DE102015211965A1

DE102015211965A1 - Berührungslose Gerätesteuerung im medizinischen Sterilbereich

Info

Publication number: DE102015211965A1
Application number: DE102015211965.3A
Authority: DE
Inventors: Sören Kuhrt; Bastian Rackow; Stefan Reichelt
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2016-12-29
Also published as: CN106293056A; KR20170001630A; US20160378938A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungssystem zur Steuerung eines medizinischen Gerätes (30) unter Einhaltung von sterilen Bedingungen und ein Steuerungsverfahren. Das System umfasst eine tragbare Steuereinheit (111) mit zumindest einem Trägheitssensor (10), der dazu bestimmt ist, Beschleunigungsdaten eines Körperteils eines Benutzers zu erfassen. Die tragbare Steuereinheit (111) beinhaltet weiter eine drahtlose Schnittstelle (11) zur Übertragung der erfassten Beschleunigungsdaten an ein Umsetzmodul (20). Das Umsetzmodul (20) ist dazu bestimmt, die übertragenen Beschleunigungsdaten zu empfangen und in Instruktionen (I) umzusetzen, wobei die Instruktionen dazu dienen, das medizinische Gerät (30) zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf den Gebieten der Medizintechnik und der Physik in Verbindung mit der Informationstechnologie und betrifft insbesondere die Steuerung einer medizinischen Anlage über spezifische Trägheitssensoren.
In der Medizin kommt der Einhaltung von sterilen Bedingungen eine sehr hohe Bedeutung zu, um das Infektionsrisiko bei medizinischen Interventionen und im Bereich der Chirurgie möglichst gering zu halten.
Bei modernen Arbeitsverfahren ist es heute üblich geworden, auch während einer Intervention oder unmittelbar im Vorfeld derselben auf radiologische Bilddaten zurückzugreifen, die beispielsweise von einem Computertomographen erfasst oder bereitgestellt werden. Zur Bedienung der medizintechnischen Anlage oder des Gerätes muss die Anlage oder das Gerät entsprechend über Benutzereingaben gesteuert werden.
Dazu werden im Stand der Technik insbesondere zur Steuerung eines Bildanzeigegerätes von radiologischen Bildern zwei Methoden angewendet.
Zum einen wird die Bedienung auf einen Assistenten ausgelagert, so dass im sterilen Bereich nicht der Arzt selbst die Bedienung vornimmt. Der Arzt gibt dem Assistenten lediglich Anweisungen zur Bedienung. Dieses Verfahren ist fehleranfällig, da Anweisungen auch fehlverstanden werden können und ist zudem unökonomisch und langsam.
Zum anderen kann die Einhaltung von Anforderungen im sterilen Bereich dadurch erreicht werden, indem über das jeweilige Bedienelement (Joystick, Maus, Touchscreen etc.) eine sterile Abdeckung, z.B. in der Art einer Haube, aufgebracht wird, durch die hindurch das Bedienelement dann bedient wird. Dieses Vorgehen birgt jedoch den Nachteil, dass die Bedienbarkeit sehr eingeschränkt ist und dennoch ein Risiko einer Verschmutzung verbleibt.
Wünschenswert ist eine eindeutige und berührungslose Bedienung von computer-basierten Geräten und Funktionen, wie z.B. die Bedienung einer Bildanzeige von radiologischen Bildern oder die Steuerung anderer Gerätefunktionen.
Im Stand der Technik ist es weiter bekannt, gestenbasierte Systeme zu verwenden, bei denen eine Benutzergeste, die zur Steuerung des Systems verwendet werden soll, optisch erfasst wird. Diese Verfahren führen in Tests allerdings nicht zu befriedigenden Ergebnissen. Die heute bekannten gestenbasierte Systeme (z.B. LeapMotion, Kinect) arbeiten mit einer optischen Erkennung und Kameraabtastung. Diese Systeme sind optimiert auf bestimmte Entfernung zum Bediener bzw. festgelegte Gesten und haben sich in der Praxis als zu wenig robust für Anwendungen außerhalb des Consumer-Bereichs erwiesen. Ein wesentlicher Nachteil besteht im eingeschränkten Sichtfeld bzw. in der möglichen Verdeckung der Sicht des Gerätes, was im medizinischen Umfeld nicht tragbar ist. In der Folge ist die Bewegungsfreiheit des Anwenders stark eingeschränkt. Darüber hinaus kann je nach verwendeter Technologie die Erkennungsgenauigkeit abhängig von den Beleuchtungsbedingungen, Reflexionen etc. beeinträchtigt werden.
Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gestellt, die Steuerung einer medizintechnischen Anlage oder eines medizintechnischen Systems auch im sterilen Bereich sicher und zuverlässig zu ermöglichen. Starker Fokus liegt insbesondere auf der im Medizinbereich außerordentlich wichtigen Robustheit der Funktion, sowie in einer intuitiven Bedienung, durch die lange Lernkurven vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die beiliegenden nebengeordneten Ansprüche gelöst, insbesondere durch ein Steuerungssystem und durch ein computer-implementiertes Steuerungsverfahren. Die Aufgabe wird zudem durch ein Computerprogrammprodukt und einen Speicher mit einem Computerprogramm gelöst.
