DE102016211827A1

DE102016211827A1 - Verfahren zur Ermittlung einer eine relative Position zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Einheiten beschreibenden Positionsinformation, Positionsbestimmungssystem und medizinische Einrichtung

Info

Publication number: DE102016211827A1
Application number: DE102016211827.7A
Authority: DE
Inventors: Tom Weidner
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: DE102016211827B4

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer eine relative Position zwischen wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Einheiten (6, 7) beschreibenden Positionsinformation, wobei eine der Einheiten (7) mittels wenigstens eines elektro-akustischen Transducers (8) ein akustisches Signal aussendet und die andere der Einheiten (6) mittels wenigstens eines elektro-akustischen Transducers (9) das akustische Signal empfängt, wobei die relative Positionsinformation durch Auswertung wenigstens eines Zeitwerts bezüglich des empfangenen Signals ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer eine relative Position zwischen wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Einheiten beschreibenden Positionsinformation, ein Positionsbestimmungssystem und eine medizinische Einrichtung.
In verschiedenen technischen Anwendungsgebieten tritt der Fall auf, dass unabhängig bewegbare Einheiten vorliegen, deren relative Position zu wenigstens einer anderen Einheit bekannt sein muss oder zumindest nützlich ist. Dabei sind vor allem solche Einrichtungen zu nennen, bei denen wenigstens eine Komponente zur Erhöhung der Flexibilität von den anderen Komponenten losgelöst wurde und somit unabhängig platzierbar ist, wobei jedoch eine bestimmte Positionsbeziehung zu wenigstens einer anderen Komponente der Einrichtung vorliegen muss, um deren Funktion korrekt zu erfüllen.
Ein Beispiel hierfür sind moderne medizinische Röntgeneinrichtungen. Bei diesen wurde bereits eine Mehrzahl von unabhängig positionierbaren Einheiten, also Komponenten/Subsystemen, vorgeschlagen. Beispiele sind Detektoren, vorliegend Röntgendetektoren, und Strahlungsquellen, vorliegend Röntgenquellen, die in Radiologie-Untersuchungsräumen bewegt werden sollen. Solche unabhängig und losgelöst von anderen Komponenten bewegbaren Einheiten werden üblicherweise mit elektronischen Bauteilen, beispielsweise Prozessoren oder Mikrokontrollern sowie Speichern und Kommunikationseinrichtungen für WLAN oder Bluetooth versehen. Die Leistungsversorgung kann beispielsweise über eine wiederaufladbare Batterie erfolgen. Allgemein gesagt handelt es sich bei solchen unabhängig positionierbaren Einheiten um Teile einer gesamten medizinischen Einrichtung, insbesondere einer Bildgebungseinrichtung, die beispielsweise in einem bestimmten Raum verbaut bzw. angeordnet sein kann, wobei die unabhängig positionierbaren Einheiten mit anderen Einheiten kooperieren sollen, die fest installiert sein können, aber auch ebenso unabhängig positionierbar sein können. Beispielsweise ist es für einen unabhängig positionierbaren Röntgendetektor notwendig, dass er sich im Strahlungsfeld der Strahlungsquelle befindet.
Bei der Nutzung solcher unabhängig positionierbarer Einheiten existiert das Problem, ihre relative Position in einem Raum oder die relative Position zu anderen Einheiten, insbesondere anderen Komponenten derselben medizinischen Einrichtung, zu bestimmen. Die exakte Position wird für das korrekte Wirken der Einheiten benötigt, wie bezüglich des Röntgendetektors und der Strahlungsquelle beispielhaft erläutert wurde, so dass flexible Bildgebungslösungen in unterschiedlichen Positionen realisierbar sind.
Zur Positionsbestimmung unabhängig positionierbarer Einheiten wurden bereits optische, insbesondere Kameras nutzende Verfahren und Ultraschall-Verfahren vorgeschlagen, bei denen Ultraschallsensoren verwendet werden. Die Ultraschallsensoren senden gerichteten Ultraschall aus und messen die Zeit bis zur Rückkehr des Ultraschallsignals, um Abstandsmessungen vorzunehmen und hieraus die Position anderer Komponenten und/oder Einheiten schlussfolgern zu können.
Beide genannten Möglichkeiten haben den Nachteil, dass eine direkte Sichtlinie ohne weitere Objekte oder Personen zwischen dem Detektionssystem und der unabhängig positionierbaren Einheit notwendig sind. Wird die unabhängig positionierbare Einheit jedoch frei innerhalb eines Raums positioniert, beispielsweise durch einen Benutzer per Hand, können durch Verdeckungen große Schwierigkeiten existieren, die unabhängig positionierbare Einheit aufzufinden. Zudem werden für optische Positionsbestimmungssysteme oft Marker verwendet, die einen Zusatzaufwand bedeuten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Möglichkeit zur Positionsbestimmung von unabhängig positionierbaren Einheiten relativ zu wenigstens einer anderen Einheit anzugeben, welches insbesondere einfach realisierbar ist und nicht von Blickfeld-Einschränkungen betroffen ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine der Einheiten mittels wenigstens eines elektro-akustischen Transducers ein akustisches Signal aussendet und die andere der Einheiten mittels wenigstens eines elektro-akustischen Transducers das akustische Signal empfängt, wobei die relative Positionsinformation durch Auswertung wenigstens eines Zeitwerts bezüglich des empfangenen Signals ermittelt wird.
Die Erfindung schlägt mithin vor, für akustische Signale, mithin Schallsignale, die von einem Sender, also einer sendenden Einheit, zu einem Empfänger, also einer empfangenden Einheit, übertragen werden, einen Zeitwert, insbesondere also eine Laufzeit und/oder eine Laufzeitdifferenz, zu ermitteln, aus dem die relative Position der sendenden Einheit und der empfangenden Einheit zueinander wenigstens teilweise, das heißt bezogen auf wenigstens einen Freiheitsgrad, bestimmt werden kann. Dabei soll die Bestimmung der relativen Position vorliegend auch die Bestimmung einer relativen Orientierung umfassen, so dass es denkbar ist, dass die Positionsinformation die relative Ausrichtung einer Einheit zu der anderen betrifft. Auf diese Weise ist auch eine orientierungsmäßige Ausrichtung von Komponenten untereinander grundsätzlich möglich, was bereits eine Anwendungsmöglichkeit der Positionsinformation beschreibt. Jedoch kann auch eine tatsächliche Ortsangabe, beispielsweise ein Abstand zwischen den Einheiten, relevant sein. Soll beispielsweise als eine unabhängig positionierbare Einheit ein Röntgendetektor einer medizinischen Einrichtung nach freier Positionierung zur Röntgenbildgebung genutzt werden, indem die relative Ausrichtung und Beabstandung zwischen der Strahlungsquelle und dem Röntgendetektor hergestellt werden, kann das hier vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden.
Bevorzugt werden dabei akustische Signale in einem Frequenzbereich verwendet, in dem die Anisotropie der Schallwellen vernachlässigbar ist, so dass im Übertragungsweg für das akustische Signal befindliche Personen und/oder Objekte die Messung und Bestimmung der Positionsinformation möglichst nicht behindern, nachdem sich das akustische Signal auch um diese Objekte/Personen herum entsprechend ausbreitet und empfangen wird. Mithin sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass das Schallsignal wenigstens eine im menschlich hörbaren Frequenzbereich liegende Frequenz und/oder eine Frequenz, die kleiner als oder gleich 15 kHz, insbesondere kleiner als oder gleich 1 kHz, ist, aufweist. Bei Schallwellen im hörbaren Bereich, insbesondere im niedrigeren Frequenzanteil, ist das gewünschte Anisotropieverhalten gegeben. Mit besonderem Vorteil sind dann Positionsinformationen auch dann zuverlässig ermittelbar, wenn sich Objekte/Personen im Schallweg befinden.
