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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur medizinischen Diagnose
und/oder Therapie, das Antriebsmittel zum Bewegen mindestens eines
beweglichen Teils des Geräts
und eine Detektionsvorrichtung zum Erkennen der Anwesenheit eines
Objekts enthält,
das in Kontakt mit dem beweglichen Teil des Geräts ist, wobei die Detektionsvorrichtung
Folgendes umfasst:
- – Sensormittel zum Erkennen
einer auf das bewegliche Teil ausgeübten Momentankraft,
- – Vergleichsmittel
zum Vergleichen der genannten Kraft mit einem für diese Kraft erwarteten Wert,
der in dem Gerät
zur Verfügung
steht,
- – wobei
die Vergleichsmittel dafür
eingerichtet sind, ein Alarmsignal zu erzeugen, wenn eine vorgegebene Differenz
zwischen der genannten Kraft und dem genannten Erwartungswert überschritten
wird, und
- – Reaktionsmittel,
um auf das Alarmsignal hin eine Reaktion durch die Antriebsmittel
zu initiieren.
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Ein
Gerät dieser
Art ist aus der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.570.770 bekannt.
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Allgemein
kann ein Gerät
für die
medizinische Diagnose und/oder Therapie mit einem Strahlungsemitter
und einem Strahlungsempfänger
ausgerüstet
sein. Ein Beispiel in dieser Hinsicht ist ein medizinisches Röntgengerät mit einer
Röntgenquelle
und einem Röntgenempfänger, der üblicherweise
als Bildverstärker
bezeichnet wird. Diese beiden Elemente sind in einem Abstand zueinander
angeordnet, wobei der zu untersuchende oder zu behandelnde Patient
zwischen der Röntgenquelle
und dem Bildverstärker
positioniert wird. Die Röntgenquelle
und der Bildverstärker
sind relativ zum Körper
des Patienten positioniert, so dass ein Bild des gewünschten
Querschnitts des Körpers
(des Objekts) gebildet werden kann. Die Orientierung und die Position eines
derartigen Geräts
können
oft mit Hilfe von Antriebsmitteln in Form eines Motorantriebs justiert
werden. Allgemein sind unter dem Ausdruck „Objekt" im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung der Körper eines
zu untersuchenden Patienten oder ein anderer zu untersuchender Körper, der
Körper oder
ein Teil des Körpers
einer das Gerät
bedienenden Person, Teile des Geräts selbst (zum Beispiel die
Patientenliege) oder von benachbarten Geräten, oder andere Hindernisse
zu verstehen, die in den Bewegungspfad von Teilen des Geräts gelangen
können.
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Derartige
Geräte
sind oft mit einem so genannten C-Bogen ausgestattet, d.h. einer
bogenförmigen Halterung,
die mit Hilfe eines Schienensystems um ihre eigene Ebene gedreht
werden kann (d.h. um eine Achse, die senkrecht zu der Ebene verläuft, in
der sich der C-Bogen befindet), wobei die Ebene des genannten C-Bogens
selbst um eine in der genannten Ebene befindliche Achse drehbar
ist. In vielen Fällen
gibt es auch eine Vielzahl von anderen Möglichkeiten zur Verschiebung.
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Während der
Benutzung des Geräts
ist es wichtig, dass ein beweglicher Teil, zum Beispiel der Bildverstärker, nahe
an das zu untersuchende Objekt herankommt, um die gewünschte Bildklarheit
zu erreichen. Der Bildverstärker
hat eine vergleichsweise große
Frontfläche
zum Empfangen der Röntgenstrahlen
und jeder beliebige Punkt auf dieser Frontfläche oder auf ihrem Umfang könnte mit
dem zu untersuchenden Objekt in Kontakt kommen. Eine derartige Kollision
kann in jeder Bewegungsrichtung des Bildverstärkers erfolgen. Dies ist unerwünscht, und
daher ist ein Gerät
dieser Art mit einer Detektionsvorrichtung zum Erkennen der Anwesenheit
eines Objekts in der Nähe
des beweglichen Teils des Geräts
oder in Kontakt hiermit ausgestattet.
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Es
ist wichtig, eine derartige Detektionsvorrichtung aufzunehmen, insbesondere
bei motorbetriebenen Geräten.
Wenn ein Kontakt zwischen dem beweglichen Teil des Geräts und einem
Objekt erkannt wird, kann die Bewegung des genannten (Teils des)
Geräts
gestoppt werden, um somit den Schweregrad der Folgen einer Kollision
zu minimieren.
