在医学无菌区域中的无接触的设备控制 |
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| 申请号 | CN201610479536.5 | 申请日 | 2016-06-27 | 公开(公告)号 | CN106293056A | 公开(公告)日 | 2017-01-04 |
| 申请人 | 西门子保健有限责任公司; | 发明人 | S.库尔特; B.拉科; S.赖歇尔特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及在医学无菌区域中的无 接触 的设备控制，尤其涉及一种用于在保持无菌条件的情况下控制医学设备(30)的控制系统和一种控制方法。该系统包括便携式控制单元(111)，具有至少一个惯性 传感器 (10)，该惯性传感器被规定为，用于采集使用者的身体部位的 加速 数据。便携式控制单元(111)还包含无线 接口 (11)，用于将所采集的加速数据传输到转换模 块 (20)。转换模块(20)被规定为，用于接收所传输的加速数据并且将其转换为指令(I)，其中指令被用于控制医学设备(30)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在保持无菌条件的情况下控制医学设备(30)的控制系统，包括-便携式控制单元(111)，具有 |
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| 说明书全文 | 在医学无菌区域中的无接触的设备控制技术领域背景技术[0003] 在现代工作模式中目前通常的是，在介入期间或直接在该介入的准备阶段访问例如由计算机断层成像设备采集或提供的放射图像数据。为了操作医学技术装置或设备必须相应地通过使用者输入来控制装置或设备。 [0004] 为此在现有技术中特别是为了控制放射图像的图像显示设备应用两种方法。 [0005] 一种方法是，将操作转移给助手，从而在无菌区域中医生本身不进行操作。医生仅向助手给出指示用于操作。该方法是易于产生错误的，因为指示也可能被错误理解并且此外不经济并且缓慢。 [0006] 另一种方法是，可以如下地实现保持在无菌区域中的要求，方法是，通过给各个操作元件(操纵杆、鼠标、触摸屏等)，例如以保险罩(Haube)的形式，设置无菌覆盖物，然后穿其对操作元件进行操作。但是该过程导致如下缺陷，即，可操作性受到极大限制并且却还是存在弄脏的风险。 [0007] 值得期望的是，明确且无接触地操作基于计算机的设备和功能，诸如操作放射图像的图像显示或控制其它设备功能。 [0008] 在现有技术中还公知的是，使用基于手势的系统，其中光学地采集应当用于控制系统的使用者手势。但是在测试中该方法没有得到令人满意的结果。目前已知的基于手势的系统(例如LeapMotion、Kinect)利用光学识别和照相机采样来工作。该系统以距操作者的特定距离或规定的手势来优化并且在实践中已经证明对于在用户范围之外的应用不太稳健。主要缺陷在于受限的视野或可能遮盖设备的显示，这在医学领域不是便携式的。结果是，使用者的运动自由受到强烈限制。此外根据所使用的技术，识别精确性会受到照明条件、反射等影响。 发明内容[0009] 因此，本发明要解决的技术问题是，在无菌区域中也能够安全且可靠地实现医学技术装置或医学技术系统的控制。强烈的焦点尤其在于在医学领域中特别重要的、功能的稳健性，以及在直观的操作中避免了长的学习曲线。 [0011] 下面描述了关于要求保护的控制系统的技术问题的解决方案。在此提到的特征、优点和/或替换的实施方式同样也被转用到其它要求保护的对象，反之亦然。换言之，还可以扩展具有结合方法描述的和/或要求保护的特征的系统或计算机程序产品。方法的相应的功能性特征在此通过相应的具体的计算机实施的模块，特别是系统的微处理器模块来构造。控制系统和方法还可以作为嵌入系统(embedded system)集成在医学技术装置中或集成在总系统中。 [0012] 按照本发明的一个方面，技术问题的解决方案涉及一种用于控制必须在无菌条件下操作的、医学技术的计算机辅助设备的控制系统。为此，控制系统包括由使用者在无菌区域中携带的便携式控制单元，具有至少一个惯性传感器，该惯性传感器被规定为，用于采集使用者的身体部位的加速数据。此外，便携式控制单元包括无线接口，用于将所采集的加速数据传输到转换模块。转换模块是控制系统的部件并且被规定为，接收所传输的加速数据并且将其转换为指令，其中指令被用于控制医学设备。 [0013] 下面详细解释在本申请的范围内使用的概念。 [0014] 医学技术的计算机辅助设备是具有至少一个与计算机的接口的设备。优选地是图像显示设备，诸如显示器，用于显示放射数据和图像，特别是以DICOM格式(DICOM:Digital Communication in Medicine)，可能的具有控制组件，诸如显卡或基于软件的控制器。由此，设备可以包括具有(例如以显卡的形式的)控制单元的显示器。例如必须选择、缩小、放大、旋转或以其它方式处理在显示器上显示的图像数据。为此需要使用者输入，以便通过特定指令来初始化并执行所需的处理，从而作为对使用者手势的响应可以在显示器上输出新的图像显示。 [0015] 按照本发明应当仅无接触地采集该使用者输入。设备通过使用者输入而无接触的控制通过至少一个惯性传感器进行，利用其采集使用者的身体部位(例如其手或手臂或手指运动)的加速数据。在本发明的优选的实施方式中，仅通过便携式控制单元来采集所有使用者交互或所有使用者输入。优选地，按照本发明不是光学地采集身体运动或手势，而是借助加速传感器或回转传感器确定精确的位置数据和加速数据，其被自动地转换为预先定义的指令。 [0016] 如已经提到的那样，本发明的主要实施涉及图像显示过程的控制和与之相连的、用于控制图像显示的使用者输入。但是，无接触的控制系统同样可以被应用到必须在无菌条件下控制的其它基于计算机的过程，诸如其它软件或硬件程序的控制、在其本身的成像的控制或与之相连的过程。但是，按照本发明的无接触的控制应当主要被应用到显示过程的控制。显示过程的控制通常是对在用户界面上的操作区进行操作的前提条件。因为在现有技术中已知的用于操作操作区的方法由于关于无菌性的要求而不能被采用，该操作区的操作仅通过无接触地采集借助惯性传感器探测的手势来进行。 [0017] 在手术室中并且特别是在手术期间实现无菌区域或无菌区，以便尽可能排除细菌的侵入。以无菌的(消毒的)织物覆盖的患者、仪表台以及无菌穿着的外科医生和助手的环境处于不允许非无菌人员进入的无菌区中。但是现在在该无菌区域中必须能够输入命令，用于控制设备或装置(例如用于显示放射数据的设备)。按照本发明为此提供一种便携式控制单元。概念“便携式”是指，使用者将控制单元戴在身体上并且还可以再次摘下。控制单元被构造为移动电子部件并且可以作为单独的单元被提供或者被集成到复杂的部件(例如Smartwatch等)中。为了能够不受限制的运动自动度，控制单元仅具有无线接口，用于传输由惯性传感器采集的、作为输出信号提供的加速数据和/或用于读入激活数据作为输入数据。 [0018] 例如可以将激活信号和/或禁止信号传输到控制系统作为输入信号。在此，激活信号可以报告，应当对于预先定义的时间间隔的持续时间激活无接触的设备控制，从而避免对加速数据的不必要的采集。由此可以对于无接触的设备控制提供开和关模式。在预先定义的禁止信号的情况下可以禁止或仅临时中断无接触的设备控制。 [0019] 转换模块(与便携式控制单元一样地)是电子部件，特别是微处理器芯片，其与软件共同作用来控制设备。从惯性传感器的所采集的加速数据中提取或计算手势。在存储器中使用者输入可以与每一个手势相关联并且作为数据堆(总体上以表格的形式)存储。此外还可能的是，可以实施多个手势用于使用者交互。在准备的定义阶段规定该关联并且还可以在随后的时间点再次将其改变。 [0020] 原则上，可自由编程地(也就是不必通过表格)从原始数据(例如加速数据)中提取手势以及从手势中提取使用者交互。转换模块的工作方式可以以如下解释的流程图来描述。 [0021] 1.将加速数据从控制单元(例如手镯)提供到转换模块。 [0022] 2.转换模块将数据存储在临时的中间存储器中。 [0023] 3.将当前的且存储的数据传输到处理单元。 [0024] 4.处理单元根据现有的程序代码从该数据中导出实施的手势。为了确定手势还可以考虑过去已知的手势(自学习系统)。 [0025] 5.将识别出的手势传输到医学设备的控制单元。 [0026] 6.该医学设备依据手势并且依据当前的程序上下文触发使用者交互。 [0027] 示例如下： [0028] 1.手镯传输数据“向上高加速”。 [0029] 2.转换模块将该数据存储到中间存储器中。 [0030] 3.转换模块将当前的和最后三个数据传输到处理单元。所有四个数据的内容是“向上高加速”。 [0031] 4.处理单元从四次向上高加速中导出手势“上滑(Swipe Up)”。 [0032] 5.将手势“上滑”传输到医学设备的控制单元。 [0033] 6.医学设备处于上下文“打开选择菜单”。按照该上下文和手势“上滑”，处理单元随后触发交互“关闭菜单”。 [0034] 在本发明的优选的实施方式中，惯性传感器是或包括加速传感器和/或至少一个回转仪。加速接收器必须沿着一个或多个轴线性加速(优选按照mV/g给出)。相反，回转仪必须是角速度(按照mV/°/s给出)。如果拿到前面描述的加速传感器并且将其围绕纵轴旋转，则组件的输出端不对角速度的变化作出反应。为了也采集该角速度，按照本发明可以提供回转传感器。由此还可以定义另外的手势，其(例如除了运动之外还附加地)要求使用者的各自的身体部位的旋转。 [0035] 原则上存在控制功能和各个对应的使用者输入的两种不同的方式。 [0036] 第一种方式(直接模式)的特征在于，可以将使用者手势直接转换为用于计算机程序的控制信号。例如存在用于在图像堆中翻阅，用于DICOM图像的所谓的“窗口”或用于在3D图像的情况下在层堆中选择特定的层的手势。只要采集该手势，就可以直接转换其并且例如触发显示屏上的显示改变。 [0037] 在第二种方式(确认模式)的情况下，在指令可以被实施或转换之前必须首先确认指令。为此在通常的前端(Front-Ends)设置按键区或按键，其在用户界面上显示并且其借助鼠标或键击来确认或切换。只有当输入了由此输入的确认信号时，才可以执行各个指令。因为无接触地执行按照本发明的方法，所以不能如迄今为止在现有技术中通常的那样例如在鼠标上通过键击来触发功能。因此按照本发明，实施替换的方法来采集确认信号。 [0038] 为了尽管如此却还能够无接触地采集确认信号，按照本发明设置，实施“通过保持实现功能(Funktion durch Verbleiben)”。在此选择功能，方法是，使用者可以使指针在功能元件(按键、开关、菜单等)上方停留一定时间。在该时间过去之后在用户界面上在指针附近淡入另外的功能元件用于确认，现在使用者以指针接触该另外的功能元件(其中“接触”在此是指“在显示屏上以指针接触功能元件”，也就是非物理的接触)或者同样必须在其上短时停留。然后对功能的选择成立。由此解决了功能选择的问题。通过在操作区域上利用鼠标光标进行保持，系统自动地切换到选择模式，其允许定义的功能选择。这可以通过鼠标光标或通过突出子菜单中的相应功能来实现。 [0039] 作为上面提到的方式“通过保持实现功能”的替换或增加，对于确认模式还可以实施“通过手势的功能(Funktion durch Geste)”。 [0040] 取代改变指针的位置，可以由软件识别手镯的特定运动作为手势并且触发功能。根据本发明的实施方式可以实施如下选项： [0041] a)快速来回运动，用于舍弃选择或关闭打开的菜单； [0042] b)从一个区域向外快速运动，用于脱离该区域，而不会在此改变在该区域内选择的位置(例如在MPR视图的片段中的层选择。如果以快速的手势脱离片段，则所设置的层选择保持不变)； [0043] c)轻微旋转手臂，用于功能选择(例如通过旋转手臂在轴向的与冠状的层的操纵之间进行切换)； [0044] d)包围元件，用于选择； [0045] e)剧烈运动，用于中断运行的功能。 [0046] 按照本发明的优选的实施方式，附加地在控制系统中使用至少一个振动模块，其向使用者给出关于各个操作结果的反馈(成功操作-轻微振动；错误或不成功的操作-强烈振动)。 [0047] 当控制系统在确认模式下运行时，在采集待确认的指令之后在显示设备上显示开关元件，其中开关元件可以通过使用者手势来切换，其中使用者手势(在本发明的优选的实施方式中：仅)通过惯性传感器来采集并且用于确认上述指令并且触发指令的转换。用于确认的开关元件可以被构造为机械开关(例如以脚踏开关或杠杆的形式)或构造为语音控制的开关(例如可以通过语音消息激活)。在本发明的优选的实施方式中，将机械的开关实施与语音控制的实施组合。由此可以在使用者输入(基于手势，其中手势利用基于惯性传感器的控制单元来采集)和确认信号(机械输入或语音输入)的不同的模式之间灵活地变换。 [0048] 在优选的实施方式中，预先定义开始手势，其被构造为用于触发无接触的控制功能。此外，可以预先定义结束或中断手势，其被构造为用于中断无接触的控制功能。由此应当防止了，在不打算进行控制的情况下，采集使用者的“正常的”运动作为对于控制系统的输入。 [0049] 为了实现高灵活性，便携式控制单元被构造为模块化组件并且包括惯性传感器。控制单元可以优选地以箍或环的形式构造，其可以被快速且不复杂地作为无菌元件戴在医生的身体部位(例如手臂、手指或手)上的无菌衣之上。便携式控制单元的惯性传感器然后采集手臂、手指或手的运动。替换地，便携式控制单元还可以戴在无菌衣之下并且然后还非无菌地被使用。