DE102012205549A1 - Method for operating e.g. deadman switch in contactless controlled medical device e.g. C-arm x-ray device, involves detecting response signal by part of user, and operating switch depending on detected response signal - Google Patents
Method for operating e.g. deadman switch in contactless controlled medical device e.g. C-arm x-ray device, involves detecting response signal by part of user, and operating switch depending on detected response signal Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung liegt auf den Gebieten der Sicherheitstechnik und der Medizintechnik und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines sicherheitstechnischen Schalters, insbesondere eines Totmann-Schalters oder eines Schalters für eine motorgetriebene Vorrichtung in einem medizinischen Gerät, sowie ein diesbezügliches System. The present invention is in the fields of safety engineering and medical technology and relates in particular to a method for operating a safety switch, in particular a dead man's switch or a switch for a motor-driven device in a medical device, and a related system.
Aus Sicherheitsgründen müssen elektrische Anlagen und Geräte, wie z.B. Röntgengeräte, Roboter, Patiententisch oder Detektoren in unterschiedlichen bildgebenden Anlagen, durch gesonderte Vorrichtungen vor versehentlicher Betätigung geschützt werden. Dies ist insbesondere bei Geräten von hervorgehobener Bedeutung, die die Gesundheit von Menschen betreffen, wie medizintechnische Geräte. Diese Geräte umfassen häufig Einheiten, die automatisch – z.B. durch Industrieroboter – gesteuert und bedient werden (wie z.B. roboterbetriebene Einheiten zur Positionierung eines C-Arms eines Röntgengerätes). Im Stand der Technik sind aus dem Gebiet der Arbeitssicherheit sogenannte Totmannschaltungen bekannt, die überprüfen, ob ein Anwender anwesend und einsatzfähig ist oder erfordern zusätzliche Betriebsmaßnahmen seitens des Anwenders, um das Gerät oder Geräteeinheiten einzuschalten oder zu aktivieren (insbesondere bei gefährlichen Geräten in der Werkzeugtechnik oder Medizintechnik etc.). Um eine einwandfreie Funktion des jeweiligen Gerätes sicherstellen zu können, ist es wichtig, dass diese Schalter vor versehentlicher Betätigung geschützt werden. For safety reasons, electrical installations and equipment, such as X-ray equipment, robots, patient table or detectors in different imaging systems, be protected by separate devices against accidental operation. This is especially important in devices of concern to human health, such as medical devices. These devices often include units which are automatically - e.g. by industrial robots - controlled and operated (such as robot operated units for positioning a C-arm of an X-ray machine). In the state of the art so-called dead man circuits are known from the field of work safety, which check whether a user is present and operational or require additional operating measures by the user to turn on or activate the device or units (especially in dangerous equipment in the tool or Medical technology, etc.). In order to ensure proper functioning of the respective device, it is important that these switches are protected against accidental operation.
Um den Betrieb von Geräten und Anlagen zu vereinfachen, ist es des Weiteren im Stand der Technik bekannt, eine berührungslose Steuerung der Geräte bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch das Erkennen von Gesten des Nutzers implementiert sein. Besonders in diesem Fall ist es wichtig, sicherzustellen, dass keine falsche Geste als versehentliche Betätigung erkannt wird. In order to simplify the operation of devices and systems, it is further known in the art to provide non-contact control of the devices. This can be implemented, for example, by recognizing gestures of the user. Especially in this case it is important to make sure that no wrong gesture is detected as accidental operation.
In bisherigen Systemen hat man besondere, mechanische Schalter und Taster eingesetzt, die vom Anwender explizit bedient werden müssen. Üblicherweise war es beispielsweise vorgesehen, dass der Schalter für die gesamte Dauer der Bedienung der jeweiligen motorgetriebenen Anlage gedrückt gehalten werden muss. In previous systems, special mechanical switches and pushbuttons have been used which have to be operated explicitly by the user. Usually, for example, it was provided that the switch for the entire duration of the operation of the respective motor-driven system must be kept pressed.
Dieses Vorgehen erweist sich insbesondere bei berührungslos gesteuerten Anlagen als unpraktikabel. Berührungslose Steuersysteme verwenden in der Regel spezifische Sensoren und eine Bewegungserfassungseinheit mit einer 3-D-Kamera sowie spezifische Berechnungsprozesse, um die Gesten, Bewegungen und Aktivitäten des jeweiligen Bedienpersonals erfassen zu können. Ein Anwendungsgebiet der berührungslosen Steuerung ist die Medizintechnik, bei der etwa im sterilen Operationssaal computer-gestützte Aktionen über Gesten gesteuert werden können. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Fertigungsprozesse in Reinräumen. This procedure proves to be impractical, especially in non-contact controlled systems. Non-contact control systems typically use specific sensors and a motion detection unit with a 3-D camera, as well as specific computational processes to capture the gestures, movements, and activities of the respective operator. A field of application of non-contact control is medical technology, in which, for example, in the sterile operating room computer-aided actions can be controlled by gestures. Another area of application is manufacturing processes in cleanrooms.
