JP2008511953A - Ｘ線装置用の近接センサ - Google Patents

Abstract

医療撮像システムのスイングアームに対し物体及び位置の検知及び／又は位置の制御に使用するための容量型近接センサである。前記近接センサは、カバー１８内において、エミッタ電極１０及び検知電極９を有し、両方とも導電材料の層をカバー１８の内側表面上に噴霧、そうでなければコーティング又は塗布することにより形成される。キャリアプレート３０は、カバー１８内において、そこからある距離だけ離れて取り付けられ、その上に、検知電極９に対しアクティブガード電極１３、及びエミッタ電極１０に対し接地シールド電極１５を設ける。検知電極９とカバー１８との間に間隙は事実上存在しないので、前記センサは例えば温度及び／又は湿度の環境変化により生じる材料の変化の影響に対する感度が低い。

Description

本発明は一般的に、例えば電動式のスイングアーム(swing arm)が近くにある物体又は人間と衝突するのを避けるのに使用される容量型近接センサに関する。

図１及び図２を参照すると、標準的なＸ線システムは、ロボットアーム３により支持され、患者台２に隣接するスイングアーム（Ｃ−アーム又はＧ−アーム）１を有する。スイングアーム１内に収容される、Ｘ線管４及びＸ線検出器５を備える。Ｘ線検出器５は、患者７を通過したＸ線６を入力し、それの強度分布を表す電気信号を発生させるように構成及び設計される。

スイングアーム１を移動させることにより、Ｘ線管４及び検出器５は、患者７に対して何らかの所望の位置及び配向に置かれることができる。スイングアーム１の移動は、１つ以上のモータ（図示せず）により動かされ、患者、オペレータ及び／又は他の物体をスイングアームとの衝突から守るために、このスイングアーム１の円弧の危険箇所Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに近接センサが置かれる。

本出願に普通に用いられる近接センサは、地面に対し容量性であり及び／又は静的に充電されることが可能である何らかの物体又は人間を検知することが可能である容量型近接センサとして知られている。容量型近接センサは、センサの面又は表面をコンデンサの一方のプレートとして、及び導電又は誘電性の標的物体の表面をコンデンサのもう一方のプレートとして使用する。静電容量はこの構成におけるコンデンサのプレート間の距離とは反対に変化し、標的の検知をトリガするためにある値が設定される。この検知の原理は、電場特性の変化の測定に基づいている。前記センサが物体を検知する場合、出力電圧が変化する。制御システムは、出力電圧があるレベルよりも下に落ちる場合、モータの速度を減少させ、衝突を避けるために最終的にそれを停止させるように、スイングアーム駆動モータの速度を制御するのに用いられる。このような制御システムは例えば米国特許出願公開番号US2004/0017210 A1から既知であり、これに記載されている。

図３をさらに詳細に参照すると、既知の容量型近接センサ装置は、エミッタ電極１０を介して、検知又は"レシーバ"電極９に容量結合される１００ｋＨｚの正弦波発振器８を有し、エミッタ電極１０からレシーバ電極９へ進む（場の線１１により示される）電場が作り出される。レシーバ電極９は、（"無限大に近い"）非常に高い入力インピーダンスと、非常に低い出力インピーダンスとを持つ増幅器１２に接続されている。この増幅器１２の利得はほぼ１である。レシーバ電極９は前記増幅器１２の入力部に接続され、この増幅器１２の出力部はガード電極１３を駆動させるのに使用される。これにより、ガード電極１３は、レシーバ電極９に印加される信号と同じであるが、その信号とは電気的には絶縁されている信号により駆動され、ガード電極１３と接地との間の静電容量がレシーバ電極９と接地との間の静電容量を打ち消し、これによりセンサの感度が高められる。ガード電極１３は、レシーバ電極９の電位の障害物に面していない全ての部分を遮蔽し、このガード方法は、"アクティブガード"として知られ、１×の増幅器の出力をガード電極１３に接続することにより、このエリアの周りの空間は電位が無く、電場が発生しないので、レシーバ電極９は、それ自身の電位をガード電極１３の方向に"見る"。接地シールド１５は、エミッタ電極１０の電位の障害物１４に面していない側に設けられる。増幅器１２の出力は、信号調整手段１６に入力され、その出力１７は処理システム（図示せず）に送られる。

