DE102007032540B4

DE102007032540B4 - Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen Teils eines Röntgenbildaufnahmesystems sowie mit Videokameras gekoppeltes Röntgenbildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE102007032540B4
Application number: DE102007032540.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klingenbeck-Regn Klaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: DE102007032540A1; US8164631B2; US20090015669A1

Abstract

Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen Teils (10) eines Röntgenbildaufnahmesystems, mit den Schritten: – Bereitstellen einer Mehrzahl von Videokameras (22), die zumindest einen Teilbereich des von dem beweglichen Teil bei möglichen Bewegungen durchlaufenen Raums erfassen können, – Aufteilen des von den Videokameras erfassten Raums in eine Vielzahl von Volumenelementen (24, 26, 26'), – Erfassen zu jedem Volumenelement (24, 26, 26'), ob es (26, 26') durch ein Objekt (28) besetzt ist, oder ob das Volumenelement (24) objektfrei ist, – Definieren einer Sollbewegung (30) des beweglichen Teils (10), – Ermitteln, welche Volumenelemente (32, 26') das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde, – Prüfen, ob zumindest eines (26') der Volumenelemente (32, 26'), die das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde, zu den durch ein Objekt besetzten Volumenelementen (26, 26') gehört, und wenn nein: Ermöglichen der Sollbewegung, und wenn ja: Unterbinden der Sollbewegung und nachdem zumindest ein von zumindest einer der Videokameras (22) aufgenommenes Bild einem Bilderkennungsverfahren unterzogen wurde, Mitteilen an eine Bedienperson, welche Art von Objekt (28) dem beweglichen Teil (10) bei seiner Sollbewegung im Wege steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen Teils eines Röntgenbildaufnahmesystems sowie ein Röntgenbildaufnahmesystem.
Das Röntgenbildaufnahmesystem kann ein herkömmliches Röntgen-C-Bogensystem sein, und dann ist das bewegliche Teil der Röntgen-C-Bogen. Die Erfindung findet auch Anwendung bei einem Röntgenbildaufnahmesystem, bei dem Röntgenröhre und Röntgendetektor von einem Roboter bewegt werden.
Moderne Röntgenbildaufnahmesysteme, insbesondere die Rönten-C-Bogensysteme, ermöglichen eine Vielzahl von Bewegungen des jeweiligen beweglichen Teils. Für eine Bedienperson ist es nicht einfach vorherzusehen, ob das bewegliche Teil bei seiner Bewegung einem Hindernis begegnet oder nicht. Ein solches Hindernis kann der Patient selbst sein, ein Bestecktisch mit Instrumenten zum Durchführen von Eingriffen an dem Patienten, ein Stativ für ein Kathetersystem u. v. a. m.
Um zu verhindern, dass das bewegliche Teil bei seiner Bewegung für einen Unfall sorgt, wird regelmäßig ein langsamer Testlauf durchgeführt, bei dem keine Bildgebung erfolgt, und erst, wenn der langsame Testlauf reibungslos erfolgt ist, wird ein Bildgebungsdurchlauf schnell durchgeführt.
Der Testlauf nimmt Zeit in Anspruch, was insbesondere dann störend ist, wenn die Röntgenbildaufnahme einen interventionellen Eingriff am Patienten begleitet, der dann nämlich in seiner Durchführung verzögert wird. Außerdem ist auch nicht gewährleistet, dass bei einem langsamen Testlauf nicht trotz des langsamen Tempos ein wie auch immer gearteter Unfall stattfindet.
Die DE 10 2005 028 215 A1 beschreibt ein Röntgenbildaufnahmesystem, bei dem ein Röntgenarm mit Hilfe eines Steuerknüppels gesteuert wird. Eine Überwachungsvorrichtung überwacht, ob eine Kollision mit einem Hindernis droht. Ist dies der Fall, wird auf den Steuerknüppel eine Kraft ausgeübt, die ein haptisch für einen Benutzer wahrnehmbares Warnsignal erzeugt.