Die Benutzungssteuerung durch Hand- und Armgesten ist in der Kybernetik bereits seit längerem ein Forschungsthema. Die Algorithmen zur Verarbeitung der Gesten-Daten basieren in der Regel auf statistischen Verfahren, wie beispielsweise sogenannten „Hidden Markov Models – HMM“, „Particle Filtering“, „Kondensation“, endlichen Automaten (Finite State Machine – FSM) und neuronalen Netzwerken. Ein Überblick findet sich in:
Des Weiteren ist es bekannt, sogenannte Set-Top-Boxen auch in der Medizintechnik anzuwenden. Die dabei verwendete Technik basiert auf einer Gestenerkennungstechnik, die aus dem Bereich der Spielekonsolen bzw. der Videospiele bekannt ist. Beispielsweise setzt die Firma Microsoft die Technik „Kinect“ in der von Microsoft entwickelten Spielekonsole X-Box ein. Die Kinect-Technologie basiert auf der Verwendung einer Infrarotlichtquelle, um bestimmte Muster im Raum oder auf Oberflächen zu projizieren. Aus dem Eingreifen eines Körpers (z.B. Hand oder Arm im Rahmen einer Geste) wird das applizierte Muster verzerrt. Diese Verzerrung wird über eine Kamera erfasst und mittels Verarbeitungssoftware in eine dreidimensionale Punktewolke umgerechnet. Mit statistischen Verfahren und Vergleich mit Referenzmustern kann eine Bewegung als vordefinierte Geste erkannt werden. Furthermore, it is known to apply so-called set-top boxes in medical technology. The technique used is based on a gesture recognition technique, which is known in the field of game consoles or video games. For example, Microsoft uses the "Kinect" technology in the X-Box game console developed by Microsoft. Kinect technology relies on the use of an infrared light source to project certain patterns in space or on surfaces. The intervention of a body (e.g., hand or arm as part of a gesture) distorts the applied pattern. This distortion is detected by a camera and converted by means of processing software into a three-dimensional point cloud. With statistical methods and comparison with reference patterns, a movement can be recognized as a predefined gesture.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, berührungslos gesteuerte Geräte und/oder Systeme vor ungewollter Betätigung zu schützen, die unter anderem durch versehentliche Bedienung von Not-Schaltern eintreten können. Desweiteren soll die Sicherheit von berührungslos gesteuerten Vorrichtungen und Anlagen verbessert werden. Based on the above-mentioned prior art, the object of the present invention is to protect non-contact controlled devices and / or systems from unwanted operation, which may occur, inter alia, by accidental operation of emergency switches. Furthermore, the safety of non-contact devices and systems to be improved.
Diese Aufgabe wird durch die beiliegenden unabhängigen Ansprüche gelöst, insbesondere durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs und des Systemanspruchs sowie des auf ein Steuerungsmodul bezogenen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und alternative Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt. This object is solved by the appended independent claims, in particular by the features of the method claim and the system claim and the claim relating to a control module. Advantageous embodiments and alternative embodiments are mentioned in the subclaims.
Gemäß einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines sicherheitstechnischen Schalters in einem berührungslos gesteuerten medizinischen Gerät, wie beispielsweise einer „MR-Anlage“, einem C-Bogen Röntgengerät oder untergeordneten meist motorbetriebenen Vorrichtungen dieser Anlagen, wie beispielsweise Patiententisch, Detektoren etc. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- – Projizieren eines Aufforderungssignals in einen Betriebsbereich des medizinischen Gerätes
- – Erfassen eines berührungslosen – vorzugsweise Gestenbasierten – Antwortsignals seitens zumindest eines Nutzers in Antwort auf das Aufforderungssignal
- – Betreiben des Schalters in dem medizinischen Gerät in Abhängigkeit von dem erfassten Antwortsignal.
- - Projecting a request signal in an operating range of the medical device
- - Detecting a non-contact - preferably gesture-based - response signal from at least one user in response to the request signal
- - Operating the switch in the medical device in response to the detected response signal.
Im Folgenden werden die im Rahmen dieser Anmeldung verwendeten Begrifflichkeiten näher spezifiziert. The terms used in this application are specified below.
Bei dem Schalter handelt es sich vorzugsweise um zumindest ein Bedienelement zur Steuerung des Gerätes. Vorzugsweise hat der Schalter sicherheitstechnische Relevanz, so dass er vor nicht-beabsichtigter Bedienung geschützt werden muss. Es kann sich beispielsweise um eine Totmanneinrichtung, einen Not-Schalter, einen Warnsignalgeber oder um Schalter handeln, die riskante, gefährliche oder gesundheitskritische Prozesse auslösen (z.B. Röntgenbestrahlung, Auslösen einer Strahlung mit anderer Wellenlänge, Anlegen eines Magnetfeldes etc.). Diese Schaltelemente wurden bisher im Stand der Technik ausschließlich mechanisch bedient. Der Schalter kann zwei (ON, OFF) oder mehr Schaltzustände einnehmen. Der Schalter kann auch eine Kombination von Schaltzuständen und/oder Schaltern umfassen. Dabei kann jeweils ein Schalter gegebenenfalls auch mehrere Funktionen des Gerätes steuern (z.B. Bewegung des Patiententisches und Aktivieren der Strahlungseinheit). Der Begriff „Schalter“ ist weit zu verstehen und umfasst auch das Bereitstellen einer Funktion oder Funktionalität, die aktiviert oder deaktiviert wird (wie z.B. Verfahrbarkeit des Patiententisches an- oder ausschalten). Sicherheitstechnisch“ heißt in diesem Sinne auch „risikobehaftet“, so dass der Schalter eine Funktion mit Patienten- oder Bediener-Risiko auslöst. Diese Funktion wird gemäß einem Aspekt der Anmeldung abgesichert. The switch is preferably at least one operating element for controlling the device. Preferably, the switch has safety relevance, so that it must be protected against unintentional operation. It may, for example, be a deadman device, an emergency switch, a warning buzzer or switches that trigger risky, dangerous or health-critical processes (for example X-ray radiation, triggering of radiation of a different wavelength, application of a magnetic field, etc.). These switching elements have hitherto been operated exclusively mechanically in the prior art. The switch can assume two (ON, OFF) or more switching states. The switch may also comprise a combination of switching states and / or switches. In each case, a switch may optionally also control a plurality of functions of the device (for example movement of the patient table and activation of the radiation unit). The term "switch" is to be broadly understood and also includes providing a function or functionality that is activated or deactivated (such as turning on or off the patient table movability). In terms of safety, this also means "risky" so that the switch triggers a function with patient or operator risk. This feature is secured according to one aspect of the application.