Die Erfindung sieht also die Nutzung von akustischen Signalen mit vernachlässigbarer Anisotropie zur Lokalisierung von unabhängig positionierbaren, insbesondere mechanisch nicht gekoppelten, Einheiten innerhalb eines Raums (als andere Einheit) bzw. in Relation zu fest installierten oder anderen unabhängig positionierbaren Einheiten vor. Diese Lokalisierung, also die Ermittlung der Positionsinformation, wird ermöglicht, indem in die unterschiedlichen Einheiten elektro-akustische Transducer integriert werden, insbesondere also Lautsprecher bzw. Mikrophone. Wie bereits erwähnt, sind dabei verschiedene unterschiedliche Varianten denkbar, beispielsweise die relative Positionsbestimmung von zwei unabhängig positionierbaren Einheiten, die Verwendung einer unabhängig positionierbaren Einheit und einer fest installierten Einheit sowie selbstverständlich auch die Verwendung von jeweils mehreren dieser Einheiten, wobei es sich bei fest installierten Einheiten durchaus auch um einen Raum handeln kann, so dass dann die relative Positionsinformation die Position einer unabhängig positionierbaren Einheit innerhalb des Raums bzw. relativ zu dem Raum beschreibt. Allgemein liegt also ein System aus wenigstens zwei insbesondere nicht mechanisch gekoppelten Einheiten mit unbekannter relativer Position zwischen diesen Einheiten vor, wobei die Einheiten jeweils wenigstens einen elektro-akustischen Transducer umfassen, um eine akustische Kommunikation zwischen den Einheiten zu erreichen, wobei erfindungsgemäß ein akustisches Signal in einer der genannten Einheiten erzeugt wird und in der anderen genannten Einheit empfangen wird, um durch Auswertung des zeitlichen Empfangsverhaltens, insbesondere mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung bzw. einer Auswerteeinheit dieser Steuereinrichtung, die die relative Position beschreibende Positionsinformation zu ermitteln.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Positionsinformation unter Berücksichtigung einer Laufzeit des Signals vom wenigstens einen sendenden Transducer zum wenigstens einen empfangenden Transducer ermittelt wird. Ist die Schallgeschwindigkeit im durchquerten Medium bekannt, lässt sich aus dieser Laufzeit mithin eine Abstandsinformation herleiten, die den Abstand zwischen dem sendenden Transducer und dem empfangenden Transducer beschreibt. Nachdem aber die Positionen der Transducer an den Einheiten bekannt sind, können, insbesondere bei mehreren solcher Laufzeiten, beliebige Abstände zwischen definierten Punkten der Einheiten ermittelt werden, wobei noch angemerkt sei, dass es bei Vorliegen eines entsprechenden Bezugs, beispielsweise, wenn eine der Einheiten fest installiert ist, selbstverständlich auch denkbar ist, aus der relativen Positionsinformation auch eine absolute Positionsinformation abzuleiten bzw. die relative Positionsinformation als absolute Positionsinformation herzunehmen, wenn sich das absolute Koordinatensystem ohnehin auf die feststehende Einheit, beispielsweise einen Raum, bezieht.
Zweckmäßig ist es in dem Kontext, dass Laufzeiten verwendet werden, wenn wenigstens ein weiterer empfangender Transducer zur Ermittlung einer Referenzlaufzeit verwendet wird, dessen Abstand zu dem sendenden Transducer fest und bekannt oder bestimmbar ist, wobei die Positionsinformation unter Berücksichtigung auch der Referenzlaufzeit ermittelt wird. Ein solcher weiterer Transducer, der auch als Referenztransducer bezeichnet werden kann, ist mithin geeignet, beispielsweise Laufzeitunterschiede aufgrund unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder unterschiedlichen Zusammensetzungen der von den Schallsignalen durchquerten Gase, insbesondere der Luft, zu kompensieren, nachdem durch einfachen Dreisatz unter Kenntnis der Laufzeit zu dem weiteren Transducer und des Abstands des weiteren Transducers der Laufzeit des Signals zu einem empfangenden Transducer der anderen Einheit unmittelbar eine durchlaufene Wegstrecke zugeordnet werden kann. Beispielsweise kann der Referenztransducer an derselben Einheit wie der sendende Transducer angeordnet werden. Befinden sich Verstellmöglichkeiten zwischen dem sendenden Transducer und dem Referenztransducer, ist es zweckmäßig, wenn Relativbewegungen wie grundsätzlich bekannt nachvollziehbar sind, so dass der der Referenzlaufzeit zuzuordnende Referenzabstand des Referenztransducers zu dem sendenden Transducer bekannt wird.
In diesem Kontext ist es weiterhin vorteilhaft, wenn dem sendenden Transducer und dem empfangenden Transducer Zeitgeber zugeordnet sind, die miteinander synchronisiert sind oder werden oder deren Zeitoffset bestimmt ist oder wird. Ein Referenztransducer kann hierbei den Zeitgeber des sendenden Transducers, insbesondere bei Befestigung an derselben Einheit, mitnutzen und/oder ebenso eine entsprechende Synchronisierung/Offsetvermessung aufweisen. Bei einer vorliegenden Synchronisierung bzw. bekanntem Offset zwischen den Zeitgebern können auf verlässliche Art und Weise Laufzeiten hochgenau bestimmt werden. Möglichkeiten zur Synchronisierung von Zeitgebern sind im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt und sollen hier nicht näher dargelegt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Positionsinformation unter Berücksichtigung einer anhand von Ankunftszeiten oder einer Phasendifferenz ermittelten Laufzeitdifferenz zwischen wenigstens zwei empfangenden Transducern und/oder zwischen wenigstens zwei mit demselben Transducer von unterschiedlichen sendenden Transducern empfangenen akustischen Signalen ermittelt wird. Werden lediglich Laufzeitdifferenzen ausgewertet, kann auf eine feste, bekannte Zeitbeziehung von Zeitgebern seitens der sendenden Einheit und der empfangenden Einheit verzichtet werden. Werden mithin im Allgemeinen mehrere sendende Transducer seitens einer sendenden Einheit bzw. mehrere empfangende Transducer seitens der empfangenden Einheit verwendet, lassen sich Laufzeitunterschiede bestimmen, aus denen mit grundsätzlich bekannten Verfahren die die relative Position beschreibende Positionsinformation abgeleitet werden kann. So kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Richtung der sendenden Einheit zur empfangenden Einheit aus den Laufzeitdifferenzen bestimmt wird und/oder eine Relativposition der sendenden Einheit zu der empfangenden Einheit durch Triangulation, insbesondere unter Berücksichtigung einer die sendende Einheit einer Seite der empfangenden Einheit zuordnenden Zusatzinformation, ermittelt wird, und/oder die Laufzeitdifferenzen mittels eines LMS-Algorithmus bestimmt werden. Dabei sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Verfahren, wie aus Laufzeitmessungen und/oder Laufzeitdifferenzmessungen Positionsinformationen abgeleitet werden können, im Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind und daher hier nicht im Detail dargelegt werden sollen.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bereits aus dem Anwendungsgebiet der Hörgeräte bekannte Vorgehensweisen auch bei der hier beschriebenen Positionsbestimmung Einsatz finden können, insbesondere, wenn bezüglich auszublendender Geräusche deren Richtung und eine geeignete Phasendifferenz festgestellt wird. So ist es beispielsweise von Hörgeräten her bekannt, zwei empfangende Mikrophone zu verwenden, die gegeneinander versetzt sind. Unter Verwendung von Verzögerungsgliedern lassen sich, insbesondere mittels eines LMS-Algorithmus (Least Mean Square-Algorithmus) Laufzeitdifferenzen und somit auch Richtungen eines Senders zum Empfänger feststellen. Derartige Vorgehensweisen können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Richtpeilung zwischen je zwei empfangenden Transducern durchgeführt wird. Sind diese im dreidimensionalen Raum verteilt, lässt sich auch eine Ortsbestimmung zusätzlich zu einer bei in zwei Dimensionen verteilten empfangenden Transducern bzw. sendenden Transducern gegebenen Richtungsbestimmung durchführen. Insgesamt lässt sich so eine aus einem anderen Gebiet der Technik bekannte Vorgehensweise auch auf eine Lokalisierung mittels Schallwellen anwenden.