Nachstehend wird die Lösung der Aufgabe in Bezug auf das beanspruchte Steuerungssystem beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile und/oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können auch das System oder das Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen weitergebildet sein, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben und/oder beansprucht sind. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche computer-implementierte Module, insbesondere Mikroprozessormodule des Systems ausgebildet. Das Steuerungssystem und das Verfahren können auch als eingebettete Systeme (embedded system) in die medizintechnische Anlage bzw. in das Gesamtsystem integriert sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung bezieht sich die Aufgabenlösung auf ein Steuerungssystem zur Steuerung eines medizintechnischen, computer-gestützten Gerätes, das unter sterilen Bedingungen bedient werden muss. Dazu umfasst das Steuerungssystem eine vom Benutzer im sterilen Bereich tragbare Steuereinheit mit zumindest einem Trägheitssensor, der dazu bestimmt ist, Beschleunigungsdaten eines Körperteils des Benutzers zu erfassen. Die tragbare Steuereinheit umfasst des Weiteren eine drahtlose Schnittstelle zur Übertragung der erfassten Beschleunigungsdaten an ein Umsetzmodul. Das Umsetzmodul ist Bestandteil des Steuerungssystems und dazu bestimmt, die übertragenen Beschleunigungsdaten zu empfangen und in Instruktionen umzusetzen, wobei die Instruktionen dazu dienen, das medizinische Gerät zu steuern.
Im Folgenden werden die im Rahmen dieser Anmeldung verwendeten Begrifflichkeiten näher erläutert.
Das medizintechnische, computer-gestützte Gerät ist ein Gerät mit zumindest einer Schnittstelle zu einem Computer. Vorzugweise handelt es sich um ein Bildanzeigegerät, wie einem Monitor, zur Darstellung von radiologischen Daten und Bildern, insbesondere im DICOM-Format (DICOM: Digital Communication in Medicine) gegebenenfalls mit einer Steuerkomponente, wie z.B. einer Grafikkarte oder software-basierten Steuerung. Das Gerät kann somit einen Monitor mit einer Steuerungseinheit (z.B. in Form einer Grafikkarte) umfassen. Die Bilddaten, die auf dem Monitor dargestellt werden, müssen beispielsweise ausgewählt, verkleinert, vergrößert, gedreht oder anderweitig bearbeitet werden. Dafür sind Benutzereingaben notwendig, um die notwendigen Bearbeitungen über spezifische Instruktionen zu initiieren und auszuführen, so dass als Antwort auf die Benutzergeste eine neue Bilddarstellung auf dem Monitor ausgeben werden kann.
Diese Benutzereingaben sollen erfindungsgemäß ausschließlich berührungslos erfasst werden. Die berührungslose Steuerung des Gerätes über Benutzereingaben erfolgt über zumindest einen Trägheitssensor, mit dem Beschleunigungsdaten eines Körperteils des Benutzers (z.B. dessen Hand- oder Arm- oder Fingerbewegung) erfasst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden alle Benutzerinteraktionen bzw. alle Benutzereingaben ausschließlich über die tragbare Steuereinheit erfasst. Vorteilhafterweise werden die Körperbewegungen oder Gesten erfindungsgemäß nicht optisch erfasst, sondern mittels Beschleunigungs- oder Gyrosensoren werden exakte Positions- und Beschleunigungsdaten ermittelt, die automatisch in vordefinierbare Instruktionen umgesetzt werden.
Wie vorstehend bereits erwähnt, bezieht sich die hauptsächliche Ausführung der Erfindung auf die Steuerung eines Bildanzeigevorganges und die damit verbunden Benutzereingaben zur Steuerung der Bildanzeige. Das berührungslose Steuerungssystem kann jedoch ebenso auf andere computer-basierte Vorgänge angewendet werden, die unter sterilen Bedingungen gesteuert werden müssen, wie beispielsweise die Steuerung anderer Software- oder Hardwareprogramme, wie beispielsweise die Steuerung des Bildgebung an sich oder damit verbundene Prozesse.
Hauptsächlich soll die erfindungsgemäß berührungslose Steuerung jedoch auf die Steuerung eines Anzeigevorganges angewendet werden. Die Steuerung des Anzeigevorganges setzt üblicherweise die Bedienung von Schaltfläche auf einer Benutzeroberfläche voraus. Da die im Stand der Technik bekannten Methoden zur Bedienung von Schaltflächen aufgrund der Anforderungen hinsichtlich der Sterilität nicht angewendet werden können, erfolgt die Bedienung dieser Schaltfläche(n) ausschließlich berührungslos durch das Erfassen von Gesten, die mittels der Trägheitssensoren detektiert werden.