Bei dem medizinischen Gerät kann es sich um bildgebende Modalitäten (Ultraschallgerät, CT-Anlage, Magnetresonanztomographen etc.) oder um darin angeordnete Bauteile handeln, die in der Regel motorbetrieben sind. Üblicherweise ist das medizinische Gerät über ein Netzwerk mit weiteren computerbasierten Instanzen zum Zwecke des Datenaustauschs verbunden. Die hauptsächliche Ausführungsform bezieht sich auf das Gebiet der Medizintechnik. Alternativ kann die Erfindung jedoch auch auf anderen Gebieten, wie beispielsweise der Werkzeugtechnik mit den entsprechenden elektrischen Geräten (CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen etc.) angewendet werden. The medical device can be imaging modalities (ultrasound device, CT system, magnetic resonance tomography, etc.) or components arranged therein, which are usually motor-driven. Usually, the medical device is connected via a network to other computer-based instances for the purpose of data exchange. The main embodiment relates to the field of medical technology. Alternatively, however, the invention can also be applied in other fields, such as the tool technology with the corresponding electrical equipment (CNC-controlled machine tools, etc.).
Bei dem Aufforderungssignal handelt es sich vorzugsweise um ein optisches Signal, das von einem Projektor in einen Betriebsbereich des Gerätes appliziert wird. Beispielsweise kann ein Projektor (z.B. ein Laserprojektor) dem System zugeschaltet sein, um das Aufforderungssignal – beispielsweise in Form von visuell sichtbaren Laserpulsen – in einen vordefinierten Bereich zu applizieren. Das Aufforderungssignal dient dazu, den Anwender zu einer bestimmten Bewegung bzw. Geste aufzufordern. Beispielsweise ist es möglich, dass visuelle Signale auf einen bestimmten Bereich auf dem Fußboden appliziert werden. Aufgrund einer Festlegung weiß dann der Arzt, dass er sich genau auf diesen gekennzeichneten Bereich stellen muss, wenn er dem Aufforderungssignal entsprechen möchte. Alternativ kann er den jeweils mittels des Aufforderungssignals gekennzeichneten Bereich auch mit der Hand oder mit einem anderen Körperteil oder einem Hilfsmittel berühren. Weiterhin ist es möglich, das Aufforderungssignal in Form einer SOLL-Geste (Z.B. zwei überkreuzte Hände, erhobene Hand oder eine vorkonfigurierte Gesten-Kombination) auf einen Bereich (z.B. die Wand) zu applizieren. Diese SOLL-Geste kann dann durch das Ausüben der tatsächlichen Geste (IST-Geste) seitens des Nutzers beantwortet werden. Übereinstimmung von SOLL- und IST-Geste wird dann durch einen auf einem Prozessor implementierten Algorithmus zur Gestenerkennung ausgeführt und als Steuerungssignal an den Schalter weitergeleitet. Welcher Steuerungsbefehl bei Übereinstimmung und bei fehlender Übereinstimmung ausgeführt werden soll (z.B. ON oder OFF), kann vorkonfiguriert werden. The request signal is preferably an optical signal that is applied by a projector in an operating range of the device. For example, a projector (e.g., a laser projector) may be added to the system to apply the prompt signal - for example, in the form of visually-visible laser pulses - to a predefined area. The prompt signal is used to prompt the user for a particular movement or gesture. For example, it is possible for visual signals to be applied to a specific area on the floor. On the basis of a determination, the doctor then knows that he must place himself exactly on this marked area if he wants to comply with the request signal. Alternatively, he can also touch the area marked by the request signal with the hand or with another body part or a tool. Furthermore, it is possible to apply the prompt signal in the form of a TARGET gesture (e.g., two crossed hands, raised hand, or preconfigured gesture combination) to an area (e.g., the wall). This TARGET gesture can then be answered by the user applying the actual gesture (ACTUAL gesture). Match of the desired and actual gesture is then executed by a gesture recognition algorithm implemented on a processor and forwarded to the switch as a control signal. The control command to be executed upon coincidence and mismatch (e.g., ON or OFF) may be preconfigured.
Über eine automatische Gestenerkennung wird dann die Positionierung bzw. die Bewegung des Anwenders als Antwortsignal auf das Aufforderungssignal erfasst. Das Aufforderungssignal wird gemäß einem Aspekt der Erfindung an eine Auswerteeinheit übertragen, die ermittelt, ob das Aufforderungssignal seitens des Anwenders beantwortet worden ist. Sobald das Antwortsignal erfasst wurde, kann automatisch das Betreiben des Schalters ausgelöst werden. Via an automatic gesture recognition, the positioning or movement of the user is then detected as a response signal to the request signal. The request signal is transmitted according to one aspect of the invention to an evaluation unit, which determines whether the request signal has been answered by the user. Once the response signal has been detected, the operation of the switch can be automatically triggered.
Das Aufforderungssignal ist gemäß einem Aspekt der Erfindung jeweils einem Antwortsignal zugeordnet. Eine alternative vorteilhafte Variante ist darin zu sehen, auf das Aufforderungssignal zu verzichten und nur ein Gesten-basierten Antwortsignal zu erfassen und zur Steuerung des Schalters zu verwenden. Dies erweist sich insbesondere in Situationen als vorteilhaft, wenn die Sicherheitsanforderungen geringer sind und der Schalter eine andere Funktionalität im Rahmen der medizinischen Anlage hat (z.B. betreffend die Darstellung von Röntgenbildern). The request signal is in each case assigned to a response signal according to an aspect of the invention. An alternative advantageous variant is to dispense with the request signal and to detect only a gesture-based response signal and to use for controlling the switch. This proves to be particularly advantageous in situations where the safety requirements are lower and the switch has a different functionality in the context of medical equipment (e.g., concerning the display of X-ray images).