In der Dissertation von Dirk Ebert: ”Bildbasierte Erzeugung kollisionsfreier Transferbewegungen für Industrieroboter”, die am 23. Juni 2003 beim Fachbereich Informatik der Technischen Universität Kaiserslautern eingereicht wurde, ist beschrieben, dass zur Vermeidung von Kollisionen eines Roboters mit einem Hindernis eine Mehrzahl von Kameras den Raum, in dem sich der Roboter befindet, überwacht. Die Kameras nehmen Grauwertbilder auf, und aufgrund der Grauwertbilder werden Silhouetten abgeleitet, durch die auf die Position von Hindernissen zurückgeschlossen wird. Im mathematischen Formalismus sind den Hindernissen Volumenelemente (Voxel) zugeordnet, und es wird geprüft, ob eine Konfiguration eines Roboters (Bewegungsfolge) eine Menge von Volumenelementen erfordert, von der sich in zumindest einem Teil ein störendes Objekt befindet.
Im US-Patent 5,347,459 ist ein Verfahren zum Erfassen einer bevorstehenden Kollision zwischen einem Roboter und einem oder mehreren Hindernissen beschrieben, bei dem der dreidimensionale Raum in Volumenelemente unterteilt ist, wobei den Volumenelementen Zahlenwerte zugeordnet sind, die eine Angabe über den kürzesten Abstand zu einem Hindernis machen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen Teils eines Röntgenbildaufnahmesystems bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile nicht zeigt und insbesondere für eine Zeitersparnis im Betrieb sorgt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Zur Erfindung gehört auch ein Röntgenbildaufnahmesystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die Schritte:

– Bereitstellen einer Mehrzahl von Videokameras, die zumindest einen Teilbereich des von dem beweglichen Teil bei möglichen Bewegungen durchlaufenen Raums erfassen können,
– Aufteilen des von den Videokameras erfassten Raums in eine Vielzahl von Volumenelementen,
– Erfassen zu jedem Volumenelement, ob es durch ein Objekt besetzt ist, oder ob das Volumenelement objektfrei ist,
– Definieren einer Sollbewegung des beweglichen Teils (aus einer aktuellen Stellung),
– Ermitteln, welche Volumenelemente das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde,
– Prüfen, ob zumindest eines der Volumenelemente, die das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde, zu den durch ein Objekt besetzten Volumenelementen gehört, und wenn nein: Ermöglichen der Sollbewegung,

Es genügt die Bilderkennung an einem einzigen Bild einer der Videokameras, aber bevorzugt werden natürlich die Informationen von allen Videokameras ausgewertet. Das Ergebnis der Auswertung wird der Bedienperson mitgeteilt (auf einem Bildschirm oder akustisch). Die Bedienperson erfährt sehr schnell, welches Objekt (Gegenstand, Person) die Bewegung des beweglichen Teils stört und kann das Teil aus dem Bereich, in dem sich das bewegliche Objekt bewegt, entfernen.
Durch die Videokameras kann bei deren geeigneter Anzahl (drei bis vier Stück, bevorzugt bis zu acht Stück) der Raum, in dem sich das Röntgenbildaufnahmesystem befindet, mehr oder weniger vollständig erfasst werden, zumindest kann die Umgebung des beweglichen Teils vollständig erfasst werden. Dadurch wird es möglich, eine Voraussage zu treffen, ob bei Durchführung der Sollbewegung eine Kollision des beweglichen Teils mit einem Hindernis stattfinden würde oder nicht. Durch diese Voraussagefunktion kann auf den langsamen Testlauf verzichtet werden. Die Kameras arbeiten grundsätzlich ständig. Zwar kann vorgesehen sein, dass die Kameras schwenkbar sind, um ganz bestimmte Bereiche zielgenau zu erfassen, die Kameras können jedoch auch fest installiert sein, und insbesondere in letzterem Fall geht quasi keine Zeit für das Erfassen der Hindernisse verloren. Eine Bedienperson kann eine Sollbewegung des beweglichen Teils eingeben, das System prüft zeitnah, ob ein Hindernis vorhanden ist, und in Abwesenheit eines Hindernisses kann die Sollbewegung unmittelbar bzw. zeitnah ausgeführt werden. Dadurch wird im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem der langsame Testlauf durchgeführt wird, Zeit eingespart. Im Falle des positiven Ausgangs der Prüfung, dass also zumindest eines der Volumenelemente, die das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde, zu den durch ein Objekt besetzten Volumenelementen gehört, das Unterbinden der Sollbewegung durch eine optische, akustische oder haptische Warnausgabe an die Bedienperson erfolgen, die dann entsprechend auf die Sollbewegung verzichtet.