Im Operationssaal und insbesondere während einer Operation wird ein steriler Bereich bzw. eine Sterilzone errichtet, um das Eindringen von Keimen möglichst auszuschließen. In der Sterilzone, die vom unsterilen Personal nicht betreten werden darf, befinden sich der mit sterilen (keimfreien) Tüchern abgedeckte Patient, der Instrumententisch und die Umgebung der steril bekleideten Operateure und Assistenten. In diesem sterilen Bereich muss nun aber die Eingabe von Befehlen zur Steuerung des Gerätes oder der Anlage (wie z.B. des Gerätes zur Darstellung der radiologischen Daten) möglich sein. Erfindungsgemäß wird dazu eine tragbare Steuereinheit bereitgestellt. Mit dem Begriff „tragbar“ ist gemeint, dass der Benutzer die Steuereinheit am Körper tragen und auch wieder ablegen kann. Die Steuereinheit ist als mobiles elektronisches Bauteil ausgebildet und kann als separate Einheit bereitgestellt werden oder in ein komplexeres Bauteil (z.B. eine Smartwatch etc.) integriert werden. Um eine uneingeschränkte Bewegungsfreiheit zu ermöglichen, verfügt die Steuereinheit lediglich über kabellose Schnittstellen für die Weiterleitung der vom Trägheitssensor erfassten Beschleunigungsdaten, die als Ausgangssignal bereitgestellt werden und/oder zum Einlesen von Aktivierungsdaten als Inputdaten.
Als Inputdaten können beispielsweise ein Aktivierungssignal und/oder ein Deaktivierungssignal an das Steuerungssystem übermittelt werden. Dabei kann das Aktivierungssignal signalisieren, dass die berührungslose Gerätesteuerung für die Dauer eines vordefinierbaren Zeitintervalls aktiviert werden soll, um eine unnötige Erfassung von Beschleunigungsdaten zu vermeiden. Dadurch kann somit ein ON- und ein OFF-Modus für die berührungslose Gerätesteuerung bereitgestellt werden. Bei einem vordefinierbaren Deaktivierungssignal kann die berührungslose Gerätesteuerung deaktiviert oder auch nur temporär unterbrochen werden.
Das Umsetzmodul ist – ebenso wie die tragbare Steuereinheit – ein elektronisches Bauteil, insbesondere ein Microprozessorchip, der mit der Software zur Steuerung des Gerätes interagiert. Aus den erfassten Beschleunigungsdaten des Trägheitssensors werden Gesten extrahiert bzw. berechnet. In einem Speicher kann zu jeweils einer Geste eine Benutzereingabe zugeordnet und als Datentupel (insgesamt in Form einer Tabelle) gespeichert sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass mehrere Gesten für eine Benutzerinterkation ausgeführt werden können. Diese Zuordnung wird einer vorbereitenden Definitionsphase festgelegt und kann auch zu einem späteren Zeitpunkt wieder verändert werden.
Grundsätzlich wird die Extraktion der Gesten aus den Rohdaten (z.B. Beschleunigungsdaten) wie auch die Extraktion der Benutzerinteraktionen aus den Gesten frei programmierbar erfolgen (also nicht notwendigerweise über Tabellen). Die Arbeitsweise des Umsetzmoduls lässt sich mit dem im Folgenden erklärten Ablaufschema beschreiben.

1. Die Beschleunigungsdaten werden von der Steuereinheit (z.B. Armband) an das Umsetzmodul geliefert.
2. Das Umsetzmodul speichert die Daten in einem temporären Zwischenspeicher.
3. Die aktuellen und gespeicherten Daten werden an eine Verarbeitungseinheit weitergereicht.
4. Die Verarbeitungseinheit leitet anhand eines vorliegenden Programmcodes aus diesen Daten die ausgeführte Geste ab. Zur Bestimmung der Geste können auch in der Vergangenheit erkannte Gesten herangezogen werden (selbstlernendes System).
5. Die erkannte Geste wird an die Steuereinheit des medizinischen Gerätes übermittelt.
6. Dieses löst in Abhängigkeit von der Geste und abhängig vom aktuellen Programmkontext eine Anwender-Interaktion aus.

Dazu folgendes Beispiel:

1. Das Armband übermittelt das Datum „hohe Beschleunigung nach oben“
2. Das Umsetzmodul speichert dieses Datum im Zwischenspeicher.
3. Das Umsetzmodul überträgt das aktuelle und die letzten drei Daten an die Verarbeitungseinheit. Alle vier Daten lauten „hohe Beschleunigung nach oben“
4. Die Verarbeitungseinheit leitet aus der vierfachen hohen Beschleunigung nach oben die Geste „Swipe Up“ ab.
5. Die Geste „Swipe Up“ wird an die Steuereinheit des medizinischen Gerätes übermittelt.
6. Das medizinische Gerät befindet sich im Kontext „Auswahlmenü geöffnet“. In diesem Kontext und der Geste „Swipe Up“ folgend löst die Verarbeitungseinheit die Interaktion „Menü schließen“ aus.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist oder umfasst der Trägheitssensor einen Beschleunigungssensor und/oder zumindest ein Gyroskop. Die Beschleunigungsaufnehmer messen lineare Beschleunigungen (vorzugsweise angegeben in mV/g) entlang einer oder mehrerer Achsen. Gyroskope dagegen messen Winkelgeschwindigkeiten (angegeben in mV/°/s). Nimmt man den zuvor beschriebenen Beschleunigungssensor und dreht ihn um die Längsachse, so reagiert der Ausgang des Bausteins nicht auf Änderungen der Winkelgeschwindigkeit. Um auch diese zu erfassen, können erfindungsgemäß Gyrosensoren bereitgestellt werden. Damit können noch weitere Gesten definiert werden, die (z.B. auch zusätzlich zur Bewegung) eine Drehung des jeweiligen Körperteils des Benutzers erfordern.
Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Arten von Steuerfunktionen und jeweils zugeordneten Benutzereingaben.
Eine erste Art – der direkte Modus – kennzeichnet sich dadurch, dass eine Benutzergeste direkt in ein Steuersignal für das Computerprogramm umgesetzt werden kann. Darunter fallen z.B. Gesten zum Blättern in einem Bildstapel, zum sogenannten „Fenstern“ von DICOM-Bildern oder zur Auswahl einer bestimmten Schicht in einem Schichtenstapel bei 3D-Bildern. Sobald diese Geste erfasst wird, kann diese unmittelbar umgesetzt werden und z.B. eine veränderte Anzeige auf dem Bildschirm auslösen.
Bei der zweiten Art – dem Bestätigungsmodus – muss eine Instruktion erst bestätigt werden, bevor sie ausgeführt bzw. umgesetzt werden kann. Übliche Front-Ends sehen dafür in der Regel ein Tastenfeld oder einen Button vor, der auf einer Benutzeroberfläche dargestellt wird und der mittels Maus oder Tastendruck betätigt bzw. geschaltet wird. Erst wenn das so eingegebene Bestätigungssignal eingegeben wurde, kann die jeweilige Instruktion ausgeführt werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren berührungslos ausgeführt wird, ist es nicht möglich, durch Tastendruck, Funktionen auszulösen, wie bisher im Stand der Technik üblich, z.B. an der Maus. Erfindungsgemäß werden deshalb alternative Methoden zur Erfassung des Bestätigungssignals implementiert.
Um das Bestätigungssignal dennoch und auch berührungslos erfassen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine „Funktion durch Verbleiben“ implementiert ist. Dabei wird eine Funktion ausgewählt, indem der Anwender den Zeiger eine gewisse Zeit über einem Funktionselement (Button, Schalter, Menü etc.) verweilen lässt. Nach Ablauf dieser Zeit wird zur Bestätigung ein weiteres Funktionselement in der Nähe des Zeigers auf der Benutzeroberfläche eingeblendet, das der Anwender nun mit dem Zeiger berühren (wobei „berühren“ hier „auf dem Bildschirm das Funktionselement mit dem Zeiger zu berühren“ meint, also keine physikalische Berührung) oder ebenfalls kurz darüber verweilen muss. Danach gilt die Funktion als ausgewählt. Damit soll das Problem der Funktionsauswahl gelöst werden. Durch das Verbleiben auf einer Schaltfläche mit dem Mauscursor, schaltet das System automatisch in einen Auswahlmodus, der eine definierte Funktionsanwahl erlaubt. Dies kann entweder über den Mauscursor oder über das Hervorheben der entsprechenden Funktion in einem Untermenu erfolgen.
Alternativ oder kumulativ zur vorstehend genannten Methode „Funktion durch Verbleiben“ kann für den Bestätigungsmodus auch die Methode „Funktion durch Geste“ implementiert sein.
Bestimmte Bewegungen des Armbandes können von der Software als Geste erkannt werden und lösen eine Funktion aus anstatt die Position des Zeigers zu verändern. Je nach Ausführungsform der Erfindung können folgende Optionen implementiert werden:

a) Schnelles Hin- und Herbewegen, um eine Auswahl zu verwerfen oder ein geöffnetes Menü zu schließen;
b) Schnelle Bewegung aus einem Bereich heraus, um diesen Bereich zu verlassen, ohne dabei die innerhalb dieses Bereiches gewählte Position zu verändern (z.B. Schichtenauswahl in einem Segment einer MPR-Ansicht. Wird das Segment mit einer schnellen Geste verlassen, bleibt die eingestellte Schichtenauswahl unverändert);
c) Leichtes Drehen des Armes zur Funktionsauswahl (z.B. Umschalten zwischen Manipulation von axialen und coronalen Schichten durch Drehen des Armes);
d) Einkreisen von Elementen zur Auswahl;
e) Heftige Bewegung zum Abbruch von laufenden Funktionen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich zumindest ein Vibrationsmodul in dem Steuerungssystem eingesetzt, die dem benutzet Feedback über den Erfolg der jeweiligen Bedienoperation geben (erfolgreiche Bedienung – leichtes Vibrieren; fehlerhafte oder erfolglose Bedienung – starkes Vibrieren).
Wenn das Steuerungssystem in dem Bestätigungsmodus betrieben wird, wird nach Erfassen einer zu bestätigenden Instruktion ein Schaltelement auf dem Anzeigegerät dargestellt, wobei das Schaltelement über eine Benutzergeste geschaltet werden kann, wobei die Benutzergeste (in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung: ausschließlich) über den Trägheitssensor erfasst wird und zur Bestätigung der vorangehenden Instruktion dient und die Umsetzung der Instruktion auslöst. Das Schaltelement zur Bestätigung kann als mechanischer Schalter (z.B. in Form eines Fußschalters oder eines Hebels) oder als sprachgesteuerter Schalter (z.B. über eine Sprachnachricht aktivierbar) ausgebildet sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die mechanische Schalterimplementierung und die sprachgesteuerte Implementierung kombiniert. Damit kann flexibel zwischen unterschiedlichen Modi für die Benutzereingabe (gestenbasiert, wobei die Gesten mit der trägheitssensor-basierten Steuereinheit erfasst werden) und das Bestätigungssignal (mechanische Eingabe oder Spracheingabe) gewechselt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine START-Geste vordefiniert, die zum Auslösen der berührungslosen Steuerungsfunktion ausgebildet ist. Des Weiteren kann eine END- oder Abbruch-Geste vordefiniert sein, die zum Abbruch der berührungslosen Steuerungsfunktion ausgebildet ist. Damit soll verhindert werden, dass „normale“ Bewegungen des Benutzers als Eingabe für das Steuersystem erfasst werden, ohne dass eine Steuerung intendiert ist.