Um eine hinreichende Genauigkeit bei der Messung der Zeitwerte erreichen zu können, so dass auch eine hinreichend genaue Bestimmung der relativen Position möglich ist, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Messung der Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenz mit einer Genauigkeit von weniger als oder gleich 10 µs erfolgt. Dabei können beispielsweise Abtastraten von wenigstens 50 kHz, bevorzugt 50 bis 100 kHz, eingesetzt werden. Derartige Abtastraten sind für empfangende elektro-akustische Transducer, insbesondere Mikrophone, im Stand der Technik bereits bekannt. Derartige elektro-akustische Transducer sind kostengünstig erhältlich, so dass sich die Erfindung insgesamt auch kostengünstig realisieren lässt.
Zweckmäßigerweise kann zusätzlich zu der Positionsinformation auch eine eine relative Bewegung zwischen den Einheiten beschreibende Bewegungsinformation durch Dopplerauswertung zeitlich aufeinander folgender empfangener akustischer Signale und/oder einer Frequenzverschiebung eines empfangenen akustischen Signals ermittelt werden. Eine relative Bewegung hat Einfluss auf die Welleneigenschaften des akustischen Signals, so dass wie von anderen wellenbasierten Messungen bekannt auch im vorliegenden Fall eine Dopplerauswertung stattfinden kann, indem Frequenzverschiebungen gegenüber dem ausgesendeten akustischen Signal und/oder auch mehrere aufeinander folgende Signale ausgewertet werden. Im letzteren Fall weist die Steuereinrichtung, die das Verfahren durchführt, zweckmäßigerweise auch eine Speichereinrichtung auf, in der bereits empfangene akustische Signale und deren Zeitwerte abgespeichert werden können. Man erhält nun zusätzlich zu der Positionsinformation auch eine Bewegungsinformation, die entsprechend ausgewertet werden kann, beispielsweise bei einer manuellen, durch entsprechende Ausgaben geführten Relativpositionierung der Einheiten zur Ausgabe zusätzlicher Hinweise genutzt werden kann.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn zur Ermittlung der Positionsinformation, insbesondere zur Auflösung von Doppeldeutigkeiten, wenigstens eine einen geometrischen Zusammenhang zwischen dem Sender und dem Empfänger beschreibende Zusatzinformation verwendet wird. Insbesondere dann, wenn eine Triangulation und/oder eine Richtungsbestimmung vorgenommen wird, können hierbei Doppeldeutigkeiten auftreten, wobei beispielsweise unklar sein kann, zu welcher Seite der empfangenden Einheit sich die sendende Einheit tatsächlich befindet. Hierbei können Zusatzinformationen eingesetzt werden, um dennoch eine möglichst genaue und eindeutige Bestimmung der relativen Position vornehmen zu können und/oder die Positionsinformation zu plausibilisieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Einheit einen Lagesensor aufweist, dessen Sensordaten als Zusatzinformation verwendet werden. Zusatzinformationen können vorteilhafterweise jedoch auch von wenigstens einem weiteren, insbesondere optischen Detektionssystem geliefert werden, dessen Positionsdaten als Zusatzinformation verwendet werden. Wird beispielsweise eine Kamera verwendet, aus der durch Bildverarbeitung auch eine zumindest grobe Information zur relativen Position, beispielsweise eine grobe geometrische Beziehung, abgeleitet werden kann, kann diese zur Plausibilisierung und/oder zur Herbeiführung der Eindeutigkeit der akustischen Messung herangezogen werden. Neben optischen Detektionsmethoden können selbstverständlich auch andere, grundsätzlich bekannte Detektionsmethoden eingesetzt werden, um Zusatzinformationen zu erhalten, die zur Plausibilisierung und/oder Auswahl einer relativen Positionsinformation bei Mehrdeutigkeiten dienen können. Es sei noch darauf hingewiesen, dass eine derartige Ausgestaltung mit Nutzung von Zusatzinformationen in Fällen besonders vorteilhaft sein kann, in denen mehrere Sendetransducer und/oder mehrere empfangende Transducer einer Einheit nicht dreidimensional angeordnet werden können, sondern beispielsweise aufgrund eines flachen Gegenstands als Einheit nur im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet werden, so dass beispielsweise bei der Betrachtung von Laufzeitdifferenzen eine Koordinate nicht und/oder nur ungenau abgegriffen werden kann. Dann kann Zusatzinformation eingesetzt werden, um genauere Positionsinformationen zu erhalten.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn ein Temperatursensor und/oder ein weiterer empfangender Transducer, dessen Abstand zu dem sendenden Transducer fest und bekannt oder bestimmbar ist, zur Ermittlung einer Umgebungstemperatur verwendet werden, welche bei der Ermittlung der Positionsinformation berücksichtigt wird. Nachdem die Schallgeschwindigkeit auch temperaturabhängig sein kann, ist eine genauere Messung gegeben, wenn die Temperatur entsprechend berücksichtigt wird, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen im Messbereich. Neben einem klassischen Temperatursensor kann hierbei auch ein akustischer Temperatursensor geschaffen werden, indem das Signal des sendenden Transducers auch von einem weiteren Transducer bzw. Referenztransducer empfangen wird, dessen Abstand zum sendenden Transducer bekannt oder wenigstens bestimmbar ist. Aufgrund der Variationen der Laufzeiten lassen sich Schlussfolgerungen zur vorliegenden Temperatur (bzw. direkt zur Schallgeschwindigkeit) schließen.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die sendende Einheit mehrere sendende Transducer aufweist, die mit gleichen oder unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, wobei bei gleichen Frequenzen der mehreren sendenden Transducer diese zeitversetzt ihr akustisches Signal aussenden. Werden mehrere sendende Transducer eingesetzt, müssen deren Signale durch den wenigstens einen empfangenden Transducer unterscheidbar sein, was sich einerseits durch einen Zeitversatz erreichen lässt, andererseits aber auch durch eine Unterscheidbarkeit in den Eigenschaften des akustischen Signals, insbesondere den Frequenzen. So können letztlich die verschiedenen sendenden Transducer bezüglich der verwendeten wenigstens einen Frequenz unterschiedliche akustische Signale aussenden, die auch von dem wenigstens einen empfangenden Transducer unterschieden werden können, so dass die entsprechenden Zeitwerte zuordenbar sind. Bei einer zeitversetzten Aussendung weisen die sendenden Transducer insbesondere miteinander synchronisierte oder zumindest kalibrierte Zeitgeber auf, um eine definierte zeitliche Abfolge der akustischen Signale auszuspielen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein eine Frequenz umfassendes akustisches Signal, insbesondere ein Sinussignal bei einer entsprechenden Frequenz, ausgesendet wird. Reine Sinussignale lassen sich besonders leicht detektieren und weisen nur eine einzige Frequenz auf, anhand der das akustische Signal unmittelbar identifiziert werden kann.