前記センサの近くに接地している物体１４がない場合、エミッタ電極１０とレシーバ電極９との間の全容量結合は、レシーバ電極９に"着陸(land)"し、その電位は最大まで上昇する。計測される電位は整流され、バッファリングされたＤＣ電圧として前記処理システムへ送られる。接地した物体１４が電極構造へ近づく場合、レシーバ電極９に存在する電位の一部が接地へ引っ込み、これにより接地した物体１４が計測容積に入る場合、検知電位の減少及び対応するＤＣ出力電圧の減少を生じさせる。電位の障害物の正確な位置、配向及び航行する向きを決めるために、スイングアームの保護カバー１８内におけるキーとなる場所Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに幾つかのセンサが取り付けられる。従来は、ガード電極１３、エミッタ電極１０、レシーバ電極９及び接地シールド１５は、単一のプリント基板上にまとめられ、この基板は次いで前記カバー１８の内側に貼り付けられる。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、従来は、レシーバ電極９及びエミッタ電極１０は、センサカバー１８に面しているキャリアプレート３０の一方の側に設けられ、個々のアクティブガード電極１３及び接地シールド１５は通常、前記キャリアプレート３０の反対側に設けられている。これにより構成されるこのキャリアプレート３０は、レシーバ電極９とセンサカバー１８との間に間隙３２が存在するように、前記センサカバー１８の後ろにスイングアーム内に取り付けられる。使用時に、前記装置は図４ａに示されるような敏感な物体検知エリア３４を規定する。

しかしながら、この構造は、非常に小さな局所的な変化、例えば周囲の環境における温度及び湿度の変化により生じるセンサとカバーとの間の距離の非常に小さな変化に対し前記センサを特に敏感にさせる。前記システムは、この影響を物体の検知又は不良センサの識別と区別することができないため、このシステムは、１秒当り実際のシステムにおいて少なくとも２５°から８°又はさらには０°まで不必要に減速させ、繰り返しのビープ音は、センサが信頼できないことを示すためにしばしば存在する。特定の環境に依存する場合、Ｘ線撮像分野において、前記システムがこのやり方で不必要に減速することが防止される場合、１日に少なくとも１人の追加の患者が治療されることが可能であると考えられる。

従って、本発明の目的は、周囲及び環境条件が変化する状態で、増大した安定性を持つ近接センサを提供することである。

本発明によれば、カバー内において、エミッタ電極、検知電極及び前記エミッタ電極から前記検知電極への電場を発生させる手段を有する近接センサを提供し、前記センサはさらにカバーを有し、前記検知電極は、前記カバーの内側表面上に直接設けられる導電材料の層を有する。

さらに本発明によれば、カバー内において、エミッタ電極及び前記エミッタ電極から電場を発生させる手段を提供するステップを有する近接センサを製造する方法であり、前記方法はさらに導電材料の層を前記カバーの内側表面上に直接設けることにより検知電極を形成するステップを有する。

これにより、本発明は、従来のセンサに対し、より安定性があり、湿度及び気温の変化に無関係な近接センサ構造を提供する。検知電極とカバーとの間に殆ど間隙が無いので、湿度及び温度の変化により引き起こされるε_ｒの変化による検知電極とカバーとの間の距離の小さな変化に対するセンサの感度は大幅に減少し、センサカバーのε_ｒでさえも変化する環境条件と共に変わってしまうので、検知電極とカバーとの間の距離の変化が起こらないために前記センサの電圧出力に影響が無い。

上記構造の更なる利点は、前記電極がセンサカバーの曲線をうまく辿ることができることであり、これはカバーの設計処理においてより大きな自由度となる。

本発明は、撮像システム用のスイングアームにも拡張し、前記スイングアームは放射線源及び検出器を有し、さらに上述したような１つ以上の近接センサを有する。

本発明は、上記スイングアーム、前記スイングアームを撮像されるべき被写体に対して所望の位置に移動させる動力手段、及び前記１つ以上のセンサの出力に従って前記動力手段を制御する手段を有する撮像システムにさらに拡張される。

導電層は、例えばテープのような導電性の粘着材料の層を有するが、さらに好ましくは直接センサカバーの内側表面に蒸着／金属化又は噴霧される、そうでなければ塗布又はコーディングされる導電材料を有する。噴霧によるコーティングは、多くの分野において非常に素早く、よく知られる処理であると共に、迅速な試作品作成及びより短い開発期間となり、これが新しい設計に関する消費者へのフィードバックの組み込みを比較的容易に可能にする。

好ましい実施例において、エミッタ電極はさらに、前記カバーの内側表面上に直接設けられる導電材料の層を有することがわかる。キャリアプレートは、前記カバー内において、このカバーの内側表面上に設けられる検知電極及びエミッタ電極からある距離だけ離れて好ましくは取り付けられ、アクティブガード電極は、前記カバーに面しているキャリアプレートの表面上において、検知電極に対して設けられ、接地シールド部材は、前記カバーに面している前記キャリアプレートの表面上において、前記エミッタ電極に対して設けられる。

