JP4717405B2 - Ｘ線装置およびｘ線装置のｃアームの位置調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、２つの自由度を有しモータ支援により位置調整可能であるＣアームと、Ｃアームの位置調整のために操作者によってもたらされた力を検出する力検出装置とを備えた電動式に位置調整可能なＸ線装置に関する。この種のＸ線装置は公知である（例えば、特許文献１参照）。

とりわけ医療用のＸ線装置におけるＣアームの位置調整可能な軸線の選択および解除のために、典型的には多数のキーが設けられている。これらのキーは空間的にＣアームから分離されているかまたは上記特許文献１により公知のＸ線装置におけるようにＣアームと共に移動する。操作者は非常に小さな質量もしくは慣性モーメントでＸ線装置を動かすという印象を受ける。それにより与えられるＣアームのサーボ支援は確かに僅かな操作力による位置調整を可能にするが、しかしＣアームのこのような軽い動きはまさに意図しない位置調整の危険につながる。
西独特許出願公開第４２３７０１３号明細書

本発明の課題は、少なくとも２つの自由度で位置調整可能でありしかも特に簡便にかつ誤操作の僅かな危険性にて位置調整可能であるＣアームを有する電動式に位置調整可能なＸ線装置、およびＸ線装置のＣアームの位置調整方法を提供することにある。

この課題は本発明によれば請求項１の特徴事項を有するＸ線装置によって解決される。このＸ線装置は、２つの自由度、すなわち典型的には傾斜角（又は揺動角）および軌道角（又は回転角）を持つＣアームを有する。付加的に他の位置調整可能性、例えば高さ位置調整を行なうこともできる。モータ駆動装置は両自由度におけるＣアームの位置調整のために設けられている。Ｃアームに不可欠なものとして配置されているわけではないが配置されている方が好ましい力検出装置が操作者によってもたらされた力を検出し、これからＣアームの位置調整のための信号、例えば角速度または加速度を設定するための信号を発生する。このために力検出装置は操作者によってもたらされた力の複数の方向成分を同時に検出するように構成され、それからＣアームが操作されるべき方向がもたらされる。特に簡単な直観的な操作を可能にするために、操作者が力検出装置に力を加える方向は、好ましくは少なくともほぼＣアームが位置調整されるべき方向に一致すべきである。これは、Ｃアームに力検出装置を配置する場合に大いに当てはまる。

力検出装置は評価ユニットと協働する。評価ユニットは、操作者によって加えられた力の方向成分の配分に関係して、個々の自由度においてＣアームの異なる度合いのモータ支援を設定する。とりわけ、操作者によって力検出装置に伝達された力の主成分が軸線、つまり傾斜軸線または軌道軸線を決定し、この軸線においてそれぞれの他方の軸線に比べて強められたＣアームのサーボ支援が行なわれる。他方の軸線に関しては、サーボ支援を減らすか取止めることができ、あるいはＣアームを制動する、とりわけＣアームを停止させてもよい。後者の場合にはＣアームの位置調整可能性が厳密に１つの自由度に固定される。種々の自由度におけるＣアームのモータ支援の変化可能性は、力検出装置の操作の種類によってすなわち操作力の方向成分の配分によって与えられ、とりわけ力検出装置の力センサおよび／または変位センサのセンサ特性を変更することによって、特にセンサ特性をフラットにするか又は拡大することによって実現されている。

モータ支援を強められた自由度の選択は、Ｃアームの全位置調整過程中には変えられないまま保たれる。優先的な位置調整方向の選択は少なくとも時間的に制限されて位置調整過程を越えて有効状態に保たれると好ましい。これは、とりわけ第１の位置調整運動に対して僅かな時間間隔で行なわれた使用者による第２の位置調整運動の導入時に、使用者が、第１の位置調整運動の際に選択された方向またはその反対方向における他の位置調整（例えば第１の位置調整運動を修正する位置調整）を行なうことを意図することから出発することを意味する。モータ支援の優先方向を時間制限付きで固定するために記憶ユニットが設けられている。優先的な位置調整方向が維持される時間間隔は、とりわけ操作者によっておよび／または、例えば位置調整過程の継続時間または移動距離などの操作パラメータによって可変である。

特に有利な構成によれば、Ｘ線装置は、とりわけＣアームに配置された操作ハンドルを有し、この操作ハンドルは少なくとも１つの力検出装置と協働して同時に操作力の種々の方向成分を検出する。Ｃアームは片方の手により簡便に位置調整可能である。

Ｃアームの自由度の１つがモータ支援を強められた自由度として固定されている場合、それにもかかわらず操作者が優先的な位置調整方向を簡単に解除または変更できるようにすべきである。このために、例えば別の入力装置を設けるとよい。代替又は追加として、力検出装置に相応の方向で閾値、特に設定可能な閾値を上回る力が作用することによって、第２の位置調整方向におけるＣアームの制限、とりわけ停止が解除されると好ましい。