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In
der genannten US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.570.770 wird
ein medizinisches Röntgengerät beschrieben,
das mit einer elektrischen Detektionsvorrichtung zum Erkennen der
Anwesenheit eines Objekts ausgestattet ist, das in Kontakt mit einem
beweglichen Teil des Geräts
ist. Die Sensormittel in einem derartigen Gerät sind dafür eingerichtet, den durch den
Antriebsmotor aufgenommen Strom bzw. die durch diesen aufgenommene
Leistung zu messen. Diese Größen stellen
einen Hinweis auf die auf das bewegliche Teil ausgeübte Momentankraft
dar; dieser Momentanwert kann mit einem Erwartungswert für die genannte
Kraft verglichen werden, der in dem Gerät gespeichert ist. Wenn die
Differenz zwischen dem Momentanwert und dem Erwartungswert einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
wird davon ausgegangen, dass die Bewegung des beweglichen Teils
durch ein Objekt behindert wird und somit, dass eine Kollision stattfindet.
Dem zufolge wird ein Alarmsignal erzeugt, und in Reaktion darauf
wird der Antriebsmotor zum Reagieren veranlasst; der Motor kann
zum Beispiel gestoppt und gebremst oder nur gestoppt werden; er
kann auch dazu veranlasst werden, nach dem Stoppen eine Rückzugbewegung
durchzuführen.
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Da
die Sensormittel in dem bekannten Gerät den vom Antriebsmotor aufgenommenen
Strom und/oder die von diesem aufgenommene Leistung messen, ist
die Bestimmung der auf das bewegliche Teil ausgeübten Momentankraft ungenau
und nicht sehr gut reproduzierbar. Auf der einen Seite kann dies
zu dem Schluss führen,
dass eine Kollision erfolgt, obwohl keine derartige Kollision vorliegt,
und auf der anderen Seite zu einem verspäteten Erkennen einer tatsächlich auftretenden
Kollision. Beide Situationen sind natürlich für medizinische Ausrüstung nicht
erwünscht.
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In
dem Dokument
US 5.097.495 wird
ein Steuerungssystem zur Kollisionserkennung mit einem Kollisionssensor
beschrieben. Der Sensor ist direkt auf dem beweglichen Teil der
genannten Vorrichtung angeordnet.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, ein Gerät der beschriebenen Art zu
schaffen, bei dem ein Kollisionsstatus auf genauere und besser reproduzierbare
Weise ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Gerät dadurch
gekennzeichnet, dass die Sensormittel einen Kraftsensor umfassen,
der in einer derartigen Position angeordnet ist, dass er direkt
und als Funktion der Zeit die auf das bewegliche Teil ausgeübte Momentankraft
erkennt. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Tatsache,
dass Unvollkommenheiten auf die Tatsache zurückzuführen sind, dass eine Vielzahl
von Zwischenteilen für
Kraftübertragung
und Antreiben zwischen dem beweglichen Teil des Geräts und seinem
Antrieb vorhanden sind. Jedes der genannten Zwischenteile führt Reibung,
Massenträgheit,
Spiel und elastische Verformung ein; außerdem sind derartige Phänomene in
hohem Maße
abhängig
von der momentanen Position und Beschleunigung der beweglichen Teile
und von dem Stadium der Alterung des Geräts. Wenn die auf das bewegliche
Teil ausgeübte
Momentankraft ohne eine derartige Zwischenanordnung dieser Komponenten
ermittelt wird, wird deren Effekt eliminiert.
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Die
auf das bewegliche Teil des Geräts
der Erfindung ausgeübten
Kräfte
werden über
Führungsmittel auf
das Gerät übertragen,
die auf einem der anderen Teile des Geräts aufliegen, wobei der Kraftsensor
in oder direkt an den genannten Führungsmitteln angeordnet ist.
Die Führungsmittel
umfassen insbesondere die Lageranordnung einer Antriebsspindel zum
Antreiben des beweglichen Teils. Bei dieser Ausführungsform wird eine möglichst
direkte Kopplung zwischen dem Kraftsensor und dem beweglichen Teil
realisiert.