図４ａ及び図４ｂに説明されたセンサ構造に戻り簡単に参照すると、前記検知及びエミッタ電極９、１０とセンサカバー１８との間にある間隙３２のために、センサカバー１８は、検知電極９からある距離だけ離れた物体として、検知電極９により見られる。検知及びエミッタ電極９、１０とセンサカバー１８との間にある間隙３２が変化する場合、前記センサは、変化する物体を効果的に見る。センサカバー１８は検知電極９に非常に近接しているので、そこではその感度が最も高く、さらにこの間隙３２のわずかな時間での変化でさえも、環境条件（湿度及び温度）の変化に伴うセンサカバー１８の材料特性の変化（膨張及び収縮）により生じる変化が前記センサの出力電圧に大きな影響を持つほどまでに、前記センサの出力電圧に大きな影響を持つ。

この問題は、本発明に従って検知及びエミッタ電極９、１０をセンサカバー１８の内側表面上に直接形成することにより克服される。これにより、図５ａ及び５ｂを参照すると、本発明の例示的な実施例による近接センサは、センサカバー１８内においてそこからある距離だけ離れて取り付けられるキャリアプレート３０を有する。検知電極９及びエミッタ電極１０は、その上に導電材料の個々の層を形成することにより、センサカバー１８の内側表面上に直接設けられる。これは例えば、カバープレート１８の表面を導電性の塗料若しくはエポキシを用いて噴霧、蒸着による金属化、そうでなければコーティング若しくは塗布により、又は導電性の粘着テープにより達成される。

アクティブガード電極１３は、望まない（すなわち、検知される必要がある物体が置かれた場所から離れている）方向のセンサ感度を防ぐ従来のやり方で、前記検知電極９に関して設けられるが、この場合、アクティブガード電極１３は、センサカバー１８に面しているキャリアプレート３０の表面上に設けられる。同様に、接地シールド又はスクリーン１５は、上述した望まない方向への電場線１１の放射を防ぐ従来のやり方で、前記エミッタ電極１０に関して設けられるが、再びこの場合も、接地シールド１５は、センサカバー１８に面しているキャリアプレート３０の表面上に設けられる。前記アクティブガード電極１３と接地との間に一定のキャパシタンスを作るために、接地シールド１５ｂがキャリアプレート３０上に設けられる。ドライバ１２（図３参照）の負荷は一定であり、前記センサの当該側にある接地した構成要素により変化しない。

図５ａ及び５ｂの構成において、（電場線１１により示される）信号は、カバー１８を２回（すなわち、エミッタ電極１０から出るときと、レシーバ電極９に戻ってくるとき）通過する。これにより、前記カバー１８の上述した材料の変化は、電場線１１に２回影響を及ぼす、すなわち検知電極９と物体１４（図３参照）との間にある電場線１１が影響され、さらにエミッタ電極１０と物体１４との間にある電場線１１も影響される。

図６ａを参照すると、（エミッタ電極が省略される）レシーバ電極９に基づく温度／湿度安定装置が説明される。必要とされるエミッタ信号は、温度安定コンデンサを用いて（図６ｂに付加的に参照される）キャリアプレート３０上にある前記レシーバ電極９に容量（又はとにかくあるインピーダンスで）結合される。増幅器１２及び信号調整手段１６からの出力１７は、処理システム５０に送られ、この処理システム５０は他の信号調整手段５２、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）５４及びアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５６を有する。

（接地に対し容量負荷を示す）物体１４がレシーバ電極９に近づく場合、出力電圧は２つのコンデンサ、すなわち発振器８とレシーバ電極９との間の容量結合及び物体１４により示される容量負荷）に分割され、これがセンサ出力電圧の対応する減少を引き起こす。これにより、レシーバ電極９は単にこの構成にあるだけで、且つキャリアプレート３０上の容量結合により、このカバー１８の材料特性（及び温度／湿度の変化によりそれに生じる変化）が放射された電場線に影響を及ぼさない（レシーバ電極９により入力される電場線にのみ影響される）ように、エミッタ１０からの電場線はセンサカバー１８を通過しない。