更に、本発明の基礎となる課題は請求項７に基づく特徴事項を有するＸ線装置のＣアームの位置調整方法によって解決される。Ｘ線装置に関係して述べられた全ての利点および本発明の実施態様はこの方法にとってもそのまま当てはまり、また逆も然りである。

本発明の利点は、特に、使用者によってもたらされた力に関係してＸ線装置のＣアームのサーボ支援の優先方向を選択することよって動的な軸線拘束が与えられていることにある。この軸線拘束は使用者による操作オプションとして選択可能および解除可能であると好ましい。

以下に図面に基づいて本発明の実施例を更に詳細に説明する。
図１ａは電動式に位置調整可能なＣアームを有するＸ線装置を概略的に示し、
図１ｂおよび図１ｃは力センサを備えたＸ線イメージインテンシファイアを概略的に示し、
図２は図１ａ〜１ｃによるＸ線装置のＣアームの可変サーボ支援を概略ダイアグラムで示し、
図３は種々の自由度に関するサーボ支援と力検出装置に作用する操作力の方向成分との関連性を概略ダイアグラムで示す。

互いに対応する部分およびパラメータには、全ての図において同一の符号が付されている。

図１ａは、傾斜角αおよび軌道角φによって与えられる２つの自由度で位置調整可能なＣアーム１を有するＸ線装置を概略的に示す。Ｃアーム１は、Ａで示された軸線を中心として傾斜位置調整可能であると共に、Ｄで示された回転点を中心として軌道方向に回転可能である。Ｃアーム１には一方側にＸ線放射器２が、他方側にＸ線イメージインテンシファイア３が配置されている。Ｘ線放射器２と画像撮影装置３とを含むＣアーム１のモータ支援による位置調整のために、力検出装置を形成する２つの力センサ４，５が設けられ、これらの力センサ４，５はほぼ弓形の操作ハンドル１３により操作可能である。概略的に示された実施例とは違って、サーボリライング（Servo-Reling）とも呼ばれる複数の操作ハンドル１３がＣアーム１に設けられていると好ましい。操作ハンドル１３に作用する力はＣアーム１の位置調整方向を定める。図１ａによる簡単化された図では、操作者によって操作ハンドル１３により力検出装置４，５に加えられる力の力成分がＦｘ，Ｆｙで示され、方向成分がＲ１，Ｒ２で示されている。方向Ｒ１における力成分Ｆｘによって軌道角φが調整可能であり、Ｃアーム１の図示の位置において実際には図示された平面に対して垂直方向に作用する力成分Ｆｙによって傾斜角αが調整可能である。図１ｂ，１ｃによる正確な表示においては、Ｘ線イメージインテンシファイア３を力センサ４，５と共に詳細に見ることができる。軌道方向（又は回転方向）および傾斜方向（又は揺動方向）へのＣアーム１の位置調整可能性が図１ｂに二重矢印によって示されている。

力検出装置４，５からは制御信号が導線８により又は代替として無線にて評価ユニット１０を介して調節ユニット６に導かれる。評価ユニット１０は調節ユニット６内に組み込むこともできる。評価ユニット１０により、どの方向成分Ｒ１，Ｒ２において操作力が主に力検出装置４，５に加えられたか、すなわちＣアーム１に主として軌道角φの調整または傾斜角αの調整が導入されたかが決定される。Ｃアーム１の更なる位置調整は、動的な軸線拘束の形で、位置調整運動の導入によって選択された位置調整方向α，φに制限される。それにより、Ｃアーム１の位置調整可能性は位置調整運動中に２つの自由度から１つの自由度に減らされる。これは、一般的にＣアーム１の傾斜位置調整および軌道位置調整を同時に行なうことを意図するのではなく、定められたように専ら傾斜位置調整のみを行なうか又は専ら軌道位置調整のみを行なうことを意図する使用者の要求に合致する。詳しくは図示されていないが、動的な軸線拘束の機能を調節ユニット６によりいつでも解除することができる。

調節ユニット６は複数のモータの駆動に用いられるが、これらのモータのうちＣアーム１を位置調整できるモータ７が例示されている。比較器９および導線８を介して、調節ユニット６には、Ｘ線装置１，２，３の加速度ａ、モータ７の電機子電流Ｉａ、Ｘ線装置１，２，３の速度ｖ並びにモータ７の回転数ｎに関する信号が導かれる。