Eine typische Art der Sollbewegung bei einem Röntgen-C-Bogensystem ist die Kreisbogenbewegung zur Kreisbogenabtastung. Insbesondere bei dieser erfolgt im Stand der Technik der langsame Testlauf, und die Erfindung hat durch die oben genannte Zeitersparnis unmittelbar Vorteile. Durch die Erfindung wird es auch vorteilhaft ermöglicht, schnell zwischen vordefinierten Positionen zu wechseln. Diese ist beim so genannten N-Ebenen-Workflow notwendig: Bei einem bestimmten interventionellen Eingriff am Patienten sollen aus N unterschiedlichen Sichtweisen Röntgenbilder aufgenommen werden, und zwar abwechselnd. Der behandelnde Arzt legt bestimmte Arbeitspositionen fest und muss während des interventionellen Eingriffs dann lediglich kurz das Röntgenbildaufnahmesystem bedienen, damit die Position gewechselt wird. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der behandelnde Arzt von der Aufgabe befreit zu prüfen, ob in der Zwischenzeit ein Hindernis die Bewegung des beweglichen Teils behindert. Vielmehr erfolgt die Prüfung durch das erfindungsgemäße Verfahren je nach Ausführungsformen mehr oder weniger in Echtzeit, so dass besonders schnell zwischen den verschiedenen vordefinierten Positionen gewechselt werden kann.
Zur Erfindung gehört auch ein Bildaufnahmesystem, das insbesondere als Röntgen-C-Bogensystem ausgebildet ist, und das ein bewegliches Teil umfasst und gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Videokameras gekoppelt ist. Eine Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung des beweglichen Teils dient, ist erfindungsgemäß dazu ausgelegt, die Bilder der Videokameras zu analysieren und aufgrund der Analyse eine Sollbewegung des beweglichen Teils zu ermöglichen oder nicht (d. h. entweder gegebenenfalls freizugeben und sonst blockiert zu halten oder umgekehrt eine vorhandene Freigabe durch Blockieren zu beenden). Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, aufgrund der Bilder der Videokameras eine Belegung von Volumenelementen durch Objekte zu ermitteln und zu einer definierten Sollbewegung des beweglichen Teils die von diesem bei der Sollbewegung durchlaufenden Volumenelemente (z. B. aufgrund eines CAD-Modells des beweglichen Teils, das in der Steuereinrichtung abgelegt ist) zu ermitteln, und zu prüfen, ob diese Volumenelemente als belegt ermittelt wurden und aufgrund eines Mustererkennungsverfahrens die Art des Objekts zu ermitteln und mitzuteilen, welche Art von Objekt dem beweglichen Teil bei seiner Sollbewegung im Wege steht.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die Figur die in einem Behandlungsraum zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzusehende Anordnung zeigt und deren Funktionsweise veranschaulicht.
In einem Behandlungsraum ist ein Röntgen-C-Bogensystem 10 angeordnet, von dem repräsentativ in der Figur alleine der Röntgen-C-Bogen 10 mit Röntgenquelle 12 und Röntgenflachdetektor 14 gezeigt ist. Die Bewegungen des Röntgen-C-Bogens werden durch eine Steuereinrichtung 16 gesteuert. Die Steuereinrichtung 16 erhält Eingabesignale über eine Eingabeeinrichtung 18. Beispielhaft gezeigt für die Eingabeeinrichtung ist ein Steuerknüppel, die Eingabe kann in an sich bekannter Weise auch über Druckknöpfe, eine Computermaus oder eine Tastatur erfolgen. Auf einem Bildschirm 20 werden für eine Bedienperson nützliche Anzeigen gemacht.
Üblicherweise gehört zum Röntgen-C-Bogen ein Patiententisch, auf dem im Betrieb ein Patient liegt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Patiententisch und Patient in der Figur ausgelassen. In dem Raum, in dem das Röntgen-C-Bogensystem steht, ist nun eine Vielzahl von Videokameras 22 angeordnet. In der Figur dargestellt sind drei solche Videokameras 22, das erfindungsgemäße System arbeitet insbesondere dann sinnvoll, wenn acht Kameras in dem Raum angeordnet sind. Die Videokameras 22 sind so ausgerichtet (oder zumindest ausrichtbar), dass sie die Umgebung des Röntgen-C-Bogens 10 mit selbigem erfassen können. Die Bilder der Videokameras 22 werden ausgewertet. In der Figur sind die Videokameras 22 an die Steuereinrichtung 16 angeschlossen, die Bildauswertung kann jedoch in einer gesonderten Einrichtung erfolgen. Das Ergebnis der Analyse muss im letzteren Fall allerdings dem den Röntgen-C-Bogen ansteuernden Steuersystem zur Verfügung gestellt werden, so dass man die auswertenden Systeme letztlich doch wieder zu einer einzigen Steuereinrichtung zusammenfassen kann. Die dargestellte Kopplung der Videokameras 22 an die Steuereinrichtung 16 stellt daher den natürlichsten Fall dar.