Denkbar ist es jedoch auch, dass ein mehrere Frequenzen, insbesondere in einem vorbestimmten Frequenzband, enthaltendes akustisches Signal verwendet wird, insbesondere ein gedämpftes Sinussignal und/oder ein Rauschsignal. Die Verwendung mehrerer Frequenzen bzw. eines Frequenzbandes macht das akustische Signal insbesondere robuster gegenüber Störbereichen detektierbar, da eine bestimmte Frequenzstruktur, insbesondere ein bestimmtes Frequenzspektrum, festzustellen ist, mithin Beziehungen zwischen unterschiedlichen Frequenzen betrachtet werden, die weniger leicht durch Störgeräusche bei einzelnen Frequenzen betroffen werden können. Insbesondere kann auch ein Rauschsignal verwendet werden, welches einen Frequenzbereich nutzt, in dem ansonsten wenige akustische Störgeräusche auftreten, insbesondere hinsichtlich des menschlich hörbaren Frequenzbereichs.
Zur besseren Identifikation des akustischen Signals kann ferner vorgesehen sein, dass die Amplitude und/oder die Frequenz über die Aussendezeit des akustischen Signals in einer vorbekannten Weise moduliert werden. Auch auf diese Weise ist es mithin möglich, die Detektierbarkeit und Identifizierbarkeit des akustischen Signals zu erhöhen und die Robustheit gegenüber Störgeräuschen zu verbessern.
In diesem Kontext sei noch darauf hingewiesen, dass in besonders vorteilhafter Ausgestaltung die empfangenden Transducer selektiv bezüglich wenigstens einer Eigenschaft des akustischen Signals messen. Nachdem im erfindungsgemäßen Positionsbestimmungssystem ja letztlich bekannt ist, mit welchen akustischen Signalen zur Positionsbestimmung zu rechnen ist, nachdem sie sonst nicht identifiziert werden könnten, kann dieses Wissen auch genutzt werden, um die Detektionseigenschaften bzw. Messeigenschaften der empfangenden Transducer so anzupassen, dass sie gezielt bereits nur die akustischen Signale messen, zumindest in einer Messphase. Auf diese Weise wird ein großer Auswertungsaufwand, um das akustische Signal aus einer Geräuschvielfalt zu extrahieren, vermieden. Insbesondere können hierbei Filtereinrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise Bandpassfilter bezüglich eines im akustischen Signal verwendeten Frequenzbereichs und dergleichen.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass, insbesondere während einer Nichtmessphase, mittels wenigstens eines empfangenden Transducers Umgebungsgeräusche vermessen und ausgewertet werden, wobei wenigstens eine Eigenschaft des akustischen Signals, insbesondere wenigstens eine genutzte Frequenz, zur besseren Messbarkeit des akustischen Signals durch den empfangenden Transducer in Abhängigkeit des Auswertungsergebnisses der Umgebungsgeräusche angepasst wird. Auf diese Weise ist es mithin möglich, das akustische Signal in seinen Eigenschaften dynamisch auf aktuelle Umgebungsgeräusche anzupassen, um eine möglichst verlässliche und klare Detektion durch die empfangenden Transducer sicherzustellen. Beispielsweise kann ein Frequenzspektrum der Umgebungsgeräusche ermittelt werden, wobei in den Umgebungsbereichen weniger intensiv besetzte Frequenzbereiche für das akustische Signal genutzt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die sendende Einheit und die empfangende Einheit zusätzlich zu den akustischen Signalen über eine weitere, insbesondere drahtlose Kommunikationsverbindung kommunizieren. Häufig ist bei Komponenten einer Gesamteinrichtung bildenden Einheiten, beispielsweise bei Komponenten einer medizinischen Einrichtung als Einheiten, ohnehin bereits eine Kommunikationsverbindung zwischen den Einheiten vorhanden, die grundsätzlich drahtgebunden ausgebildet sein kann, bevorzugt allerdings drahtlos, insbesondere als Funkverbindung, ausgebildet ist. Beispielsweise ist eine WLAN-Verbindung als Kommunikationsverbindung denkbar.
Diese Kommunikationsverbindung kann nun mit besonderem Vorteil genutzt werden, um über die Kommunikationsverbindung wenigstens eine von der jeweils anderen Einheit zur Bestimmung der Positionsinformation verwendete, das akustische Signal betreffende Auswertungsinformation von einer Einheit zu der anderen Einheit zu übertragen. Beispielsweise können dann, wenn die Auswertung wenigstens teilweise seitens der empfangenden Einheit stattfindet, Aussendezeitpunkte von der sendenden Einheit an die empfangende Einheit übermittelt werden, wobei es grundsätzlich zweckmäßig ist, Eigenschaften des akustischen Signals von der sendenden Einheit an die empfangende Einheit zu übertragen, um dort eine Detektion des akustischen Signals auch dann zu erlauben, wenn dessen Eigenschaften, beispielsweise dynamisch anhand der Umgebungsbereiche, angepasst werden. Ist die sendende Einheit die auswertende Einheit, ist es auch möglich, die Zeitwerte von der empfangenden Einheit an die sendende Einheit zu übertragen.
Dabei wird noch darauf hingewiesen, dass die Auswertung grundsätzlich verteilt stattfinden kann, bevorzugt seitens der sendenden Einheit und/oder der empfangenden Einheit, wobei selbstverständlich auch eine zu den Einheiten externe weitere Einheit, die insbesondere auch über eine Kommunikationsverbindung mit der sendenden und der empfangenden Einheit kommuniziert, zur Auswertung verwendet wird. Die Auswertung erfolgt dabei zweckmäßigerweise, wie bereits erwähnt, durch eine Steuereinrichtung, insbesondere durch wenigstens eine Auswerteeinheit der Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung auch verteilte Steuerkomponenten in der sendenden und/oder empfangenden Einheit aufweisen kann.
Die erwähnte Kommunikationsverbindung zwischen der sendenden Einheit und der empfangenden Einheit kann jedoch auch über Auswertungszwecke zur Ermittlung der Positionsinformation hinaus genutzt werden, beispielsweise, um sonstige messbezogene Rückmeldungen zu geben, beispielsweise die Information, dass innerhalb eines bestimmten Zeitraums nach Aussenden des akustischen Signals kein Empfang seitens des wenigstens einen empfangenden Transducers festgestellt werden konnte. Auch Informationen zur grundsätzlichen Detektierbarkeit des akustischen Signals seitens der empfangenden Transducer können nützlich sein, genau wie die bereits erwähnten Eigenschaften des akustischen Signals, die von der Einheit mit dem sendenden Transducer an die Einheit mit dem empfangenden Transducer übermittelt werden können. Schließlich kann die Kommunikationsverbindung mit besonderem Vorteil auch genutzt werden, um beispielsweise automatisch und/oder manuell durchgeführte gezielte Relativpositionierungen durchzuführen, beispielsweise eine Ausrichtung der einen Einheit relativ zu der anderen, so dass sich beispielsweise eine Art Regelverfahren ergeben kann. Selbstverständlich kann die Kommunikationsverbindung auch für einheitenspezifische bzw. einrichtungsspezifische Übertragungen eingesetzt werden, beispielsweise im Fall einer medizinischen Bildaufnahmeeinrichtung zur Übertragung von Bilddaten des Detektors an andere Komponenten der Bildgebungseinrichtung und dergleichen.
Als sendender Transducer kann ein Lautsprecher verwendet werden, als empfangender Transducer ein Mikrophon. Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn der empfangende Transducer digitale, das empfangene akustische Signal beschreibende Signaldaten ausgibt. Auch analoge Mikrophone können im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das wenigstens eine Mikrophon als ein Gradientenmikrophon ausgebildet ist, wobei insbesondere mehrere unterschiedlich orientierte Gradientenmikrophone verwendet werden, um so eine weitere Verbesserung der Ortsbestimmung durch spezielle Detektionseigenschaften zu erreichen. Beispielsweise können Empfangsstärker unterschiedlicher empfangender Transducer auch eingesetzt werden, um eine Zusatzinformation zur ermitteln, die dann zur Ermittlung der Positionsinformation berücksichtigt wird.