Das Aufforderungssignal kann auch eine Folge von Signalen umfassen. Dabei ist das jeweilige Aufforderungssignal einem jeweils korrespondierenden Antwortsignal zugeordnet. Beispielsweise kann ein Aufforderungssignal aus einer Beleuchtung einer ersten Position und in Folge aus der Beleuchtung einer zweiten Position bestehen. Erst wenn beiden Aufforderungssignalen entsprochen wird (durch entsprechendes Bewegen an die jeweilige Position) und dieses Antwortsignal erfasst worden ist, wird der Schalter betrieben. Selbstverständlich können auch noch weitere Aneinanderreihungen von Aufforderungssignalen vorgesehen sein. Desweiteren können auch noch weitere logische Verknüpfungen zwischen den einzelnen Aufforderungssignalen berücksichtigt werden (beispielsweise erforderliche Positionierung an Position 1 und keine Positionierung in Position 2 etc.). Vorzugsweise ist das Antwortsignal eine Geste, die über eine automatische Gestenerkennung erfasst wird. Alternativ kann das Antwortsignal auch noch weitere Signalarten umfassen (z.B. optisch, akustisch etc.). Das Antwortsignal kann ebenso aus einer Folge von Antwortsignalen bestehen. The request signal may also comprise a sequence of signals. In this case, the respective request signal is assigned to a respectively corresponding response signal. For example, a request signal from a lighting of a first position and in consequence of the illumination of a second position. Only when both request signals are met (by corresponding movement to the respective position) and this response signal has been detected, the switch is operated. Of course, further juxtaposition of prompt signals can also be provided. Furthermore, other logical links between the individual request signals can also be taken into account (for example, required positioning at
Üblicherweise ist jeweils ein Aufforderungssignal jeweils einem Antwortsignal zugeordnet. Mit anderen Worten muss eine Aufforderung zur Bewegung an eine bestimmte Position mit der Bewegung des Anwenders an die vorgesehene Position beantwortet werden. Erst danach kann ein zweites Aufforderungssignal mit einem zweiten Antwortsignal erfasst werden. Alternativ kann auch ein geschachteltes Vorgehen vorgesehen sein. Eine maximal zulässige Latenzzeit zwischen Aufforderungssignal und korrespondierendem Antwortsignal kann vorkonfiguriert werden. Usually, in each case a request signal is assigned to a respective response signal. In other words, a request to move to a certain position must be answered with the user's movement to the intended position. Only then can a second request signal be detected with a second response signal. Alternatively, a nested procedure can also be provided. A maximum allowable latency between the request signal and the corresponding response signal can be preconfigured.
Wie vorstehend bereits erwähnt ist das Aufforderungssignal in einer bevorzugten Ausführungsform ein projiziertes Lichtmuster, das beispielsweise mittels eines Laserprojektors appliziert wird. Das Muster kann entweder auf einen Betriebsbereich vor dem medizinischen Gerät oder im Arbeitsumfeld projiziert werden. Der Betriebsbereich wird im Vorfeld definiert und ist vorzugsweise ein bestimmter Bereich in der Nähe des Arbeitsbereiches, der die Arbeit nicht stört, der aber gleichzeitig leicht erreichbar ist. Im medizintechnischen Anwendungsfall kann der Betriebsbereich entweder ein Bereich auf dem Fußboden vor dem medizintechnischen Gerät sein oder ein Bereich in der Nähe des Operationsfeldes, z.B. an der Wand des Operationsraumes. Der Betriebsbereich muss jedoch nicht notwendig ein Ausschnitt auf dem Boden oder auf einer Wand des Operationssaals sein. Alternativ kann das Muster auch auf andere nicht bewegliche Oberflächen (z.B. Patiententisch etc.) appliziert werden. As already mentioned above, in a preferred embodiment, the request signal is a projected light pattern which is applied, for example, by means of a laser projector. The pattern can either be projected onto an operating area in front of the medical device or in the working environment. The operating area is defined in advance and is preferably a certain area near the work area, which does not disturb the work, but at the same time is easily accessible. In medical applications, the operating area may be either an area on the floor in front of the medical device or an area near the surgical field, e.g. on the wall of the operating room. However, the operating area does not necessarily have to be a cutout on the floor or on a wall of the operating room. Alternatively, the pattern may also be applied to other non-moving surfaces (e.g., patient table, etc.).
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Aufforderungssignal auch auf Körperteile des Anwenders projiziert werden (z.B. Hände oder Füße). Dies kann vorzugsweise dann erfolgen, falls der Anwender ein bestimmtes Auslösesignal ausführt. Das Auslösesignal kann ein akustisches oder ein Gestensignal sein, das beispielsweise im Rahmen einer vordefinierten Pose ausgeführt wird und die automatische Gestensteuerung einleitet. Beispielsweise ist es möglich, dass ein sich bewegender Pfeil auf die Handfläche des Arztes projiziert wird, um diesem anzuzeigen, dass er sich in Richtung des Pfeiles bewegen muss, um das Aufforderungssignal entsprechend zu beantworten. Falls der Arzt dann seine Hand in Richtung des Pfeils bewegt (möglicherweise auch mehrfach hintereinander ausgeführt), wird dies als Antwortgeste erfasst und dem System übermittelt. Damit kann die SOLL-Geste auch auf den Nutzer selbst projiziert werden und ihn zur bewussten Ausführung der projizierten Geste auffordern (z.B. langsam den Arm bewegen, um der Richtung eines auf der Hand applizierten Pfeils zu folgen), die dann als IST-Geste automatisch erfasst und zur Steuerung des Gerätes verarbeitet wird. In an advantageous development of the invention, the request signal can also be projected onto parts of the body of the user (for example hands or feet). This can preferably take place if the user executes a specific trigger signal. The trigger signal may be an acoustic or a gesture signal, which is executed, for example, in the context of a predefined pose and initiates the automatic gesture control. For example, it is possible for a moving arrow to be projected onto the surgeon's palm to indicate that he needs to move in the direction of the arrow to answer the prompt signal accordingly. If the doctor then moves his hand in the direction of the arrow (possibly also repeated several times), this is detected as a response gesture and transmitted to the system. Thus, the TARGET gesture can also be projected onto the user himself and prompt him to deliberately execute the projected gesture (eg, slowly move the arm to follow the direction of a hand-applied arrow), which then automatically detects as an ACTUAL gesture and is processed to control the device.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass das Aufforderungssignal zusätzlich noch ein akustisches und/oder ein visuelles Signal umfasst. Dies dient dazu, dass der Arzt neben der Applikation des Musters noch weitere Triggersignale erhält (akustisch und/oder visuell), die ihn darauf hinweisen, dass von ihm eine Aufforderung zur Eingabe eines Antwortsignals erwartet wird. In an advantageous development, it can be provided that the request signal additionally comprises an acoustic and / or a visual signal. This serves to give the doctor, in addition to the application of the pattern, further trigger signals (acoustically and / or visually), which inform him that a request for the input of a response signal is expected from him.