本発明の原理は、以前のとおりこの場合に機能する。検知電極９はその上に導電材料の層を形成することによりセンサカバー１８の内側表面上に直接形成される。もう一度これは、例えばカバープレート１８の表面を導電性の塗料若しくはエポキシを用いて噴霧、蒸着による金属化、そうでなければコーティング若しくは塗布により、又は導電性の粘着テープにより達成される。アクティブガード電極１３は、望まない（すなわち、検知される必要がある物体が置かれた場所から離れている）方向のセンサ感度を防ぐ従来のやり方で、前記検知電極９に関して設けられ、このアクティブガード電極１３は、センサカバー１８に面しているキャリアプレート３０の表面上に再び設けられる。敏感な物体検知エリアは参照番号３４によりもう一度示される。

本発明は、医療分野を含む全ての分野での使用に適し、距離センサを設けることがシステムの移動中、患者、オペレータ又は物体の衝突を防ぐ、及び／又は患者もしくは他の被写体の一般的な位置を特定するのに望ましい又は必要であると考えられる。

上述される実施例は、本発明を限定するのではなく説明するものであり、添付される特許請求の範囲により規定される本発明の範囲から外れることなく、当業者が多くの代替の実施例を考案することが可能であることに注意すべきである。この特許請求の範囲において、括弧内に置かれる参照番号が特許請求の範囲を限定するとは考えない。「有している」及び「有する」等の言葉は、何れかの請求項又は全体として明細書に挙げた要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素を単数で言及することがこれら要素の複数での言及又はその逆を排除するものではない。本発明は幾つかの別個の要素を有するハードウェアを用いると共に、適切にプログラムされたコンピュータを用いることで実施される。幾つかの手段を列挙する装置の特許請求の範囲において、これら手段の幾つかがハードウェアの同じアイテムにより具現化されてもよい。ある測定が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これら測定の組み合わせが有利に使用されることを示している。

Ｘ線のスイングアームの概略的な側面図。 Ｘ線スイングアームの透視図。 従来技術による容量型近接センサの構造の原理を説明する概略図。 従来の近接センサの構造を説明する概略的な断面図。 図４ａの細部Ｘの概略的な断面図。 本発明の第１の例示的な実施例による近接センサの構造を説明する概略的な断面図。 図５ａの細部Ｙの概略的な断面図。 本発明の第２の例示的な実施例による近接センサの構造を説明する概略的な断面図。 図６ａのシステムの近接センサの（図５ｂの細部Ｙに対応する）概略的な断面図。

Claims (12)

1. カバー内において、エミッタ電極、検知電極及び前記エミッタ電極から前記検知電極への電場を発生させる手段を有する近接センサにおいて、前記検知電極は前記カバーの内側表面上に直接設けられる導電材料の層を有する近接センサ。
2. 前記導電材料の層は、導電性の粘着材料テープの層を有する請求項１に記載の近接センサ。
3. 前記導電材料の層は、前記センサカバーの前記内側表面上に直接噴霧される、そうでなければ塗布又はコーティングされる導電材料を有する請求項１に記載の近接センサ。
4. 前記エミッタ電極は、前記カバーに直接設けられる導電材料の層を有する請求項１に記載の近接センサ。
5. キャリアプレートは、前記カバー内において、前記カバー上に設けられる前記検知電極及び前記エミッタ電極からある距離だけ離れて取り付けられ、アクティブガード電極は、前記カバーに面している前記キャリアプレートの表面上において、前記検知電極に対して設けられ、接地シールド部材は、前記カバーに面している前記キャリアプレートの表面上において、前記エミッタ電極に対して設けられる請求項４に記載の近接センサ。
6. カバー内において、エミッタ電極及び前記エミッタ電極から電場を発生させる手段を設けるステップを有する近接センサを製造する方法において、導電材料の層を前記カバーの内側表面上に直接設けることにより、検知電極を形成するステップをさらに有する方法。
7. 前記検知電極を形成するステップは、導電材料の層を前記カバーの内側表面上に直接噴霧するステップを有する請求項６に記載の方法。
8. 前記エミッタ電極を設けるステップは、導電材料の個々の層を前記カバーの内側表面上に直接形成するステップを有する請求項６に記載の方法。
9. 前記エミッタ電極を設けるステップは、前記導電材料の個々の層を前記カバーの内側表面上に直接噴霧するステップを有する請求項６に記載の方法。
10. 撮像システム用のスイングアームにおいて、放射線源及び検出器を有すると共に、請求項１に記載の１つ以上の近接センサをさらに有するスイングアーム。
11. 請求項１０に記載のスイングアーム、前記スイングアームを撮像されるべき被写体に対して所望の位置に移動させる動力手段、及び前記１つ以上のセンサの出力に従って前記動力手段を制御する手段を有する撮像システム。
12. 請求項１１に記載のＸ線撮像システム。

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