Um eine hohe Flexibilität zu erzielen, ist die tragbare Steuereinheit als modulares Bauteil ausgebildet und umfasst die Trägheitssensoren. Die Steuereinheit kann vorzugsweise in Form eines Reifes oder Ringes ausgebildet sein, der schnell einfach und unkompliziert als sterilisiertes Element über die sterile Kleidung auf ein Körperteil des Arztes (z.B. den Arm, Finger oder Hand) aufgeschoben werden kann. Die Trägheitssensoren der tragbaren Steuereinheit erfassen dann die Bewegung des Armes, des Fingers bzw. der Hand. Alternativ kann die tragbare Steuereinheit auch unter der sterilen Kleidung getragen werden und kann dann auch unsteril verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die tragbare Steuereinheit in ein weiteres Bauteil, wie z.B. in ein Gerät, Armband oder in eine Uhr etc. integriert sein.
Vorzugsweise sind die Steuereinheit und das Umsetzmodul baulich getrennt voneinander als separate Bauteile ausgebildet und interagieren über eine drahtlose Schnittstelle. Das Umsetzmodul kann aber auch in die tragbare Steuereinheit integriert sein. Ebenso kann das Umsetzmodul auch auf einem Computer oder einem Chip implementiert sein, auf dem das zu steuernde Programm (z.B. die Bildanzeige) ausgeführt wird.
Die berührungslose Steuerung kann an einer beliebigen Position im Raum aus erfolgen. Im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Verfahren ist es nicht erforderlich, dass der Benutzer sich unmittelbar vor dem Monitor mit der Benutzeroberfläche oder vor dem Joystick befindet, um die darauf dargestellten Schaltfläche oder den Joystick zu erreichen bzw. bedienen zu können. Erfindungsgemäß kann die berührungslose Steuerung mittels der Trägheitssensoren unabhängig von einer aktuellen Position des Benutzers ausgeführt werden. Darüber hinaus kann die Steuerung auch dann erfolgen, wenn sich der Benutzer gerade bewegt oder seine Position ändert. Damit wird die Flexibilität deutlich gesteigert.
In einer als bevorzugt getesteten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Steuerungssystem noch um einen RFID-Chip. Dies dient unter anderem zur Erkennung der Position des Bedieners im Raum, z.B. zur Kollisionsvermeidung mit C-Bögen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Steuerungssystem eine Dosismesssonde. Diese dient zur Erfassung der im diesem Bereich kritischen Bedienerdosis. Beide der vorstehend erwähnten Ausführungsform der Erfindung können auch kombiniert werden. Außerdem ist es möglich, dass sich der Bediener mit personalisierten Modulen am System anmelden kann, um so eine Authentifizierung zu ermöglichen. Darüber hinaus können mit der personalisierten Anmeldung benutzer-spezifische Bedienpräferenzen automatisch voreingestellt werden.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Zusatzmodul dem Steuerungssystem zugeschaltet oder darin integriert, das dem Benutzer das Verlassen des Arbeitsbereichs (Verlust der Funkverbindung) anzeigt. Dies kann unter anderem über Vibration erfolgen, um so den Verlust der Module zu verhindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Steuerungsverfahren zur berührungslosen Steuerung eines medizintechnischen oder elektronischen Gerätes unter Einhaltung von sterilen Bedingungen, so dass das Verfahren somit auch im Operationssaal eingesetzt werden kann. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:

– Aktivieren einer berührungslosen Geräte- und/oder Applikationssteuerung (z.B. zur Anzeige von medizinischen Bildern) in einem sterilen Bereich;
– Erfassen von Beschleunigungsdaten eines Körperteils eines Benutzers;
– Übertragen der erfassten Beschleunigungsdaten über eine drahtlose Schnittstelle an ein Umsetzmodul;
– Empfangen der übertragenen Beschleunigungsdaten an dem Umsetzmodul und Umsetzen der Beschleunigungsdaten in Instruktionen;
– Steuern des Gerätes (z.B. des Bildanzeigevorganges auf einem Bildanzeigegerät) anhand der Instruktionen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zusätzlich zur Beschleunigung oder alternative dazu die Winkelgeschwindigkeit über Gyrosensoren erfasst.
Nachdem das Gerät mittels der trägheits-basierten Eingangsdaten zur Berechnung der Instruktionen gesteuert wurde, kann das Ergebnis der Steuerung auch ausgegeben werden. Soll beispielsweise ein Bildanzeigevorgang gesteuert werden, so kann die neue berechnete Bilddarstellung auch auf dem Monitor ausgegeben werden.