Das Aufforderungssignal wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Laserprojektor erzeugt. Alternativ kann hier auch eine Infrarotlichtquelle vorgesehen sein und ein entsprechender Infrarotsensor, um die Geste automatisch zu erkennen. The prompt signal is generated in a preferred embodiment by a laser projector. Alternatively, an infrared light source can also be provided here and a corresponding infrared sensor can be used to automatically detect the gesture.
Das Antwortsignal umfasst vorzugsweise eine Geste des Anwenders. Die Geste kann durch eine Arm- und/oder Handbewegung ausgelöst werden. Bei der Handbewegung kann es sich beispielsweise um eine wischende Bewegung handeln, die ein Blättern zwischen unterschiedlichen Seiten (z.B. zur Anzeige von unterschiedlichen Röntgenbildern) auslöst. Alternativ oder kumulativ kann das Antwortsignal auch ein akustisches Signal umfassen. So ist es beispielsweise möglich, dass der Arzt seine Geste noch durch die Eingabe eines entsprechenden Befehls in akustischer Form unterstützt. Üblicherweise wird das Antwortsignal durch eine Geste des Arztes ausgelöst. Dazu kann er sich entweder mit seinen Füßen an eine vordefinierte Position auf dem Fußboden des Operationssaals bewegen oder er kann seine Hand an eine vordefinierte Position bewegen. Ebenso ist es möglich, dass er hierfür Zeigeelemente verwendet (z.B. Zeigestock oder Laserpointer etc.). Damit kann die Sicherheit des Systems erhöht werden, indem neben der Gestenerkennung noch zusätzliche Signale verarbeitet werden. The response signal preferably includes a gesture of the user. The gesture can be triggered by an arm and / or hand movement. For example, the hand gesture may be a wiping motion that triggers scrolling between different pages (e.g., to display different x-ray images). Alternatively or cumulatively, the response signal may also include an audible signal. For example, it is possible for the doctor to support his gesture by entering an appropriate command in an acoustic form. Usually, the response signal is triggered by a gesture of the doctor. For this he can either move his feet to a predefined position on the floor of the operating room or he can move his hand to a predefined position. It is also possible that he uses pointing elements for this (e.g., pointing stick or laser pointer, etc.). Thus, the security of the system can be increased by processing additional signals in addition to the gesture recognition.
Die Erfindung basiert auf einer automatischen Gestenerkennung und -steuerung. Da die Medizintechnik jedoch – insbesondere im operativen Umfeld – eine sicherheitskritische Anwendung ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuerung bzw. das Bedienen des Schalters nicht alleine durch die Geste ausgelöst wird. Vielmehr ist es vorgesehen, dass zunächst ein Aufforderungssignal – als Challenge – erzeugt und übermittelt wird, das dann durch eine vordefinierte Geste – Response – beantwortet werden kann. Ein Aspekt ist deshalb in einem gesten-basierten Challenge-Response-Verfahren zu sehen. The invention is based on automatic gesture recognition and control. However, since medical technology is a safety-critical application, in particular in the operational environment, it is provided according to the invention that the control or the operation of the switch is not triggered solely by the gesture. Rather, it is provided that initially a request signal - as a challenge - is generated and transmitted, which can then be answered by a predefined gesture - response. One aspect is therefore to be seen in a gesture-based challenge-response procedure.