Vorzugsweise kann die Aussendung des akustischen Signals in Abhängigkeit eines über eine Benutzerschnittstelle erfolgten Bedienersignals erfolgen. Während es im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich denkbar ist, beispielsweise durch regelmäßiges Aussenden von akustischen Signalen in periodischen Abständen die Positionsinformation zu ermitteln bzw. zu aktualisieren und/oder bei Eintritt eines Positionsbestimmungskriteriums eine Positionsbestimmung automatisch ausgelöst werden kann, kann die Positionsbestimmung mittels einer geeigneten Benutzerschnittstelle auch durch einen Benutzer gezielt angefordert werden, so dass, beispielsweise nach Betätigung eines geeigneten Bedienelements, die Aussendung des wenigstens einen akustischen Signals und somit die Messung eingeleitet werden kann.
Mit besonderem Vorteil kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass wenigstens einer des wenigstens einen empfangenden Transducers als Teil der wenigstens teilweise akustischen Benutzerschnittstelle zur Aufnahme von Sprachkommandos verwendet wird. Nachdem mithin wenigstens eine der Einheiten ohnehin ein Aufnahmemittel für Geräusche, insbesondere ein Mikrophon, in Form des empfangenden elektro-akustischen Transducers aufweist, bietet es sich an, für das Positionsbestimmungssystem eine Sprachsteuerung zu realisieren, indem, insbesondere seitens der empfangenden Einheit, die Steuereinrichtung ein Sprachanalysemodul aufweist, um Sprachkommandos innerhalb der von den empfangenden Transducern aufgenommenen Akustikdaten zu detektieren. Insbesondere lässt sich unter zusätzlicher Verwendung der sendenden Transducer, die ja als Lautsprecher ausgebildet sein können, auch eine komplette Sprachführung realisieren, in der dem Benutzer akustisch Antworten für seine Sprachkommandos und/oder weitere Informationen gegeben werden, insbesondere hinsichtlich einer manuell durchzuführenden Herstellung einer bestimmten Relativposition, insbesondere Ausrichtung.
Es kann jedoch auch zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass als die Benutzerschnittstelle eine wenigstens teilweise haptische Benutzerschnittstelle verwendet wird, insbesondere eine einen Touchscreen und/oder ein zu drückendes Bedienelement umfassende Benutzerschnittstelle. Ein derartiger haptischer Anteil einer Benutzerschnittstelle wird mit besonderem Vorteil an einer beliebig positionierbaren Einheit angeordnet und kann beispielsweise als einfacher Druckknopf realisiert sein, beispielsweise an einem mobilen Röntgendetektor als unabhängig positionierbare Einheit.
Wie bereits dargelegt wurde, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil im medizinischen Bereich anwenden, so dass vorgesehen sein kann, dass als Einheiten Komponenten einer medizinischen Einrichtung, insbesondere einer medizinischen Bildgebungseinrichtung, verwendet werden. In einer ersten Ausführungsform kann dabei vorgesehen sein, dass bei einer strahlungsbasierten Bildgebungseinrichtung als medizinische Einrichtung ein Detektor und eine Strahlenquelle und/oder eine die Strahlenquelle tragende Komponente als Einheiten verwendet werden. Beispielsweise kann ein unabhängig positionierbarer, mobiler Röntgendetektor eine Einheit bilden, an dem beispielsweise an vier Ecken jeweils ein empfangender Transducer angeordnet sein kann. Doch auch frei positionierbare Strahlungsquellen wurden im Stand der Technik bereits vorgeschlagen. Um eine korrekte Ausrichtung von Röntgendetektor und Strahlungsquelle zu erreichen, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der relativen Position zwischen diesen Einheiten eingesetzt werden, wobei im oben genannten Beispiel beispielsweise wenigstens ein sendender Transducer an der Strahlungsquelle vorgesehen sein kann.
Ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass als eine der Einheiten ein Roboter und/oder eine Patientenlagerungseinrichtung und/oder eine mobile Einheit einer Bildgebungseinrichtung verwendet wird. Beispielsweise kann es notwendig sein, eine frei positionierbare Patientenlagerungseinrichtung bezüglich einer medizinischen Bildgebungseinrichtung korrekt zu positionieren und/oder in eine korrekte Position für eine Behandlung zu verbringen. Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren gewinnbringend eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel sind mobile Anteile von Bildgebungseinrichtungen, beispielsweise sogenannte mobile C-Bögen, deren Position im Raum bzw. relativ zu einer Patientenlagerungseinrichtung ebenso bekannt sein soll. Dabei kann es sich insbesondere bei wenigstens einer der Einheiten auch um einen Raum handeln, in dem der Roboter und/oder die Patientenlagerungseinrichtung und/oder die mobile Komponente der Bildgebungseinrichtung angeordnet sind, so dass die Position dieser Einheiten im Raum bestimmt werden kann.
Eine allgemein zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass als wenigstens eine der Einheiten ein Raum verwendet wird, in dem sich insbesondere bei einem sendende Transducer aufweisenden Raum mehrere empfangende Einheiten oder bei einem empfangende Transducer aufweisenden Raum mehrere sendende Einheiten befinden. Auf diese Weise können die Positionen der im Raum befindlichen Einheiten bezüglich des Raums ermittelt werden, beispielsweise bei mehreren Patientenlagerungseinrichtungen innerhalb eines Raumes und dergleichen. Es können auch mehrere Räume, die insbesondere ein Gebäude bilden, als Einheiten eingesetzt werden, so dass unabhängig bewegbare weitere Einheiten innerhalb einer Anordnung von Räumen, insbesondere eines Gebäudes, lokalisiert werden können. So können beispielsweise medizinische Geräte in einem Krankenhaus genauso aufgefunden werden wie bestimmte Patientenlagerungseinrichtungen in einem Krankenhaus.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass sich die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich auch auf mehr als zwei Einheiten problemlos anwenden lassen, wobei bevorzugt entweder zum Senden oder zum Empfangen nur eine der Einheiten ausgebildet ist, so dass dann die Positionen der anderen Einheiten jeweils relativ zu dieser speziellen Einheit bestimmt werden können. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig notwendig, solange sich die akustischen Signale unterschiedlicher Einheiten mit sendenden Transducern hinreichend unterscheiden.
Ferner sei noch angemerkt, dass es wie bereits erwähnt, zweckmäßig ist, wenn mehrere, in einer Ebene und/oder in drei Dimensionen vorbekannt versetzt angeordnete Transducer an zumindest einer der Einheiten verwendet werden. Insbesondere bei der Betrachtung von Laufzeitdifferenzen sind dann Berechnungen zur relativen Position, insbesondere auch umfassend die Orientierung, einfach realisierbar.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch ein Positionsbestimmungssystem zur Ermittlung einer eine relative Position zwischen wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Einheiten beschreibenden Positionsinformation, aufweisend:

– wenigstens einen an einer der Einheiten angeordneten elektro-akustischen Transducer zum Aussenden eines akustischen Signals,
– wenigstens einen an einer der anderen der Einheiten angeordneten elektro-akustischen Transducer zum Empfangen des akustischen Signals, und
– eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Transducer und zur Ermittlung der relativen Positionsinformation durch Auswertung wenigstens eines Zeitwerts bezüglich des empfangenen akustischen Signals.

Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Positionsbestimmungssystem übertragen, so dass hiermit dieselben Vorteile erreicht werden können. Insbesondere kann die Steuereinrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet sein.