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, die vorstehend erwähnten Schritte des Verfahrens nicht zwangsläufig in der vorstehend beschriebenen Reihenfolge zur Ausführung zu bringen. In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahrensschritte auch ineinander verschachtelt sein (Interleaving), so dass in das Steuern des Gerätes wiederum eine Geste über die Beschleunigungsdaten abgegriffen wird, die wiederum eine Steuerung verursacht.
Darüber hinaus ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des vorstehend beschriebenen Verfahrens als einzelne verkaufsfähige Einheiten und restliche Abschnitte des Verfahrens als andere verkaufsfähige Einheiten ausgebildet werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren als verteiltes System auf unterschiedlichen computer-basierten Instanzen (z.B. Client-Server-Instanzen) zur Ausführung kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass die tragbare Steuereinheit unterschiedliche Sub-Module umfasst, die teilweise auf der Steuereinheit und teilweise auf dem Umsetzmodul und/oder teilweise auf anderen computer-basierten Instanzen implementiert sind. Dies erhöht die Flexibilität und den Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Lösung deutlich.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die tragbare Steuereinheit mit dem Umsetzmodul verschmolzen und zu einem Bauteil integriert. Dieses Bauteil hat dann eine drahtlose Schnittstelle zu der Gerätesteuerung (bzw. insbesondere der jeweiligen Applikation, wie der Bildanzeigeapplikation).
Die vorstehende Aufgabe wird zudem durch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung des Steuerungssystems zur Steuerung eines medizinischen Gerätes 30 ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 14 oder 15 auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Steuerungssystem zur Steuerung eines medizinischen Gerätes ausgeführt wird.
Das Computerprogramm umfasst Computerinstruktionen. Die Computerinstruktionen sind auf einem Speicher eines Computers gespeichert und umfassen von dem Computer lesbare Befehle, die zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden. Das Computerprogramm kann auch auf einem Speichermedium gespeichert sein oder es kann über ein entsprechendes Netzwerk von einem Server heruntergeladen werden.
Die Aufgabe wird somit zudem durch einen Speicher mit einem Computerprogramm gelöst. Ein solcher Speicher kann als computerlesbares Medium ausgebildet sein, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach Anspruch 14 oder 15 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden. Die Rechnereinheit ist beispielsweise ein Computer des Steuerungssystems zur Steuerung eines medizinischen Gerätes 30.
Das computerlesbare Medium kann ein elektronisch lesbarer Datenträger, z. B. eine DVD, ein Magnetband oder ein USB-Stick sein, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, insbesondere Software, gespeichert ist. Wenn diese Steuerinformationen von dem Datenträger gelesen und in Steuermitteln bzw. einer Recheneinheit es Steuerungssystems zur Steuerung eines medizinischen Gerätes 30 gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des vorab beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden.
In der folgenden detaillierten Figurenbeschreibung werden nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele mit deren Merkmalen und weiteren Vorteilen anhand der Zeichnung besprochen. In dieser zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer tragbaren Steuereinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine Draufsicht auf die tragbare Steuereinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine Draufsicht auf die tragbare Steuereinheit gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung und
5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In 1 ist schematisch eine Umgebung für das erfindungsgemäße Steuerungssystem dargestellt. Das Steuerungssystem wird im sterilen Bereich eines Operationssaals oder einer interventionellen medizinischen Einrichtung betrieben. Dieser gliedert sich in einen Sterilbereich S und in einen unsterilen (normalen) Bereich N. Für den Sterilbereich S gelten besondere Anforderungen hinsichtlich der Keimfreiheit.
Im Sterilbereich des Operationssaals müssen dennoch Steuerungsmaßnahme ergriffen werden, wie z.B. in Verbindung mit der Erfassung und Darstellung von medizinischen Bildern, wie Röntgenbildern, CT-Aufnahmen, MRT-Aufnahmen oder Bildern von anderen Modalitäten, die im Vorfeld und auch während eines operativen Eingriffs verwendet werden müssen.
Die übliche Steuerung über eine Tastatur oder einen Monitor (Touchscreen) kann nicht angewendet werden, da die Tastatur und der Monitor sich entweder nicht im Sterilbereich S befinden oder durch entsprechende Abdeckungen nicht unmittelbar und mit der notwendigen Präzision bedient werden können.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Steuermaßnahmen schlägt die Erfindung vor, eine berührungslose Steuerung zur Verfügung zu stellen, die auf Gesten des Benutzers im Sterilbereich S basiert, wobei die Gesten über eine tragbare Steuereinheit 111 erfasst werden. Die tragbare Steuereinheit 111 kann als Reif oder Ring ausgebildet sein und umfasst einen oder mehrere Trägheitssensoren 10, die als Beschleunigungssensoren oder als Gyrosensoren ausgebildet sein können und zur Aufnahme von Beschleunigungsdaten eines Körperteils des Benutzers (Arm oder Hand, Finger oder Fuß etc.) bestimmt sind.