Das System ist sehr flexibel und kann auf unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, im Vorfeld zu konfigurieren, dass nur bei Erfassen einer bestimmten (vordefinierten) Antwortgeste auf das Aufforderungssignal hin der Schalter betrieben wird. Das Betreiben des Schalters kann wiederum unterschiedlich konfiguriert werden: Es umfasst ein An- und ein Ausschalten. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass der Schalter angeschaltet wird, falls der Arzt durch eine entsprechende Geste das Aufforderungssignal beantwortet. Alternativ kann der Schalter auch ausgeschaltet werden. Ebenso ist es möglich, hier weitere Einstellungsmaßnahmen am Schalter vorzusehen, falls dieser mehr als nur zwei Schaltzustände kennt. In anderen Anwendungsfällen kann es vorgesehen sein, dass das Betreiben des Schalters veranlasst wird, falls kein Antwortsignal erfasst wurde. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, falls es sich bei dem Schalter um einen spezifischen Not-Schalter handelt, der nur in ganz bestimmten Situationen bedient werden soll. Falls also ein Aufforderungssignal des Systems unbeantwortet bleibt, so kann es vorkonfiguriert sein, dass das Gerät in Betrieb bleibt und nicht ausgeschaltet wird. In bestimmten Situationen kann auch das Betreiben eines Not-Aus-Schalters durch das oben beschriebene gesten-basierte Challenge-Response-Verfahren gesteuert werden. The system is very flexible and can be adapted to different applications. It is thus possible, for example, to configure in advance that the switch is operated only when a specific (predefined) response gesture is detected in response to the request signal. The operation of the switch, in turn, can be configured differently: it includes switching on and off. In other words, it can be provided that the switch is turned on, if the doctor answers by a corresponding gesture, the request signal. Alternatively, the switch can also be switched off. It is also possible to provide here further adjustment measures on the switch, if he knows more than two switching states. In other applications, it may be provided that the operation of the switch is caused if no response signal has been detected. This is particularly useful if the switch is a specific emergency switch that should only be operated in very specific situations. Thus, if a request signal from the system remains unanswered, it may be preconfigured that the device remains in operation and not turned off. In certain situations, the operation of an emergency stop switch may also be controlled by the gesture-based challenge-response method described above.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Anmeldung bezieht sich darauf, ein System oder Gerät vor ungewollter Bedienung zu schützen. Dies kann dadurch sichergestellt werden, indem der Schalter erst nach erfolgreicher Ausführung bzw. Beantwortung der Posture-Challenge betätigt oder betrieben werden kann. An essential aspect of the present application relates to protecting a system or device from unwanted operation. This can be ensured by the switch can be operated or operated only after successful execution or answering the Posture Challenge.
Insbesondere im Kontext einer medizinischen Operation ist es wichtig, die beteiligten Personen darauf hinzuweisen, dass sie sich in einem Gefahrenbereich befinden (beispielsweise einen Bereich, der nicht betreten werden darf, weil er steril bleiben muss). Andere Anwendungen (etwa beim Transport oder Verarbeiten von gefährlichen Gütern) können entsprechende Gefahrenbereiche definieren. Das vorstehend beschriebene Verfahren und System kann gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung auch dazu verwendet werden, die Benutzer darauf hinzuweisen, dass sie sich im Gefahrenbereich befinden und durch das Aufforderungssignal aufzufordern, sich aus dem Gefahrenbereich herauszubewegen. Das Antwortsignal wird in einer Ausführungsform so konfiguriert, dass es sozusagen eine fehlende Geste oder eine fehlende Anwesenheit des Anwenders im Gefahrenbereich signalisiert. Mit anderen Worten wird das Antwortsignal erst dann ausgelöst und an das System zur Berechnung weitergeleitet, wenn sichergestellt ist, dass sich keine Person im Gefahrenbereich und notwendige Personen im Betriebsbereich befinden. Dazu kann auch ein vordefiniertes Zeitintervall konfiguriert werden, das verwaltet wird. In particular, in the context of a medical operation, it is important to alert the persons involved that they are in a hazardous area (for example, an area that must not be entered because it must remain sterile). Other applications (such as the transport or processing of dangerous goods) may define appropriate hazard areas. The method and system described above, according to an alternative embodiment of the invention, may also be used to alert the users that they are in the danger zone and to request the alert signal to move out of the danger zone. The response signal, in one embodiment, is configured to signal, as it were, a missing gesture or absence of the user in the danger area. In other words, the response signal is only triggered and forwarded to the system for calculation, if it is ensured that no person is in the danger zone and necessary persons in the operating area. You can also configure a predefined time interval that is managed.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann es vorgesehen sein, bestimmte Positionen zu definieren, an denen die Person positioniert sein soll. Das Antwortsignal wird erst dann ausgelöst, wenn die jeweilige Person sich in der für sie zugewiesenen Position befindet. Der Schalter kann in den vorstehend genannten Ausführungsformen das Ein- bzw. An-Schalten eines Gerätes betreffen. Mit anderen Worten wird das Gerät nur dann angeschaltet, wenn sich keine Person im Gefahrenbereich und/oder alle Personen an den ihnen zugewiesenen Positionen befinden. In a further variant of the invention, provision may be made for defining specific positions at which the person is to be positioned. The response signal is only triggered when the respective person is in the assigned position. In the above-mentioned embodiments, the switch may relate to the switching on or switching on of a device. In other words, the device is turned on only when no person is in the danger zone and / or all persons are at their assigned positions.
Vorzugsweise greift das Gestenerkennungsverfahren auf ein Referenzmodell zurück, in dem Soll-Gesten und/oder Soll-Positionen hinterlegt sind. Die aktuelle Ist-Position wird dann mit der Soll-Position auf Übereinstimmung verglichen. Erst falls Ist-Position und Soll-Position übereinstimmen, wird der Schalter in einen betriebsbereiten Zustand geschaltet. The gesture recognition method preferably uses a reference model in which desired gestures and / or desired positions are stored. The current actual position is then compared with the nominal position for agreement. Only if the actual position and setpoint position match, the switch is switched to a ready state.
Üblicherweise ist es vorgesehen, dass das Betreiben und/oder Steuern des Schalters durch das Projizieren des Aufforderungssignals ausgelöst wird. In dieser Variante wird das Verfahren also systemseitig ausgelöst. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Nutzer (z.B. Arzt) das Verfahren auslöst. Deshalb ist es in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zunächst ein Trigger- bzw. Auslösesignal erfasst wird. Das Auslösesignal wird vorzugsweise durch den Nutzer ausgelöst und kann ein akustisches oder ein Gestensignal sein. Erst wenn dieses Signal vom System und/oder vom medizinischen Gerät erkannt ist, wird ein Aufforderungssignal generiert und gesendet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine unnötigen Aufforderungssignale ausgelöst werden und die Inbetriebnahme des jeweiligen Schalters nur bei Bedarf ausgeführt wird. Usually, it is provided that the operation and / or control of the switch is triggered by the projecting of the request signal. In this variant, the method is thus triggered by the system. Alternatively, however, it may also be provided that the user (for example a doctor) triggers the procedure. Therefore, it is provided in an alternative embodiment of the invention that initially a trigger or trigger signal is detected. The triggering signal is preferably triggered by the user and may be an audible or a gesture signal. Only when this signal is detected by the system and / or the medical device, a request signal is generated and sent. This embodiment has the advantage that no unnecessary request signals are triggered and the commissioning of the respective switch is executed only when needed.