Schließlich betrifft die Erfindung auch eine medizinische Einrichtung, insbesondere medizinische Bildgebungseinrichtung, aufweisend wenigstens eine gegen eine weitere Einheit der medizinischen Einrichtung unabhängig relativ bewegbare Einheit und ein erfindungsgemäßes Positionsbestimmungssystem zur Ermittlung der relativen Positionsinformation der Einheiten. Auch bezüglich der medizinischen Einrichtung, bei der es sich mit besonderem Vorteil um eine Röntgeneinrichtung handeln kann, die als eine Einheit einen mobilen Röntgendetektor aufweist, gelten die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Positionsbestimmungssystem und zum erfindungsgemäßen Verfahren analog fort.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Ansicht einer Röntgeneinrichtung,
2 der Aufbau der Röntgeneinrichtung in Funktionseinheiten,
3 einen Auflaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
4 einen Raum mit mobilen Einheiten.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen medizinischen Einrichtung in Form einer medizinischen Bildgebungseinrichtung 1, hier einer Röntgeneinrichtung. Die Bildgebungseinrichtung 1 weist eine Mobileinheit 2 mit einer Strahlungsquelle 3 auf, die beliebig in einem Untersuchungsraum positionierbar ist. Ferner gehört zur Bildgebungseinrichtung 1 auch ein mobiler Röntgendetektor 4, der unabhängig von der Mobileinheit 2 platzierbar und insbesondere auch austauschbar ist. Bei dem mobilen Röntgendetektor 4 kann es sich beispielsweise um einen Flachdetektor handeln, der in einem Gehäuse angeordnet ist und einen Tragegriff 5 aufweist.
Um eine Bildgebung zu ermöglichen, muss die relative Position, insbesondere die Ausrichtung, des Röntgendetektors 4 zur Strahlungsquelle 3 so gewählt werden, dass der Röntgendetektor 4 im Strahlungsfeld der Strahlungsquelle 3 befindlich ist. Um dies zu erreichen, muss die relative Position des Röntgendetektors 4 als erste Einheit 6 zu der Strahlungsquelle 3 als zweite Einheit 7 bekannt sein. Aus einer entsprechenden, die relative Position beschreibenden Positionsinformation können Hinweise an einen Benutzer abgeleitet werden und/oder es kann vor einer Bildaufnahme überprüft werden, ob eine relative Position gegeben ist, die die Bildaufnahme ermöglicht.
Um die relative Positionsinformation zu bestimmen, weist die Bildgebungseinrichtung 1 ein erfindungsgemäßes Positionsbestimmungssystem auf, in dem der Strahlungsquelle 3 ein ein akustisches Signal sendender elektro-akustischer Transducer 8 zugeordnet ist, der zum Aussenden akustischer Signale im menschlich hörbaren Frequenzbereich, insbesondere bei Frequenzen kleiner oder gleich 15 kHz, bevorzugt bei Frequenzen kleiner oder gleich 1 kHz, ausgebildet ist, nachdem dann keine wesentliche Anisotropie bei der Ausbreitung der Schallwellen vorliegt. Der Röntgendetektor 5 umfasst dagegen vorliegend vier versetzt angeordnete, empfangende elektro-akustische Transducer 9, die als Mikrophone, vorliegend mit einem digitalen Ausgang, ausgebildet sind. Die Transducer 9 können in einer Ebene angeordnet sein oder aber in drei Dimensionen gegeneinander versetzt.
Sendet nun der Transducer 8 ein akustisches Signal aus, kann dieses von den Transducern 9 empfangen und identifiziert werden. Den zeitlichen Ablauf beschreibende Zeitwerte werden bestimmt und ausgewertet, um hieraus die relative Positionsinformation abzuleiten.
2 zeigt für die vorliegende Erfindung relevante Komponenten der Bildgebungseinrichtung 1 in funktionaler Darstellung. Gezeigt sind wiederum die Mobileinheit 2 und der mobile Röntgendetektor 4, wobei erstere den als Lautsprecher ausgebildeten elektro-akustischen Transducer 8 aufweist, der Röntgendetektor 4 die als Mikrophone ausgebildeten elektro-akustischen Transducer 9. Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Transducer 9 auch als Gradientenmikrophone ausgebildet sein können, die in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, um weitere für die Ermittlung der Positionsinformation relevante Daten bzw. Zusatzinformationen zu sammeln. Der Betrieb des Positionsbestimmungssystems wird von einer Steuereinrichtung gesteuert, die vorliegend als Teil einer Steueranordnung der Bildgebungseinrichtung 1 selbst ausgebildet sein kann und verteilte Komponenten aufweist, vorliegend eine Steuerkomponente 10 innerhalb des Röntgendetektors 4 und eine Steuerkomponente 11 innerhalb der Mobileinheit 2. Die Steuerkomponenten 10, 11 kommunizieren miteinander über eine Kommunikationsverbindung 12, die hier als drahtlose WLAN-Verbindung ausgebildet ist und durch entsprechende Kommunikationseinrichtungen 13, 14 hergestellt wird.
Mittels dieser Kommunikationsverbindung ist es im Übrigen auch möglich, den Transducern 8, 9 jeweils zugeordnete Zeitgeber 15, 16 zu synchronisieren, so dass insbesondere auch eine Laufzeit des akustischen Signals von dem Transducer 8 zu den jeweiligen Transducern 9 als Zeitwert bestimmt werden kann. Neben den Laufzeiten als Zeitwerte werden durch die Steuerkomponente 10 auch Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen empfangenden Transducern 9 als Zeitwerte bestimmt, sei es anhand einer Differenz von Ankunftszeiten oder durch Feststellung einer Phasenverschiebung. Die tatsächliche Ermittlung der Positionsinformation kann seitens der Steuerkomponente 10 und/oder seitens der Steuerkomponente 11 erfolgen, wobei die jeweils benötigten Daten über die Kommunikationsverbindung 12 übertragen werden können. Soll mithilfe von Methoden, wie sie beispielsweise aus der Hörgerätetechnik bekannt sind, eine Richtpeilung durchgeführt werden und/oder zumindest eine Richtungsinformation durch Feststellung der Laufzeitunterschiede zwischen zwei Transducern 9, insbesondere mittels eines LMS-Algorithmus, bestimmt werden, geschieht dies bevorzugt seitens der Steuerkomponente 10, da dort dann entsprechende Verzögerungsglieder zur Einstellung von Verzögerungen bis zum Auffinden der Laufzeitdifferenzen eingesetzt werden können.
Die Zeitwerte werden dann, beispielsweise wie grundsätzlich bekannt mittels Triangulation, ausgewertet, um die relative Positionsinformation zu ermitteln, welche bevorzugt vollständig die relative Orientierung und den Abstand enthält.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Anordnung der Transducer 9 an den Ecken des Röntgendetektors 4 (vgl. 1) äußerst günstig ist, wenn beispielsweise ein Nutzer bei der korrekten Ausrichtung des Röntgendetektors 4 zu der Strahlungsquelle 3 unterstützt werden soll, da bei korrekter, mittiger Ausrichtung des Röntgendetektors 4 das akustische Signal bei geeigneter Positionierung des Transducers 8 gleichzeitig bei allen empfangenden Transducern 9 eintrifft.
Im Röntgendetektor 4 ist ferner ein Lagesensor 17 verbaut, dessen Lagedaten eine Zusatzinformation darstellen, die von der Steuereinrichtung genutzt werden kann, um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, beispielsweise festzustellen, auf welcher Seite des Röntgendetektors 4 sich die Strahlungsquelle 3 tatsächlich befindet.
Um ferner Effekten variierender Schallgeschwindigkeit entgegenzuwirken, existieren mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann, beispielsweise seitens der Mobileinheit 2, ein Temperatursensor 18 vorgesehen sein, über den Temperaturschwankungen festgestellt werden können. Es kann auch ein akustischer Temperatursensor durch einen empfangenden Referenztransducer 19 realisiert werden, der sich in einen vorbekannten oder zumindest bestimmbaren Abstand zum sendenden Transducer 8 befindet. Aufgrund der Laufzeit kann dann die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden.