Die erfassten Beschleunigungsdaten werden über eine drahtlose Schnittstelle 11 an ein Umsetzmodul 20 weitergeleitet, das dazu bestimmt ist, die übertragenen Beschleunigungsdaten zu empfangen und in Instruktionen I umzusetzen, wobei die Instruktionen I dazu dienen, das jeweils zu steuernde medizinische Gerät 30 zu steuern. Bei dem Gerät 30 kann es sich z.B. um ein Anzeigegerät zur Anzeige der radiologischen Bilddaten handeln, wobei die Bilddaten als Antwort auf eine Benutzereingabe verändert dargestellt werden soll. Das Umsetzmodul 20 ist in einer Ausführungsform der Erfindung als von der tragbaren Steuereinheit 111 separates Bauteil ausgebildet und von dieser räumlich getrennt. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Umsetzmodul 20 auch auf einem (weiteren) Computer implementiert sein, auf dem das Programm zur Gerätesteuerung oder für die Bildanzeige ausgeführt wird.
Eine erste Geste kann z.B. einer ersten Instruktion zugeordnet sein, um eine Funktion anzusteuern, um bestimmte Bereich in einem Bild vergrößert und mit mehr Detailinformationen darzustellen. Eine zweite Geste kann z.B. einer zweiten Instruktion zugeordnet sein, um eine Funktion anzusteuern, um bestimmte Bilder auszuwählen. Eine dritte Geste kann z.B. einer dritten Instruktion zugeordnet sein, um eine Funktion anzusteuern, um die Bilder in einer anderen Perspektive darzustellen. In einer Vorbereitungsphase können unterschiedliche Gesten definiert und zumindest einer Instruktion zur Steuerung zugeordnet werden. Vorteilhafterweise sind bestimmte Gesten und Gesten-Instruktionszuordnungen voreingestellt, wie z.B. auf intuitive Weise eine Hin- und Herbewegung der Hand zum Blättern in einem Bildstapel verwendet werden kann.
In dem Sterilbereich S befinden sich üblicherweise noch andere Geräte, die in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind und ebenfalls über eine, vorzugweise eine andere, weitere tragbare Steuereinheit 111 gesteuert werden. Vorteilhafterweise können auch Geräte aus dem Sterilbereich S heraus gesteuert werden, die sich im unsterilen Normalbereich N oder an einer anderen Position befinden. Im Normalbereich kann sich ein Anzeigegerät bzw. ein Monitor 40 befinden, auf dem Bestätigungssignale erfasst werden und/oder radiologische Bilder angezeigt werden. Das Anzeigegerät 40 kann sich auch im Sterilbereich S befinden und über die erfindungsgemäße, berührungslose Steuerung mittels der tragbaren Steuereinheit 111 gesteuert werden (in 1 ist dieser Fall nicht dargestellt).
2 zeigt auf schematische Weise den Aufbau der tragbaren Steuereinheit 111. Sie umfasst in der Regel eine Mehrzahl von Sensoren 10, mit dem die Beschleunigung des Körperteils gemessen werden kann, an dem sie befestigt sind. Des Weiteren kann ein Prozessor P ausgebildet sein, um die an den Sensoren abgegriffenen Signale an eine drahtlose Schnittstelle 11 weiterzuleiten, die dazu bestimmt ist, die Beschleunigungsdaten an das Umsetzmodul 20 zu übertragen, das üblicherweise als separates Bauteil dem Steuerungssystem zugeordnet ist und sich auch im Normalbereich N befinden kann oder in das zu steuernde Gerät 30 zumindest teilweise integriert sein kann.
Die tragbare Steuereinheit 111 ist so ausgebildet, dass sie schnell und leicht über eine Extremität des Benutzers übergestreift werden kann. Dazu ist sie als offener Ring ausgebildet, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist. Durch die Öffnung ist der Ring dehnbar und kann durch Aufweitung an der Öffnung leicht zum Auf- oder Absetzen in seiner Form verändert werden, um im aufgeschobenen oder aufgesetzten Zustand eine klemmende Wirkung zu entfalten und das Körperteil derart zu umschließen, dass eine ortsfeste Positionierung sichergestellt werden kann und ein Verrutschen sicher vermieden werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die tragbare Steuereinheit 111 als geschlossener Ring ausgebildet und umfasst zwei unterschiedliche Materialien: Ein erstes Material mit einer rutschfesten Oberfläche (z.B. gummiartig) und ein zweites Material, das dehnbar ist. Damit wird erreicht, dass der umfangsgeschlossene Ring dennoch in seinem Radius verändert werden kann, was ein leichtes Auf- und Absetzen des Ringes ermöglicht. Diese Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt. Die zwei unterschiedlichen Materialien sind andersartig gestrichelt dargestellt. Es ist ebenso möglich, die Steuereinheit ringförmig als geschlossener oder unterbrochener (offener) Ring auszubilden und aus einem Material herzustellen, das an sich flexibel ist und eine vorübergehende Dehnung zulässt.