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In Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Gerät
mit Statussensormitteln zum Ermitteln des positions- und/oder bewegungsbezogenen
Status des Geräts
ausgestattet und den Vergleichsmitteln in dem Gerät steht
ein Datensatz mit Erwartungswerten zur Verfügung, wobei die genannten Daten
eine Funktion des positions- und/oder bewegungsbezogenen Status
des Geräts
sind. Infolge dieser Schritte kann eine Vielfalt an variablen Effekten,
die auf die zu bestimmende Kraft ausgeübt werden, berücksichtigt
werden, zum Beispiel der Effekt der Schwerkraft bei verschiedenen
Zuständen
des Geräts.
In diesem Zusammenhang ist der Ausdruck „verschiedene Zustände" so zu verstehen,
dass damit alle Parameter gemeint sind, die den Status des betreffenden
beweglichen Teils des Geräts
definieren. Im Fall eines von einem C-Bogen getragenen Bildverstärkers können dies
daher die Winkeldrehung des C-Bogens (in seiner eigenen Ebene und
um eine in der genannten Ebene befindliche Achse) und die Höheneinstellung
des Bildverstärkers relativ
zu seiner Führung
sein. Diese Schritte ermöglichen
auch die Berücksichtigung
anderer variabler Effekte, die auf die zu bestimmende Kraft ausgeübt werden,
zum Beispiel die Wirkung der Beschleunigung von verschiedenen Teilen
des Geräts,
wieder bei verschiedenen Zuständen
des Geräts.
Die Zusammenstellung derartiger Parameter stellt den positions-
und/oder bewegungsbezogenen Status des Geräts dar. Die genannten Statussensormittel
erkennen den positionsbezogenen Status und/oder den bewegungsbezogenen
Status des Geräts
und die somit erlangte Datensatz (d.h. der Momentanwert des positionsbezogenen
Status und/oder des bewegungsbezogenen Status des Geräts) fungiert
dann als eine Variable für
die Auswahl des momentanen Erwartungswertes aus dem Datensatz der
Erwartungswerte.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Geräts ist mit
Statussensormitteln zum Ermitteln des positions- und/oder bewegungsbezogenen
Status des Geräts
ausgestattet, wobei die Vergleichsmittel in dem Gerät mit Prozessormitteln
ausgestattet sind, um den genannten Erwartungswert auf der Basis
eines Modells des Geräts
und in Abhängigkeit
von dem positions- und/oder bewegungsbezogenen Status des Geräts zu berechnen
und darzustellen. Diese Schritte ermöglichen auch die Berücksichtigung
der auf die zu bestimmende Kraft ausgeübten Effekte, wobei die genannten
Statussensormittel den positions- und/oder bewegungsbezogenen Status
des Geräts
ermitteln. Der durch die Statussensormittel in dieser Ausführungsform präsentierte
Datensatz wird einem Prozessor zuge führt, dessen Software ein Modell
des Geräts
enthält,
das heißt,
die Gleichungen, die erforderlich sind, um den Erwartungswert für die betreffende
Kraft in Abhängigkeit von
dem genannten Datensatz zu berechnen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil,
dass Effekte, die in der Zeit variieren, zum Beispiel Reibungskräfte oder
Spiel, das sich aufgrund von Verschleiß ändert, oder elastische Verformung,
die sich aufgrund einer reduzierten Steifigkeit der Komponenten
verändert,
leicht angepasst werden können,
indem die relevanten Zahlenwerte in der Software modifiziert werden.
Diese Werte sind zum Beispiel die Zahlenwerte der Reibungskoeffizienten,
die Größe des Spiels
und die Elastizitätsmodule.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, in
denen übereinstimmende
Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
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1 eine
allgemeine Ansicht eines bekannten medizinischen Röntgengeräts, in dem
die Kollisionserkennung erfolgen kann;
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2 eine
vereinfachte Darstellung der wesentlichen an der Kraftmessung in
einem medizinischen Röntgengerät beteiligten
Komponenten;
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3 eine
schematische Darstellung der Kraftmessung in einem medizinischen
Röntgengerät; und
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4 eine
schematische Darstellung eines Modells des Vergleichs der momentan
auftretenden Kraft mit dem Erwartungswert.
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1 zeigt
eine allgemeine Ansicht eines medizinischen Diagnose- und/oder Therapiegeräts in Form eines
Röntgengeräts. Das
Röntgengerät umfasst
eine Halterung 2, an der eine Röntgenquelle 4 und
ein Röntgenbildverstärker 6 montiert
sind. Die Halterung hat die Form eines kreisförmigen Bogens, so dass sie
mittels eines Schienensystems 8 um eine Achse gedreht werden
kann, die senkrecht zu der Ebene des Bogens verläuft. Diese Art der Halterung
ist als C-Bogen bekannt; im Allgemeinen lassen sich diese C-Bögen auch
um eine Achse drehen, die in der Ebene eines Kreisbogens liegt.