Um die Sicherheit des Systems noch weiter zu erhöhen, ist es in einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass sichergestellt werden kann, dass die jeweilige Geste, die als Antwortsignal dient, nicht im Rahmen einer üblichen Bedienung (oder im Rahmen des operativen Eingriffes) ohnehin ausgeführt wird. Dazu greift das Verfahren auf ein kinematisches Model zurück, um spezifische Gesten zu definieren, die ein spezielles Bewegungsmuster erfordern, das nicht beim üblichen Betrieb angewendet wird. Desweiteren soll jedoch sichergestellt werden, das diese Geste jedoch einfach und für den jeweiligen Anwender auch durchführbar ist (und zwar unabhängig von seiner Größe und seiner Statur etc.). Das jeweilige kinematische Modell basiert somit auf statistischen Körper- und Bewegungsmodellen eines „gemittelten“ Anwenders. In order to further increase the security of the system, it is provided in a further embodiment of the invention that ensures can be that the respective gesture that serves as a response signal is not carried out in the context of a normal operation (or in the context of surgical intervention) anyway. To do this, the method uses a kinematic model to define specific gestures that require a specific motion pattern that is not used in normal operation. Furthermore, however, it should be ensured that this gesture is simple and also feasible for the respective user (regardless of its size and stature, etc.). The respective kinematic model is thus based on statistical body and movement models of an "averaged" user.
Die Erfindung wird desweiteren gelöst durch ein System zum Betreiben eines sicherheitstechnischen Schalters in einem berührungslos gesteuerten medizinischen Gerät. Für den Fachmann ergibt es sich, dass nicht nur ein Schalter, sondern auch mehrere Schaltkombinationen betrieben werden können. Das System umfasst:
- – Einen Aufforderungssignalsender, der beispielsweise eine Infrarotlichtquelle oder ein Projektor sein kann. Der Aufforderungssignalsender dient zum Projizieren des – vorzugsweise optischen – Aufforderungssignals.
- – Das System umfasst desweiteren eine Gestenerfassungseinheit, die zum automatischen Erfassen einer Geste dient. Die Geste wird als Antwortsignal auf das Aufforderungssignal gewertet und dem System zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Der Schalter wird dann ausschließlich in Abhängigkeit von dem erfassten Antwortsignal gesteuert. Wie die Steuerung des Schalters ausgebildet ist, kann voreingestellt sein. Beispielsweise kann bei Erfassen eines entsprechenden Antwortsignals der Schalter in Ein-Stellung oder in Aus-Stellung geführt werden.
- – Die Gestenerfassungseinheit umfasst neben der Projektionseinrichtung bzw. neben dem Projektor eine Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera. Die Kamera dient zum Erfassen einer Folge von sogenannten Tiefenbildern, um zumindest einen Bereich einer personenähnlichen Kontur zu ermitteln. Die Folge von Tiefenbildern wird einem Computer zur Verarbeitung zugeführt.
- – Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das System ein Steuerungsmodul, das zur Steuerung des Schalters bestimmt ist.
- A request signal transmitter, which may be, for example, an infrared light source or a projector. The request signal transmitter is for projecting the - preferably optical - request signal.
- The system further includes a gesture detection unit for automatically detecting a gesture. The gesture is evaluated as a response signal to the request signal and fed to the system for further processing. The switch is then controlled solely in response to the detected response signal. How the control of the switch is designed can be preset. For example, when detecting a corresponding response signal, the switch can be guided in the on position or in the off position.
- - The gesture detection unit comprises in addition to the projection device or next to the projector, a camera, in particular a CCD camera. The camera is used for detecting a sequence of so-called depth images in order to determine at least one region of a person-like contour. The sequence of depth images is fed to a computer for processing.
- According to a preferred embodiment of the invention, the system comprises a control module which is intended to control the switch.
Eine weitere Aufgabenlösung bezieht sich auf das Steuerungsmodul das zur Verwendung in einem System ausgebildet ist. Another task solution relates to the control module adapted for use in a system.
Teile des vorstehend erwähnten Verfahrens können computerbasiert ausgeführt werden und durch Software implementiert sein. Alternativ ist es möglich, dass die jeweilige Funktionalität durch Hardwarebauteile implementiert ist, z.B. durch Mikroprozessormodule etc. Portions of the above-mentioned method may be computer-based and implemented by software. Alternatively, it is possible that the respective functionality is implemented by hardware components, e.g. through microprocessor modules etc.
Die oben beschriebenen Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung, sowie die beschriebenen Ausführungsformen und Alternativen werden klarer im Zusammenhang mit der Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt: The above-described features, advantages, and features of the invention, as well as the described embodiments and alternatives, will be more clearly understood in connection with the description of specific embodiments which will be further described in connection with the following description of the embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing shows:
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf
Das hauptsächliche Anwendungsfeld der vorliegenden Erfindung ist die Medizintechnik, so dass das Verfahren hauptsächlich die Steuerung von sicherheitstechnischen Schaltern
Erfindungsgemäß wird die Anlage
Wie in
Üblicherweise verfügt der Schalter
Wie aus
Im Folgenden wird der Datenaustausch unter Bezugnahme auf
In einer zweiten Ausführungsform wird das Antwortsignal B durch eine Arm- und/oder Handgeste gebildet. Dazu wird im Vorfeld der Wirkbereich W definiert, der einen bestimmten Volumenbereich umfasst. Das Antwortsignal B wird dann als Geste des Nutzers im Wirkbereich W erfasst. In a second embodiment, the response signal B is formed by an arm and / or hand gesture. For this purpose, the effective range W is defined in advance, which comprises a certain volume range. The response signal B is then detected as a gesture of the user in the effective range W.
