht. Kapazitive Touches kann man nur mit einer Folie aufbauen und dann mit dem resistiven Touch verbinden.
    • b) Beim absolut synchronen Berühren des Touches mit zwei Fingern gibt es Schwierigkeiten, die Position zu ermitteln.
  • Diese können jedoch in Kauf genommen werden, da
    zu a) für die meisten Anwendungen eine Bedienung mit zwei Fingern ausreichend ist und
    zu b) Durch die hohe Scanrate von > 50Hz von modernen Controllern die Wahrscheinlichkeit, das keine Position ermittelt werden kann, hinreichend selten ist und der Benutzer dann in der Regel einen zweiten Bedienversuch unternimmt. Durch die hohe Scanrate ist eine große Positionsänderung der Finger zwischen zwei Scannvorgängen normalerweise nicht möglich.
  • Aufgrund der Forderung nach Wasserunempfindlichkeit wird die self-capacitiv-Touchtechnologie verwendet.
  • Derzeitige Implementierungen betrachten bei der Positionsermittlung üblicherweise nur das aktuelle Signal des Controllers. Aufgrund der nicht eindeutigen Ermittlung der Position bei 2 Tastendrücken (siehe 2B) kann bei der Betrachtung nur des aktuellen Signals keine eindeutige Positionsaussage gewonnen werden.
  • Die Erfindung kann als History Based Multitouch (HBMT) bezeichnet werden, da sie neben dem aktuellen Signal auch die Historie, also den Verlauf des Signals, auswertet. Aufgrund der hohen Scanrate wird in der Regel auch bei gefühlter gleichzeitiger Bedienung mit zwei Fingern ein Finger zuerst vom Controller erkannt.
  • Wie z.B. in 4A angedeutet, wird diese Situation vom Controller eindeutig gemessen. Es zeigt sich nur ein Messsignal an einer Zeile und einer Spalte. Erfolgt jetzt die zweite Bedienung, so ergeben sich die zwei Messsignale auf den Spalte- und Zeilenleitungen (siehe 4B). Es sind jetzt prinzipiell zwei Tastendrücke möglich – die dargestellten blauen bzw. dunklen Punkte B1, B2 und die roten bzw. hellen Punkte R1, R2. Die möglichen Koordination liegen diagonal gegenüber. Da der Controller aus der ersten Messung (siehe 4A) jedoch den ersten Finger kennt, kann er jetzt eindeutig die Position des zweiten Fingers diagonal gegenüber ermitteln.
  • Das Verfahren funktioniert auch wieder beim Loslassen, da der Controller anhand der Messsignale zweifelsfrei erfassen kann, wie viele Finger den Touch berühren. Der Controller kann auch erkennen, wenn mehr als zwei Finger den Touch berühren und dann ein definiertes Fehlersignal generieren.
  • Bei dem Verfahren gibt es eine Zweifingerbedienung, wenn das Verfahren keine verlässliche Aussage generieren kann. Liegen zwei Finger in einer Spalte (oder einer Zeile bzw. Linie) – wie z.B. in 5A angedeutet –, so zeigt die Spaltenleitung (oder Zeilenleitung) nur auf einer Position, jedoch auf zwei Zeilenleitungen ein Signal. Wird jetzt ein Finger bewegt, so ergibt sich wieder die bereits erläuterte Situation mit zwei Signalen auf einer Spalte bzw. Zeile; es kann jedoch nicht bestimmt werden, welcher Finger bewegt wurde.
  • Die nicht durchführbare Fingerbestimmung wird jedoch vom Controller erkannt (Siehe Positionswechsel in Vergleich von 5A nach 5B oder nach 5C). Der nachfolgende Algorithmus kann angewendet werden.
  • Die Situation, dass bei einer Bedienung nur eine Zeilen- oder Spaltenleitung ein Signal liefert und danach wieder beide, lässt sich in den meisten Fällen dadurch lösen, dass für beide Bedienpunkte ein Bewegungsvektor bestimmt wird. Wenn sich diese Situation während einer Bedienhandlung ergibt und die Finger in "Bewegung sind", so lässt sich ermitteln, welche der beiden möglichen Varianten (siehe 5B oder 5C) richtig ist. Bei der ermittelten Bewegung der Finger, wie sie in 6A angedeutet ist, ist nur die Variante, wie sie in 6B angedeutet ist, als richtige Lösung möglich.
  • Dadurch verbleibt als einzige Bedienhandlung, welche nicht richtig detektiert werden kann, wenn der Bediener zwei Finger in der gleichen Spalte oder Zeile positioniert und erst danach mit der Bewegung beginnt. Diese Situation kann aber erkannt bzw. durch das Design des User Interfaces (in der Regel durch Anordnung der Bedienelemente) geregelt werden. Als Reaktion wird dann bei einer Bewegung keine Positionsänderung gemeldet.

Claims (12)

  1. Bedienvorrichtung mit einer berührungssensitiven Sensoranordnung, umfassend – ein flächig ausgeprägtes Element, wobei eine Oberfläche (F) des Elementes mit zumindest einer leitfähigen Schicht (ITO) versehen ist, – Mittel zur Erfassung mindestens einer Berührung der leitfähigen Schicht des Elements mit einem Berührungsmittel, – Mittel zur Positionsauswertung der mindestens einen Berührung und – Mittel zur Zuordnung der ausgewerteten Position zu einer der Position zugewiesenen Aktion, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf zweier sequentiell hintereinander erfassten Berührungen (R1, R2; B1, B2) zur Positionsauswertung verwendbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren leitfähigen Schichten diese voneinander so beabstandet angeordnet sind, dass bei Berührung einer Schicht ein Kontakt zu einer weiteren Schicht herstellbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erfassung wenigstens zweier gleichzeitigen Berührungen (R1, R2) eine Fehlermeldung ausgebbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht aus ITO besteht.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf durch einen Bewegungsvektor repräsentierbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berührungsmittel ein Finger und/oder Eingabestift sein kann.
  7. Verfahren zur Erfassung einer Bedienung einer Bedienvorrichtung mit einer berührungssensitiven Sensoranordnung, wobei die Sensoranordnung ein flächig ausgeprägtes Element aufweist, das mit einer Oberfläche (F) mit zumindest einer leitfähigen Schicht (ITO) versehen ist, aufweisend folgende Schritte: – Erfassung mindestens einer Berührung der leitfähigen Schicht des Elements mit einem Berührungsmittel, – Positionsauswertung der mindestens einen Berührung und – Zuordnung der ausgewerteten Position zu einer der Position zugewiesenen Aktion, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf zweier sequentiell hintereinander erfassten Berührungen (R1, R2; B1, B2) zur Positionsauswertung verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren leitfähigen Schichten diese voneinander so beabstandet angeordnet sind, dass bei Berührung einer Schicht ein Kontakt zu einer weiteren Schicht herstellbar ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erfassung wenigstens zweier gleichzeitigen Berührungen (R1, R2) eine Fehlermeldung ausgeben wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht aus ITO besteht.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf durch einen Bewegungsvektor repräsentiert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berührungsmittel durch einen Finger und/oder Eingabestift repräsentiert wird.
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