評価ユニット１０内には、位置調整方向α，φにおけるそれぞれ可変のサーボ支援を定める種々の特性線Ｋ１，Ｋ２（図２）を記憶するための記憶ユニット１１が組み込まれている。更に、記憶ユニット１１は例えばソフトウェア技術により実現された遅延スイッチ１２と協働する。遅延スイッチ１２はＣアーム１の位置調整過程中に選択された優先的な位置調整方向α，φが位置調整過程終了後も優先的な位置調整方向α，φとして作動状態にとどまることを保証する。

図２のグラフにおいて、力検出装置４，５およびそれと協動する評価ユニット１０により位置調整可能なＣアーム１のモータ支援の異なる特性が具体的に示されている。使用者は力センサ５並びに力センサ４に力Ｆ、すなわち力成分ＦｘもしくはＦｙを加える。これに応じてモータ７によってもたらされる作用が、一方の力成分ＦｘまたはＦｙだけに関連するサーボ力Ｓとして示されている。力Ｆがもたらす方向が、Ｃアーム１の優先的に設定された位置調整方向α，φに一致する場合、第１の特性線Ｋ１が作動状態になる。位置調整過程の開始前に位置調整方向α，φが優先として全く設定されていない場合、Ｃアーム１の位置調整が導入される方向に、すなわち位置調整過程の導入時に方向成分Ｒ１，Ｒ２のうち優勢である方向に、Ｃアーム１の優先的な位置調整方向α，φが生じる。

力Ｆが低い第１の力閾値Ｆ１を下回っている限り、Ｃアーム１は移動状態にセットされない。力Ｆが第１の力閾値Ｆ１を上回るとサーボ支援機構が作動状態にセットされ、すなわち比較的僅かな操作力Ｆによって比較的高いサーボ力Ｓを得ることができる。第２の位置調整方向φ，αに関しては、それにより導入された位置調整過程中にさらに設定可能な時間間隔だけ第２の特性線Ｋ２が有効になる。Ｃアーム１の位置調整のために第２の位置調整方向φ，αにもたらされた力Ｆが第２の力閾値Ｆ２を上回らない限り、第２の位置調整方向φ，αへの移動は阻止されたままである。この第２の力閾値Ｆ２の超過によって初めて、第２の位置調整方向φ，αへのＣアーム１の位置調整も可能である。しかしながら、第２の特性線Ｋ２は第１の特性線Ｋ１に比べて極めて僅かな勾配を持つので、第２の位置調整方向φ，αにおけるサーボ支援は僅かになる。これに代わる構成によれば、破線の移行線ＫＵによって示されているように、第２の力閾値Ｆ２を下回ると、第２の位置調整方向φ，αに対する制止または制限付き阻止を解除して第１の特性線へ移行させることができる。

更に、図３に基づいて、Ｃアーム１のモータ支援ＭＵと力成分Ｆｘ，Ｆｙへの操作力Ｆの配分との関連性を具体的に説明する。力Ｆは任意の割合で方向成分Ｒ１，Ｒ２に作用し、両方向成分Ｒ１，Ｒ２の合成は常に１である。方向成分Ｒ１，Ｒ２は操作力Ｆと座標系における空間方向との間の角度に関係し、力成分Ｆｘ，Ｆｙの大きさには関係しない。例えば力ベクトルすなわち操作力Ｆとｘ軸との間の角度が３０°であり、力ベクトルとｙ軸との間の角度が６０°である場合、これは２／３の方向成分Ｒ１と１／３の方向成分Ｒ２に対応する。このケースにおけるように、左側部分において方向成分Ｒ１が上回っていると、Ｃアーム１の軌道角φの調整に関係する第１の開閉線ＳＬ１が最大支援レベルＭＨに設定される。この場合、図２による特性線Ｋ１は作動状態にされている。同時に、第２の位置調整方向、すなわち傾斜角αに該当するモータ支援ＭＵは最小の支援レベルＭＬに設定される。これは図２による特性線Ｋ２に対応する。

逆に、同様に第２の開閉線ＳＬ２によれば、位置調整運動の導入時に力成分Ｆｙ、従って方向成分Ｒ２が上回っている場合、モータ支援ＭＵは傾斜角αの方向に優先される。Ｃアーム１の位置調整過程中に力Ｆの方向成分Ｒ１，Ｒ２の配分が変化した場合、これは、少なくとも第２の力閾値Ｆ２が超過されない限り、優先的な位置調整方向α，φの固定を変化させない。Ｃアーム１の位置調整は、専ら傾斜角αまたは軌道角φの方向への位置調整だけを可能にする制御技術的に実現される経路に沿って行なわれる。

電動式に位置調整可能なＣアームを有するＸ線装置の概略図 力センサを備えたＸ線イメージインテンシファイアを示す概略図 力センサを備えたＸ線イメージインテンシファイアを示す概略図 図１によるＸ線装置のＣアームの可変サーボ支援を示すダイアグラム 種々の自由度に関するサーボ支援と力検出装置に作用する操作力の方向成分との関連性を示す概略ダイアグラム