Im Folgenden soll unter Bezugnahme auf 5 der Ablauf des Steuerungsverfahrens näher erläutert werden. Nach dem Start wird in Schritt A ein Aktivierungssignal erfasst, das signalisiert, dass die berührungslose Steuerung aktiviert werden soll und dass die Trägheitssensoren 10 in einem vorbestimmbaren Zeitraum Beschleunigungsdaten erfassen sollen. Dann werden in Schritt B die Beschleunigungsdaten erfasst und in Schritt C über die WLAN-Schnittstelle (z.B. nach dem Standard der IEEE-802.11-Familie) oder eine andere kabellose Schnittstelle oder Funkverbindung an das Umsetzmodul 20 übertragen. Nachdem die Beschleunigungsdaten in Schritt D auf oder an dem Umsetzmodul 20 empfangen worden sind, werden diese in Schritt E in Instruktionen I umgesetzt. Auf Basis dieser Instruktionen I wird dann das Gerät 30 gesteuert (Schritt F). Danach kann das Verfahren ab Schritt B wiederholt angewendet werden oder es wird beendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard der IEEE-802.11-Familie [0065]

Claims

Steuerungssystem zur Steuerung eines medizinischen Gerätes (30) unter Einhaltung von sterilen Bedingungen, umfassend – eine tragbare Steuereinheit (111) mit – zumindest einem Trägheitssensor (10), der dazu bestimmt ist, Beschleunigungsdaten eines Körperteils eines Benutzers zu erfassen und – einer drahtlosen Schnittstelle (11) zur Übertragung der erfassten Beschleunigungsdaten an ein Umsetzmodul (20), – das Umsetzmodul (20), das dazu bestimmt ist, die übertragenen Beschleunigungsdaten zu empfangen und in Instruktionen (I) umzusetzen, wobei die Instruktionen dazu dienen, das medizinische Gerät (30) zu steuern.
Steuerungssystem nach Patentanspruch 1, bei dem der Trägheitssensor (10) ein Beschleunigungssensor und/oder ein Gyroskop ist.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Steuerung in zumindest zwei Modi betreibbar ist: – in einem Bestätigungsmodus, bei dem eine Instruktion (I) durch ein Bestätigungssignal bestätigt werden muss, bevor sie umgesetzt wird und – in einem direkten Modus, bei dem eine Instruktion (I) direkt und ohne Bestätigungssignal umgesetzt wird.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei nach Erfassen einer Instruktion (I) ein Schaltelement auf einem Anzeigegerät (40) dargestellt wird, wenn das Steuerungssystem in dem Bestätigungsmodus betrieben wird, wobei das Schaltelement über eine Benutzergeste geschaltet werden kann, wobei die Benutzergeste über den Trägheitssensor (10) erfasst wird und zur Bestätigung der vorangehenden Instruktion (I) dient und die Umsetzung der Instruktion (I) auslöst.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei nach Erfassen einer Instruktion (I) ein Schalter aktiviert wird, wenn das Steuerungssystem in dem Bestätigungsmodus betrieben wird, wobei der Schalter zur Bestätigung der vorangehenden Instruktion (I) dient und die Umsetzung der Instruktion (I) auslöst.
Steuerungssystem nach dem unmittelbar vorstehenden Patentanspruch, bei dem der Schalter ein mechanischer Schalter und/oder ein sprachgesteuerter Schalter ist.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Steuerung auf Basis der vom Trägheitssensor (10) erfassten Beschleunigungsdaten durch ein Aktivierungssignal für ein vordefinierbares Zeitintervall aktiviert und durch ein Deaktivierungssignal deaktiviert wird.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Steuerung eines Anzeigevorganges auf dem Anzeigegerät (40) eine Bedienung von Schaltflächen auf einer Benutzeroberfläche erfordert, wobei die Bedienung vollständig berührungslos ausgeführt wird.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Steuerung eine vordefinierbare Benutzergeste zum Auslösen und/oder zum Abbruch von zumindest einer Steuerungsfunktion umfasst.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Trägheitssensor (10) oder die tragbare Steuereinheit (111) ein tragbares Bauteil ist, das insbesondere in ein Armband, einen Ring oder eine Uhr integriert ist und entsprechend an einem Arm, Finger oder Handgelenk des Benutzers abnehmbar befestigt ist.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Umsetzmodul (20) in die tragbare Steuereinheit (111) integriert ist.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die durch den Trägheitssensor (10) erfassten Beschleunigungsdaten unabhängig von einer Position des Benutzers und auch während eines Positionswechsels des Benutzers erfasst werden.
Steuerungssystem nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Steuerungssystem ein Zusatzmodul umfasst, insbesondere ein Vibrationsmodul, zur Rückmeldung einer erfolgreichen Bedienung an den Benutzer.
Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Gerätes (30) unter Einhaltung von sterilen Bedingungen, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Aktivieren (A) einer berührungslosen Gerätesteuerung in einem sterilen Bereich; – Erfassen (B) von Beschleunigungsdaten eines Körperteils eines Benutzers; – Übertragen (C) der erfassten Beschleunigungsdaten über eine drahtlose Schnittstelle (11) an ein Umsetzmodul (20); – Empfangen (D) der übertragenen Beschleunigungsdaten an dem Umsetzmodul (20) und Umsetzen (E) der Beschleunigungsdaten in Instruktionen (I); – Steuern des Gerätes (30) anhand der Instruktionen (I).
Verfahren nach dem vorstehenden Verfahrensanspruch, bei dem das Verfahren folgenden Verfahrensschritt umfasst: – Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit oder -Beschleunigung eines Körperteils des Benutzers und/oder – Anzeigen der Bilder anhand des berührungslos gesteuerten Bildanzeigevorganges.