In einer Variante der Erfindung können Wirkbereich W und Betriebsbereich B zusammenfallen oder Überschneidungsbereiche aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Wirkbereich W vom Betriebsbereich B getrennt. In a variant of the invention, effective range W and operating range B can coincide or have overlapping ranges. In an alternative embodiment of the invention, the effective range W is separated from the operating range B.
In einer weiteren Variante der Erfindung können beide der vorstehend beschriebenen Varianten auch kombiniert werden. In dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Aufforderungssignal A auf dem Betriebsbereich B angewendet wird. Falls der Nutzer nun den Gerätezustand ändern möchte, sind zwei Schritte notwendig. Zum einen ist es erforderlich, dass er den Betriebsbereich B betritt. Sobald dies vom System erfasst wird, kann ein zweites Aufforderungssignal A gesendet werden, dass der Nutzer wiederum durch eine Handgeste beantworten kann. Die Handgeste wird im Wirkbereich W ausgeführt. Bei der Geste kann es sich beispielsweise um eine Wischbewegung, ein Anklicken, das Bedienen einer Weiter-Funktion, einer Zurück-Funktion, einer Stopp-Funktion etc. handeln. Diese zweite Geste wird dann als zweites Antwortsignal B an den Computer
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf
Nach dem Start des Systems erfolgt in Schritt
In Schritt
In Schritt
Das Antwortsignal B wird in Schritt
In Schritt
Wie in
Grundsätzlich soll betont werden, dass die Flexibilität des Verfahrens auch dadurch erhöht werden kann, dass im Vorfeld bestimmte Konfigurationsmaßnahmen getroffen werden. So kann beispielsweise im Vorfeld eingestellt werden, welche Zustandsänderung bei welchem Antwortsignal B ausgeführt werden soll. Desweiteren ist es möglich, hier zu konfigurieren, dass noch weitere Hinweise an andere Instanzen gesendet werden. So kann beispielsweise bei Erhalt eines Antwortsignals B auch ein Alarmsignal (z.B. auch in akustischer oder visueller Form) ausgelöst werden, um das Personal auf die Auslösung des Schalters
In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann das Aufforderungssignal A auf einen passiven Betriebsbereich B appliziert werden. In dieser Ausführungsform kennzeichnet sich der Betriebsbereich B nur dadurch, dass er „beleuchtet“ wird, wenn das Aufforderungssignal A gesendet werden soll. Das Aufforderungssignal A kann dann mit einer Geste im Wirkbereich W beantwortet werden, die als Antwortsignal B dem Computer
Wie vorstehend erwähnt, können alternativ Betriebsbereich B und Wirkbereich W Überschneidungsbereiche haben. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Aufforderungssignal A auf den Handrücken oder den Arm des Nutzers appliziert wird, der dann später die entsprechende, vordefinierte Geste ausführen soll, die als Antwortsignal B ausgewertet wird. As mentioned above, alternatively, operating region B and effective region W may have overlapping regions. This is particularly the case when the request signal A is applied to the back of the hand or the user's arm, which is then later to execute the corresponding, predefined gesture, which is evaluated as a response signal B.
Das vorstehend beschriebene Prinzip kann jedoch auch anders – im mathematischen Sinne invers – angewendet werden, indem insbesondere im medizinischen Umfeld bei einer sicherheitskritischen Anlage geprüft und sichergestellt werden kann, dass sich ein Anwender oder ein vordefinierter Kreis von Anwendern auch tatsächlich und zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem vorkonfigurierten, möglicherweise nutzer-spezifischen Betriebsbereich der Anlage oder des Gerätes
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Reihe von Vorteilen erreicht. Die Sicherheit des Betriebs kann dadurch gesteigert werden, dass unbeabsichtigtes Bedienen von sicherheitstechnischen Schaltern vermieden werden kann. Desweiteren kann die Bedienung von berührungslos gesteuerten Geräten vereinfacht und verbessert werden. Ein wichtiger Punkt für die Praxis ist darin zu sehen, dass das System sehr flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann, etwa in dem im Vorfeld Konfigurationseinstellungen möglich sind (Art des Aufforderungssignals A und/oder des Antwortsignals B, Wahl des Betriebsbereichs B und/oder des Wirkbereichs W, Steuerung bzw. Betriebsverhalten des Schalters
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass einzelne Module auch als Software- und/oder Hardwaremodule ausgebildet sein können und die Ausführungsbeispiele sind grundsätzlich nicht einschränkend im Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen. Für einen einschlägigen Fachmann ist es insbesondere offensichtlich, dass die Erfindung teilweise oder vollständig in Soft- und/oder Hardware und/oder auf mehrere physikalische Produkte – dabei insbesondere auch Computerprogrammprodukte – verteilt realisiert werden kann. Finally, it should be noted that individual modules can also be designed as software and / or hardware modules, and the exemplary embodiments are in principle not restrictive with regard to a specific physical realization of the invention. For a person skilled in the art, it is particularly obvious that the invention can be implemented partially or completely in software and / or hardware and / or on a plurality of physical products - in particular also computer program products.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „Gesture Recognition: A survey“ S. Mitra, T. Acharya, IEEE Transactions On Systems, Part C, Applications and Reviews, Volume 37, Nummer 3, Mai 2007, Seiten 311 bis 324 [0006] "Gesture Recognition: A survey" S. Mitra, T. Acharya, IEEE Transactions On Systems, Part C, Applications and Reviews, Volume 37, Number 3, May 2007, pages 311 to 324 [0006]
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