Die Anzahl der Videokameras 22 und ihre Ausrichtung ist nun so gewählt, dass eine dreidimensionale Information über die Belegung des Raums erfassbar ist. Es kann aufgrund der Bilder mehrerer Videokameras 22 zu einem Volumenelement 24 eine Aussage gemacht werden, ob dieses durch ein Objekt belegt ist oder vollständig objektfrei ist, d. h. ausschließlich von Luft erfüllt ist. In der Figur ist das Volumenelement 24 von Objekten frei. Andere Volumenelemente, nämlich Volumenelemente 26, 26', sind hingegen durch eine Person 28 besetzt.
Die Steuereinrichtung 16 erfasst nun aufgrund der von den Videokameras 22 aufgenommenen Bilder für die Gesamtheit aller Volumenelemente, für die dies möglich ist, ob diese durch ein Objekt nach Art der Person 28 belegt sind oder nicht.
Im Rahmen der Behandlung des in der Figur nicht gezeigten Patienten ergibt sich nun, dass der Röntgen-C-Bogen 10 bewegt werden muss, z. B. gemäß dem Pfeil 30 verschwenkt werden muss. Naturgemäß durchläuft der Röntgen-C-Bogen 10 mit der Röntgenröhre 12 und dem Röntgenflachdetektor 14 bei seinem Verschwenken Volumenelemente 32, die bisher nicht von dem Röntgen-C-Bogen 10 eingenommen waren. Der gesamte, von dem Flachdetektor 14 und dem hierzu gehörigen Teil des Röntgen-C-Bogens 10 bei der Bewegung entsprechend dem Pfeil 30 durchlaufene Raum 34 ist in der Figur strichpunktiert gezeichnet. Die Steuereinrichtung 16 verfügt über ein CAD-(Computer Aided Design)Modell des Röntgen-C-Bogens, insbesondere auch des Flachdetektors 14. In der Steuereinrichtung 16 wird ein Raummodell verwendet. Die Steuereinrichtung 16 ermittelt nun, welche Volumenelemente, wie z. B. das Volumenelement 32, bei der Bewegung des Röntgen-C-Bogens, die gewünscht ist (Sollbewegung) durchlaufen werden. Diese Menge an Volumenelementen wird nun danach untersucht, ob sie zu den Volumenelementen 24 gehört, die von Objekten frei sind, oder ob sie zu den Volumenelementen 26 bzw. 26' gehört, die durch ein Objekt belegt sind. In der Figur gezeigt ist, dass das Volumenelement 26' zur Schnittmenge der Volumenelemente gehört, die gleichzeitig durch ein Objekt 28 belegt sind und bei der Sollbewegung des Röntgen-C-Bogens entsprechend dem Pfeil 30 durchlaufen würden. Es genügt ein einziges solches Volumenelement 26`, damit die Steuereinrichtung 16 erkennt, dass die Bewegung des Röntgen-C-Bogens behindert werden würde. Die Steuereinrichtung 16 gibt daraufhin ein Warnsignal auf dem Bildschirm 20 an die Bedienperson aus und kann insbesondere auch die Bewegung des Röntgen-C-Bogens 10 blockieren. Gibt es hingegen kein Volumenelement nach Art des Volumenelements 26', d. h. ist der gesamte vom Röntgen-C-Bogen 10 bei seiner Sollbewegung durchlaufene Raum frei von Hindernissen, wird die Bewegung des Röntgen-C-Bogens freigegeben. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die zuvor eingegebene Sollbewegung unmittelbar nach der Freigabe durchgeführt wird.