符号の説明

１ Ｃアーム
２ Ｘ線放射器
３ Ｘ線イメージインテンシファイア
４ 力センサ（力検出装置）
５ 力センサ（力検出装置）
６ 調節ユニット
７ モータ（モータ）
８ 導線
９ 比較器
１０ 評価ユニット
１１ 記憶ユニット
１２ 遅延スイッチ
１３ 操作ハンドル
α 傾斜角
φ 軌道角
ａ 加速度
Ａ 軸線
Ｄ 回転点
Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ 力
Ｆ１，Ｆ２ 力閾値
Ｉａ 電機子電流
Ｋ１，Ｋ２ 特性線
ＫＵ 移行線
ＭＨ，ＭＬ 支援レベル
ＭＵ モータ支援
ｎ 回転数
Ｒ１，Ｒ２ 方向成分
Ｓ サーボ力
ＳＬ１，ＳＬ２ 開閉線
ｖ 速度

Claims (10)

1. ２つの自由度を有しモータ支援により位置調整可能であるＣアーム（１）と、Ｃアーム（１）の位置調整のために操作者によってもたらされた力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）を検出する力検出装置（４，５）とを備え、
   力検出装置（４，５）は、力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）の複数の方向成分（Ｒ１，Ｒ２）を検出するように構成され、かつ評価ユニット（１０）と協働し、評価ユニット（１０）によって、力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）の方向成分（Ｒ１，Ｒ２）の配分に関連して、個々の自由度におけるＣアーム（１）のモータ支援の異なる度合いが設定可能である電動式に位置調整可能なＸ線装置であって、
   優勢の方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が決定され、どの方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が優勢であるかに応じて、第１の位置調整方向（α）におけるＣアーム（１）の位置調整過程が第２の位置調整方向（φ）に比べて強められてモータ支援され、
   第１の位置調整方向（α）におけるＣアーム（１）の強められたモータ支援は、位置調整過程に時間間隔をもって続く第２の位置調整過程の際にも、操作者によってもたらされた力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）のどの方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が優勢であるかに無関係に自動的に選択される
   ことを特徴とするＸ線装置。
2. 評価ユニット（１０）は、Ｃアーム（１）の位置調整を１つの自由度に固定する軸線拘束装置として構成されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
3. 自由度は、Ｃアーム（１）の傾斜角（α）および軌道角（φ）の調整可能性によって与えられていることを特徴とする請求項１又は２記載のＸ線装置。
4. 力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）の方向成分（Ｒ１，Ｒ２）の配分により選択可能な、Ｃアーム（１）のモータ支援に関する特性線（Ｋ１，Ｋ２）を記憶するための記憶ユニット（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のＸ線装置。
5. 個々の自由度におけるＣアーム（１）の異なるモータ支援を記憶ユニット（１１）に記憶された特性線（Ｋ１，Ｋ２）に時間制限付きで固定するための遅延スイッチ（１２）が設けられていることを特徴とする請求項４記載のＸ線装置。
6. 操作者によってもたらされた力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）の複数の方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が唯一の操作ハンドル（１３）により検出可能であることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のＸ線装置。
7. 使用者によって力検出装置（４，５）に伝達された力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）に関係してＸ線装置のＣアーム（１）の位置調整が行なわれる２つの自由度を有するＣアーム（１）の電動式位置調整方法において、
   Ｃアーム（１）の位置調整のために使用者によってもたらされる力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）の方向が検出され、それにより優勢の方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が決定され、
   どの方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が優勢であるかに応じて、第１の位置調整方向（α）におけるＣアーム（１）の位置調整過程が第２の位置調整方向（φ）に比べて強められてモータ支援され、
   第１の位置調整方向（α）におけるＣアーム（１）の強められたモータ支援は、位置調整過程に時間間隔をもって続く第２の位置調整過程の際にも、使用者によってもたらされた力（Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ）のどの方向成分（Ｒ１，Ｒ２）が優勢であるかに無関係に自動的に選択される
   ことを特徴とするＸ線装置のＣアームの位置調整方法。
8. 第１の位置調整方向（α）におけるＣアーム（１）の位置調整中、第２の位置調整方向（φ）におけるＣアーム（１）の位置調整が少なくとも制限付きで阻止されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 第２の位置調整方向（φ）に作用するＣアーム（１）の阻止は、使用者によってその位置調整に対してもたらされた力（Ｆ）が閾値（Ｆ２）を上回るや否や解除されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 優先的な位置調整方向（α）が維持される時間間隔は可変であることを特徴とする請求項７乃至９の１つに記載の方法。
    

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