Der Mechanismus für
die letztgenannte Bewegung ist nicht in der Figur abgebildet. Die
durch die Halterung 2 und das Schienensystem 8 gebildete
Baugruppe ist außerdem
um eine Welle 10 drehbar. Diese Welle ist an einem Ständer 12 montiert,
der, falls gewünscht, so
konstruiert sein kann, dass er mobil ist. Die Röntgenquelle 4 und
der Röntgendetektor 6 sind
vorzugsweise ebenfalls relativ zu der Halterung 2 verschiebbar.
Um eine einfache Verschiebung dieser Komponenten zu realisieren,
sind sie mit einem Motorantrieb ausgestattet, der nicht in dieser
Figur abgebildet ist. Das zu untersuchende Objekt, in diesem Fall
der Körper
des zu untersuchenden oder zu behandelnden Patienten, ist auf einer Liege
(nicht in der Figur abgebildet) positioniert, die zwischen dem Bildverstärker 6 und
der Röntgenquelle 4 angeordnet
ist. Aufgrund der beschriebenen Möglichkeiten für die Bewegung
des C-Bogens 2, des Bildverstärkers 6 und der Röntgenquelle 4 können diese
Komponenten in allen gewünschten
Richtungen auf den Patienten ausgerichtet werden, so dass Bilder
von allen gewünschten
Querschnitten erzeugt werden können.
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Die
Bewegbarkeit des Bildverstärkers 6 relativ
zu der Halterung 2 wird durch ein Kupplungsstück 14 erreicht,
auf dem der Bildverstärker
entlang einer imaginären
Verbindungslinie zwischen der Röntgenquelle 4 und
dem Bildverstärker 6 verschoben
werden kann. Aufgrund ihrer Beweglichkeit können die beweglichen Teile,
wie zum Beispiel der Bildverstärker 6,
leicht mit dem Körper
des zu untersuchenden Patienten oder mit anderen Hindernissen in
Kontakt kommen. Es ist wünschenswert,
einen derartigen Kontakt zu erkennen; aus diesem Grunde ist das
Röntgengerät mit einer
Detektionsvorrichtung zum Erkennen der Anwesenheit eines Objekts
ausgestattet, das in Kontakt mit dem beweglichen Teil des Geräts ist,
wie im Folgenden ausführlich
unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren beschrieben wird.
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2 zeigt
eine vereinfachte Ansicht der wesentlichen an der Kraftmessung in
einem medizinischen Röntgengerät beteiligten
Komponenten. In diesem Fall ist der Bildverstärker 6 als relevante
Komponente gewählt.
Der Bildverstärker 6 ist
mittels eines Kupplungsstücks 14 (siehe 1)
mit dem C-Bogen 2 verbunden, das eine lineare Führung 16 umfasst,
welche durch eine Spindel 18 angetrieben wird. Die Spindel
ist mit einem Motor 20 verbunden, der die Spindel 18 über ein
Getriebe 22 antreibt. Das Lager 24 der Spindel
ist nicht starr mit dem Rahmen (das heißt dem C-Bogen) des Röntgengeräts verbunden,
sondern von einem Ende eines Hebels 26 abgehängt, dessen
anderes Ende durch einen Kraftsensor 28 festgehalten wird,
auf Wunsch über
eine Triebwelle 30. Der Hebel 26 schwenkt um einen
Drehpunkt 32 und ermöglicht
damit die Justierung einer Kraftübertragung
mit einem gewünschten
Kraftverhältnis.
Der abgebildete Kraftsensor 28 kann die auf den Bildverstärker 6 wirkende
Gesamtkraft in der Richtung der linearen Führung 16 messen. Kraftmessungen
in anderen Richtungen als in 2 angegeben
können
auf ähnliche
Weise durchgeführt
werden.
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In
3 ist
schematisch die Kraftmessung in einem medizinischen Röntgengerät dargestellt.