Die Steuereinrichtung 16 kann aufgrund der Information über die Volumenelemente 26 auch eine Mustererkennung durchführen, und so erkennen, welche Art von Objekt als Hindernis bei der Sollbewegung des Röntgen-C-Bogens 10 auftritt. Vorliegend kann beispielsweise erkannt werden, dass das Objekt 28 eine Person ist, und auf dem Bildschirm 20 kann ausgegeben werden: „Person blockiert Bewegung des Röntgen-C-Bogens”. Die Bedienperson kann dann die Person 28 bitten, den Schwenkbereich des Röntgen-C-Bogens 10 zu verlassen. Handelt es sich bei dem Objekt 28 um einen Gegenstand, kann dieser entfernt werden.
Aus Gründen der Darstellbarkeit wurde als Bewegungsmöglichkeit für den Röntgen-C-Bogen lediglich das Hin- und Herschwenken entsprechend dem Pfeil 30 genannt. Das erfindungsgemäße Verfahren findet seine Anwendung auch bei komplexeren Sollbewegungen, insbesondere Bewegungsfolgen. Beispielsweise kann mit Hilfe des einen Röntgen-C-Bogens im N-Ebenen-Modus gearbeitet werden, bei dem der Röntgen-C-Bogen 10 wechselnd bestimmte Arbeitspositionen einnimmt. Vor jedem Wechsel überprüft das System, ob ein Hindernis das Verfahren des Röntgen-C-Bogens 10 verhindert. Im Regelfall, dass kein Hindernis vorliegt, kann schnell zwischen den einzelnen Arbeitspositionen hin- und hergefahren werden.

Claims

Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen Teils (10) eines Röntgenbildaufnahmesystems, mit den Schritten: – Bereitstellen einer Mehrzahl von Videokameras (22), die zumindest einen Teilbereich des von dem beweglichen Teil bei möglichen Bewegungen durchlaufenen Raums erfassen können, – Aufteilen des von den Videokameras erfassten Raums in eine Vielzahl von Volumenelementen (24, 26, 26'), – Erfassen zu jedem Volumenelement (24, 26, 26'), ob es (26, 26') durch ein Objekt (28) besetzt ist, oder ob das Volumenelement (24) objektfrei ist, – Definieren einer Sollbewegung (30) des beweglichen Teils (10), – Ermitteln, welche Volumenelemente (32, 26') das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde, – Prüfen, ob zumindest eines (26') der Volumenelemente (32, 26'), die das bewegliche Teil bei seiner Sollbewegung durchlaufen würde, zu den durch ein Objekt besetzten Volumenelementen (26, 26') gehört, und wenn nein: Ermöglichen der Sollbewegung, und wenn ja: Unterbinden der Sollbewegung und nachdem zumindest ein von zumindest einer der Videokameras (22) aufgenommenes Bild einem Bilderkennungsverfahren unterzogen wurde, Mitteilen an eine Bedienperson, welche Art von Objekt (28) dem beweglichen Teil (10) bei seiner Sollbewegung im Wege steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbinden der Sollbewegung eine optische, akustische oder haptische Warnausgabe an eine Bedienperson umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des negativen Ausgangs der Prüfung die Sollbewegung unmittelbar ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren zum Steuern eines Röntgen-C-Bogens (10) eines Röngen-C-Systems ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbewegung eine Kreisbogenbewegung zur Kreisbogenabtastung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbewegung eine Bewegung von einer vordefinierten Stellung zu einer anderen vordefinierten Stellung ist.
Röntgenbildaufnahmesystem mit einem beweglichen Teil (10), wobei das Röntgenbildaufnahmesystem mit einer Mehrzahl von Videokameras (22) gekoppelt ist, und wobei eine Steuereinrichtung (16) zur Ansteuerung des beweglichen Teils (10) dazu ausgelegt ist, die Bilder der Videokameras (22) zu analysieren und aufgrund der Analyse eine Sollbewegung des beweglichen Teils (10) a) zu ermöglichen oder b) nicht zu ermöglichen, wobei die Steuereinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, aufgrund der Bilder der Videokameras (22) eine Belegung von Volumenelementen (24, 26') durch Objekte (28) zu ermitteln und zu einer definierten Sollbewegung des beweglichen Teils (10) die von diesem bei der Sollbewegung durchlaufenden Volumenelemente (32, 26') zu ermitteln, und zu prüfen, ob diese Volumenelemente (26') als belegt ermittelt wurden und aufgrund eines Mustererkennungsverfahrens die Art des Objekts zu ermitteln und mitzuteilen, welche Art von Objekt (28) dem beweglichen Teil (10) bei seiner Sollbewegung im Wege steht.