Eine bevorzugte Nutzung des Referenztransducers 19 als weiterer Transducer ist jedoch gegeben, um Laufzeiten seitens der empfangenden Transducer 9 korrekte Abstandswerte zuordnen zu können, nachdem die am Referenztransducer 19 gemessene Referenzlaufzeit, die auch bei der Auswertung berücksichtigt werden kann, dann ja für eine vorbekannte oder bestimmbare Strecke gilt und mithin per Dreisatz auch entsprechenden Zeitwerten am Röntgendetektor 4 Strecken zugeordnet werden können.
Die Bestimmung der relativen Positionsinformation kann automatisch ausgelöst werden, beispielsweise zyklisch und/oder bei Erfüllung eines Positionsbestimmungskriteriums in der Steuereinrichtung. Denkbar ist es jedoch auch, dies benutzerinitiiert vorzunehmen, wobei eine entsprechende Benutzerschnittstelle 20 zum einen durch die empfangenden Transducer 9 gegeben sein kann, nachdem diese Sprachkommandos entgegennehmen können, die beispielsweise durch die Steuerkomponente 10 und eine entsprechende Auswertung identifiziert werden können. Optional ist jedoch auch ein haptisches Bedienelement 21, bevorzugt an dem Röntgendetektor 4, denkbar, um eine Bestimmung der relativen Positionsinformation vorzunehmen, beispielsweise nachdem der Röntgendetektor 4 manuell grob bezüglich der Strahlungsquelle 3 ausgerichtet wurde.
Wie bereits erwähnt wurde, werden für das akustische Signal bevorzugt Frequenzen im menschlich hörbaren Frequenzbereich verwendet, wobei ein akustisches Signal auch eine Sinusschwingung bei einer Frequenz umfassen kann, um leicht detektierbar zu sein, wobei die empfangenden Transducer 9 allgemein selbstverständlich auch selektiv bezüglich bekannter Eigenschaften des akustischen Signals betrieben werden können. Jedoch auch die Nutzung mehrerer Frequenzen, insbesondere auch ein Breitbandsignal wie Rauschen, ist möglich, wodurch die Robustheit gegenüber Störgeräuschen erhöht werden kann. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung auch zur Ansteuerung der empfangenden Transducer 9, 19 zur Aufnahme von Umgebungsgeräuschen ausgebildet sein kann, wobei das akustische Signal in seinen Eigenschaften, insbesondere den verwendeten Frequenzen, derart angepasst werden kann, dass Frequenzen genutzt werden, die im Umgebungsgeräusche-spektrum wenig repräsentiert sind. Es kann mithin beispielsweise vor jeder Aussendung eines akustischen Signals bzw. einer Sequenz von akustischen Signalen eine Auswertung der Umgebungsgeräusche erfolgen, wobei aktuelle Eigenschaften des akustischen Signals bzw. auch Zeitpunkte von dessen Aussendung beispielsweise über die Kommunikationsverbindung 12 auch der Steuerkomponente 10 zugänglich gemacht werden können, welche Auswertungsalgorithmen und/oder den Betrieb der empfangenden Transducer 9 geeignet parametrieren kann. Die Kommunikationsverbindung 12 kann im Übrigen auch genutzt werden, um anderweitige Rückmeldungen vom Röntgendetektor 4 zu geben, beispielsweise, dass das akustische Signal innerhalb einer bestimmten Zeit nicht empfangen wurde.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die empfangendem Transducer 9, 19 vorliegend mit einer Abtastrate von 100 kHz betrieben werden, um eine Messgenauigkeit von weniger oder gleich 10 µs zu erhalten, die ausreichend für eine Ortsauflösung der relativen Positionsinformation im Millimeterbereich ist.
Neben dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Übrigen auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen mehrere sendende Transducer 8 verwendet werden, wobei dann das Aussenden der akustischen Signale zeitversetzt erfolgt und/oder akustische Signale mit unterschiedlichen, unterscheidbaren Eigenschaften durch die sendenden Transducer 8 ausgesendet werden. Unabhängig davon kann auch allgemein vorgesehen sein, zur besseren Unterscheidbarkeit des akustischen Signals von Umgebungsgeräuschen die Amplitude und/oder die Frequenz des akustischen Signals über die Aussendezeit zu modulieren. Auch dies erleichtert die Identifikation des akustischen Signals seitens der empfangenden Transducer 9.
Die durch die Steuerkomponenten 10, 11 gebildete Steuereinrichtung ist vorliegend auch zu einer Dopplerauswertung anhand einer Frequenzverschiebung und/oder den Zeitwerten zeitlich aufeinander folgender Signale ausgebildet, um eine die relative Bewegung zwischen dem Röntgendetektor 4 und der Strahlungsquelle 3 beschreibende Bewegungsinformation zu ermitteln.
3 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es im Positionsbestimmungssystem der Bildgebungseinrichtung 1 durchgeführt werden kann.
In einem Schritt S1 wird dabei kontinuierlich überprüft, ob eine Positionsbestimmung durchgeführt werden soll, mithin ob beispielsweise ein Zeitpunkt zur zyklischen Positionsbestimmung erreicht ist, ob ein Positionsbestimmungskriterium erfüllt ist und/oder ob eine Benutzereingabe an der Benutzerschnittstelle 20 vorgenommen wurde. Ist dies der Fall, wird in einem optionalen Schritt S2 zunächst eine Vermessung der aktuellen Umgebungsgeräusche, wie bereits beschrieben, vorgenommen, um die Eigenschaften des im Folgenden auszusendenden akustischen Signals so anzupassen, dass eine möglichst gute Detektierbarkeit gegeben ist, insbesondere also Frequenzen zu nutzen, die im Frequenzspektrum der Umgebungsgeräusche mit niedrigeren Anteilen als andere Frequenzen vorhanden sind. Dabei sei noch angemerkt, dass davon ausgegangen wird, dass entsprechend geänderte Eigenschaften über die Kommunikationsverbindung 12 genauso kommuniziert werden wie dass nun ein Messvorgang beginnt.
In einem Schritt S3 steuert die durch die Steuerkomponenten 10, 11 gebildete Steuereinrichtung den sendenden Transducer 8 an, das akustische Signal auszugeben. In einem Schritt S4 wird das akustische Signal von den empfangenden Transducern 9 sowie von dem Referenztransducer 19 empfangen und es werden die entsprechenden Zeitwerte, insbesondere also Laufzeiten und Laufzeitdifferenzen sowie die Referenzlaufzeit, bestimmt.
Auf Basis dieser Zeitwerte findet unter Berücksichtigung der Daten des Lagesensors 17 und gegebenenfalls des Temperatursensors 18 die Ermittlung der die relative Position des Röntgendetektors 4 zu der Strahlungsquelle 3 beschreibenden relativen Positionsinformation statt. Nachdem bekannt ist, wo an den entsprechenden relativ zueinander bewegbaren Einheiten 6, 7 die Transducer 8, 9 angeordnet sind, lässt sich die relative Positionsinformation bezüglich ausgezeichneter Punkte der Strahlungsquelle (hier beispielsweise des Fokuspunktes) und des Röntgendetektors 4 (hier beispielsweise des Mittelpunkts der Detektorfläche) bestimmen.
Ist die relative Positionsinformation im Schritt S5 bestimmt, kann sie in einem Schritt S6 entsprechend verwendet werden, beispielsweise zur Überprüfung einer vorhandenen Bildgebungskonfiguration, zur Ausgabe von Hinweisen an einen Benutzer, um eine verbesserte Positionierung zu erreichen und dergleichen.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass selbstverständlich auch weitere Zusatzinformationen in die Auswertung im Schritt S5 eingehen können. So kann beispielsweise, vgl. 2, zusätzlich zu dem Positionsbestimmungssystem auch ein optisches Detektionssystem 23 mit einer Kamera 22 vorhanden sein, welches Zusatzinformationen für die Auswertung liefert.