Das Gewicht des Bildverstärkers
6 und
die darauf wirkenden Kräfte
werden gemessen, indem das Prinzip einer Waage mit einem Sensorarm
L
s 34 und einem Lastarm L
l 36 angewendet wird, wobei der
Drehpunkt
32 mit dem Rahmen des Geräts verbunden ist. Der Antriebsmotor
20 ist über einen
Motorarm L
m 38 in einem Winkel φ mit dem Hebel
26 verbunden.
Das Ende des Sensorarms
34 ist mit dem Kraftsensor
28 verbunden,
dessen andere Seite mit dem Rahmen des Geräts verbunden ist. Es wird davon
ausgegangen, dass die Ebene des C-Bogens um einen Winkel β relativ
zu der vertikalen Ebene gedreht wurde und dass der Hebel
26 einen
Winkel α relativ zu
der horizontalen Richtung einschließt. Die durch den Sensor gemessene
Kraft wird dann durch die Summe der folgenden Teilkräfte bestimmt:
1) die statischen Gravitationskräfte,
die auf den Bildverstärker
6 und
den Antriebsmotor
20 wirken; 2) die Zentrifugalkräfte, die
während
der Bewegung des C-Bogens auftreten (der sich in seiner eigenen
Ebene dreht sowie während
der Drehung um eine Achse in der genannten Ebene), und 3) die Beschleunigungskräfte auf
den Bildverstärker
während
der Verschiebung entlang der linearen Führung. In diesen Fällen kann
die Messung wie folgt in einer Formel ausgedrückt werden:
wobei
M
m die Masse des Motors ist, M
l die
Masse des Bildverstärkers,
F
s die auf den Kraftsensor wirkende Kraft
und g die Beschleunigung der Schwerkraft.
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Zur
Bestimmung der auftretenden Zentrifugalkraft sollten beide Massen
Ml und Mm in eine
Scheinmasse M'l auf der Lastseite transformiert werden,
und zwar gemäß der folgenden
Gleichung (2):
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Wie
bekannt, wird die auf den Kraftsensor wirkende Zentrifugalkraft
Fcp durch die zentripetale Beschleunigung
acp (die selbst von der Winkelgeschwindigkeit ω abhängig ist)
und die Scheinmasse M'l bestimmt. Der Ausdruck für Fcp ergibt sich dann aus der obigen Gleichung:
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Schließlich werden
die Beschleunigungskräfte
a, die während
der Verschiebung entlang der linearen Führung auf den Bildverstärker wirken,
gegeben durch: Fa = Ml × a (4)
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Mit
Hilfe der obigen Gleichungen kann die auf den Sensor wirkende Gesamtkraft
wie folgt bestimmt werden: Ftot = Fs (α, β) + Fcp + Fs (5)
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Der
Erwartungswert für
die auf den Kraftsensor wirkende Kraft kann mit Hilfe der letztgenannten
Gleichung (5) bestimmt werden.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Modells des Vergleichs der momentan
auftretenden Kraft mit dem Erwartungswert. Die Größen, die
für die
Bestimmung des Erwartungswerts der auf den Kraftsensor wirkenden
Kraft relevant sind, sind der Winkel α, der Winkel β, die Winkelgeschwindigkeit ω und die
Beschleunigung a. Diese Größen werden
in eine Nachschlagtabelle übertragen,
in der der Erwartungswert als Funktion der genannten Größen gespeichert
wird, oder an einen Prozessor 40, dessen Software ein Modell des
Geräts
enthält,
das heißt,
die Gleichungen, die benötigt
werden, um den Erwartungswert für
die betreffende Kraft in Abhängigkeit
von dem genannten Datensatz zu berechnen. Anhand des genannten Modells
bestimmt der Prozessor 40 den Erwartungswert Ftot,
der anschließend
einem Differentiator 42 zugeführt wird, dessen anderer Eingang
die an dem Sensor 28 gemessene Kraft Fsm empfängt. Die
Differenz zwischen diesen beiden Größen erscheint als eine Funktion
der Zeit 48 am Ausgang des Differentiators, wobei die genannte Differenz
in einem Komparator 44 mit einem vorgegebenen unteren Grenzwert 46a und
einem vorgegebenen oberen Grenzwert 46b verglichen wird.
Wenn die genannten Grenzwerte überschritten
werden, wird ein Alarmsignal erzeugt und der Antriebsmotor veranlasst,
darauf zu reagieren; er kann zum Beispiel gestoppt und gebremst
oder nur gestoppt oder nach dem Stoppen außerdem zu einer Rückzugbewegung
veranlasst werden.