4 zeigt schließlich einen weiteren Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist dort ein Raum 24, der unbeweglich ist, dennoch jedoch als Einheit aufzufassen ist, nachdem sich innerhalb des Raums weitere unabhängig bewegbare Einheiten 6 befinden, die mithin relativ zu dem Raum 24 bewegbar sind. Dabei handelt es sich vorliegend um eine medizinische Behandlungseinrichtung 25, eine Patientenlagerungseinrichtung 26 und eine unabhängig bewegbare Komponente 27 der Behandlungseinrichtung 25. Der Raum 24 weist einen sendenden elektro-akustischen Transducer 8 auf, die Einheiten 6 jeweils empfangende elektro-akustische Transducer 9, so dass sich ihre Positionen im Raum 24 anhand der Zeitwerte der empfangenen akustischen Signale bestimmen lässt. Wie im Fall der 1 und 2 kann auch hier im Übrigen die umgekehrte Konfiguration gegeben sein, also der Raum 24 empfangende Transducer 9 aufweisen und die Einheiten 6 sendende Transducer 8. Ferner kann die Ermittlung der relativen Positionsinformation auch dann erfolgen, wenn mehrere sendende Transducer 8 mit einzelnen empfangenden Transducern 9 kombiniert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Bildgebungseinrichtung
2: Mobileinheit
3: Strahlungsquelle
4: Röntgendetektor
5: Tragegriff
6: erste Einheit
7: zweite Einheit
8: Transducer
9: Transducer
10: Steuerkomponente
11: Steuerkomponente
12: Kommunikationsverbindung
13: Kommunikationseinrichtung
14: Kommunikationseinrichtung
15: Zeitgeber
16: Zeitgeber
17: Lagesensor
18: Temperatursensor
19: Referenztransducer
20: Benutzerschnittstelle
21: Bedienelement
22: Kamera
23: Detektionssystem
24: Raum
25: Behandlungseinrichtung
26: Patientenlagerungseinrichtung
27: Komponente
S1–S6: Schritt

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer eine relative Position zwischen wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Einheiten (6, 7) beschreibenden Positionsinformation, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Einheiten (7) mittels wenigstens eines elektro-akustischen Transducers (8) ein akustisches Signal aussendet und die andere der Einheiten (6) mittels wenigstens eines elektro-akustischen Transducers (9) das akustische Signal empfängt, wobei die relative Positionsinformation durch Auswertung wenigstens eines Zeitwerts bezüglich des empfangenen Signals ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallsignal wenigstens eine im menschlich hörbaren Frequenzbereich liegende Frequenz und/oder eine Frequenz, die kleiner als 15 kHz, insbesondere kleiner oder gleich 1 kHz, ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsinformation unter Berücksichtigung einer Laufzeit des Signals vom wenigstens einen sendenden Transducer (8) zum wenigstens einen empfangenden Transducer (9) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer empfangender Transducer (19) zur Ermittlung einer Referenzlaufzeit verwendet wird, dessen Abstand zu dem sendenden Transducer (8) fest und bekannt oder bestimmbar ist, wobei die Positionsinformation unter Berücksichtigung auch der Referenzlaufzeit ermittelt wird, und/oder dem sendenden Transducer (8) und dem empfangenden Transducer (9) Zeitgeber (15, 16)) zugeordnet sind, die miteinander synchronisiert sind oder werden oder deren Zeitoffset bestimmt ist oder wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsinformation unter Berücksichtigung einer anhand von Ankunftszeiten oder einer Phasendifferenz ermittelten Laufzeitdifferenz zwischen wenigstens zwei empfangenden Transducern (9) und/oder zwischen wenigstens zwei mit demselben Transducer (9) von unterschiedlichen sendenden Transducern (8) empfangenen akustischen Signalen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ausrichtung der sendenden Einheit (7) zur empfangenden Einheit (6) aus den Laufzeitdifferenzen bestimmt wird und/oder eine Relativposition der sendenden Einheit (7) zur empfangenden Einheit (6) durch Triangulation, insbesondere unter Berücksichtigung einer die sendende Einheit (7) einer Seite der empfangenden Einheit (6) zuordnenden Zusatzinformation, ermittelt wird und/oder die Laufzeitdifferenzen mittels eines LMS-Algorithmus bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Positionsinformation auch eine eine relative Bewegung zwischen den Einheiten (6, 7) beschreibende Bewegungsinformation durch Dopplerauswertung zeitlich aufeinanderfolgend empfangener akustischer Signale und/oder einer Frequenzverschiebung eines empfangenen akustischen Signals ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Positionsinformation, insbesondere zur Auflösung von Doppeldeutigkeiten, wenigstens eine einen geometrischen Zusammenhang zwischen der sendenden Einheit (7) und der empfangenden Einheit (6) beschreibende Zusatzinformation verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere während einer Nichtmessphase, mittels wenigstens eines empfangenden Transducers (9, 19) Umgebungsgeräusche vermessen und ausgewertet werden, wobei wenigstens eine Eigenschaft des akustischen Signals, insbesondere wenigstens eine genutzte Frequenz, zur besseren Messbarkeit des akustischen Signals durch den empfangenden Transducer (9) in Abhängigkeit des Auswertungsergebnisses der Umgebungsgeräusche angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sendende Einheit (7) und die empfangende Einheit (6) zusätzlich zu den akustischen Signalen über eine weitere, insbesondere drahtlose Kommunikationsverbindung (12) kommunizieren.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kommunikationsverbindung (12) wenigstens eine von der jeweils anderen Einheit (6, 7) zur Bestimmung der Positionsinformation verwendete, das akustische Signal betreffende Auswertungsinformation von einer Einheit (7, 6) zu der anderen Einheit (6, 7) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussendung des akustischen Signals in Abhängigkeit eines über eine Benutzerschnittstelle (20) erfolgten Bedienersignals erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer des wenigstens einen empfangenden Transducers (9) als Teil der wenigstens teilweise akustischen Benutzerschnittstelle (20) zur Aufnahme von Sprachkommandos verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Einheiten (6, 7) Komponenten einer medizinischen Einrichtung, insbesondere einer medizinischen Bildgebungseinrichtung (1), verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer strahlungsbasierten Bildgebungseinrichtung (1) als medizinische Einrichtung ein Detektor (4), insbesondere Röntgendetektor (4), und eine Strahlungsquelle (3) und/oder eine die Strahlungsquelle (3) tragende Komponente als Einheiten (6, 7) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens eine der Einheiten (6, 7) ein Raum (24) verwendet wird, in dem sich bei einem sendende Transducer (8) aufweisenden Raum (24) mehrere empfangende Einheiten (6) oder bei einem empfangende Transducer (9) aufweisenden Raum (24) mehrere sendende Einheiten (7) befinden.
Positionsbestimmungssystem zur Ermittlung einer eine relative Position zwischen wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Einheiten (6, 7) beschreibenden Positionsinformation, aufweisend: – wenigstens einen an einer der Einheiten (6) angeordneten elektro-akustischen Transducer (8) zum Aussenden eines akustischen Signals, – wenigstens einen an einer anderen der Einheiten (7) angeordneten elektro-akustischen Transducer (9) zum Empfangen des akustischen Signals, und – eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Transducer (8, 9) und zur Ermittlung der relativen Positionsinformation durch Auswertung wenigstens eines Zeitwerts bezüglich des empfangenen akustischen Signals.
Medizinische Einrichtung, insbesondere medizinische Bildgebungseinrichtung (1), aufweisend wenigstens eine gegen eine weitere Einheit (6, 7) der medizinischen Einrichtung unabhängig relativ bewegbare Einheit (7, 6) und ein Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 17 zur Ermittlung der relativen Positionsinformation der Einheiten (6, 7).