在本发明的实施方式中，便携式控制单元可以集成在另外的部件中，诸如集成在设备、手镯或手表等中。 [0050] 优选地，控制单元和转换模块结构上彼此分开地被构造为单独的部件并且通过无线接口相互作用。但是，转换模块也可以集成在便携式控制单元中。同样，转换模块也可以在在其上执行待控制的程序(例如图像显示)的计算机或芯片中实施。 [0051] 无接触的控制可以在房间中的任意位置上进行。与现有技术中已知的方法不同的是，不需要使用者直接处于具有用户界面的显示器前或在操纵杆前，来触摸或操作在其上示出的操作区或操纵杆。按照本发明，可以借助惯性传感器不取决于使用者当前位置地执行无接触的控制。此外，还可以在使用者正在运动或其位置改变时进行控制。由此明显提高了灵活性。 [0052] 在本发明的测试为优选的实施方式中，控制系统还包括RFID芯片。这除了别的之外用于识别使用者在房间中的位置，例如用于避免与C形臂的碰撞。在本发明的另外的优选的实施方式中，控制系统包括剂量测量探头。该剂量测量探头用于采集在该区域中临界的操作剂量。还可以组合两个上述提到的本发明的实施方式。此外可能的是，操作者以个性化模块登录系统，以便能够实现验证。此外，可以利用个性化登记自动地预设特定于使用者的操作优先权。 [0053] 在本发明的另外的、优选的实施方式中，给控制系统接通或在其中集成附加模块，其向使用者显示对工作区的脱离(无线电连接失败)。这一点除了别的之外可以通过振动进行，以防止模块的损耗。 [0054] 按照另外的方面，本发明涉及一种用于在保持无菌条件下无接触地控制医学技术的或电子的设备的方法，从而该方法由此还可以在手术室中被使用。该方法包括如下方法步骤： [0055] -激活在无菌区域中的无接触的设备控制和/或应用控制(例如用于显示医学图像)； [0056] -采集使用者的身体部位的加速数据； [0057] -将所采集的加速数据经由无线接口传输到转换模块； [0058] -在转换模块处接收所传输的加速数据并且将加速数据转换为指令； [0059] -根据指令对设备进行控制(例如在图像显示设备上的图像显示过程)。 [0060] 在本发明的优选的扩展中，除了加速之外附加地或作为对此的替换通过回转传感器采集角速度。 [0061] 在控制设备借助基于惯性的输入数据来计算指令之后，还可以输出控制的结果。例如如果应当控制图像显示过程，则也可以在显示器上输出新的计算后的图像示图。 [0062] 同样处于本发明的范围内的是，该方法的上述提到的步骤不是必然地以上述描述的顺序来实施。在另外的实施方式中方法步骤还可以彼此嵌套(交错，Interleaving)，从而在对设备的控制中再次量取关于加速数据的、再次导致控制的手势。 [0063] 此外可能的是，上面描述的方法的单独的片段可以被构造为单独销售的单元并且方法的其余片段可以被构造为另外销售的单元。由此，按照本发明的方法可以在不同的基于计算机的实体(例如客户机-服务器实体)上作为分布式系统来实施。由此例如可以的是，便携式控制单元包括不同的子模块，其部分地在控制单元上并且部分地在转换模块上和/或部分地在另外的基于计算机的实体上实施。这明显提高了按照本发明的方案的灵活性和应用范围。 [0064] 在本发明的另外的构造中，便携式控制单元与转换模块融合并且集成为一个部件。该部件由此具有与设备控制(或尤其是各自的应用，诸如图像显示应用)的无线接口。 [0065] 此外，上述技术问题通过具有计算机程序的计算机程序产品来解决，其可以直接加载到用于控制医学设备的控制系统的存储装置中，具有程序片段，用于当在控制系统中为了控制医学设备而执行计算机程序时实施按照本发明的方法的步骤。 [0066] 计算机程序包括计算机指令。计算机指令存储在计算机的存储器上并且包括由计算机可读的命令，其被规定为当在计算机上执行该命令时实施上面描述的方法。计算机程序还可以存储在存储介质上或可以通过相应的网络从服务器中下载。 [0067] 此外由此上述技术问题通过具有计算机程序的存储器来解决。这样的存储器可以被构造为计算机可读的介质，在其上存储可由计算单元读入的并且可执行的程序片段，用于当由计算单元执行程序片段时实施按照本发明的方法的步骤。计算单元例如是用于控制医学设备的控制系统的计算机。 [0068] 计算机可读的介质可以是电子可读的数据载体，例如DVD、磁带或USD棒，在其上存储电子可读的控制信息，特别是软件。当从数据载体中读取该控制信息并且存储在用于控制医学设备的控制系统的控制装置或计算单元中时，可以实施上面描述的方法的所有按照本发明的实施方式。附图说明 [0069] 在下面详细的附图说明中结合附图讨论不以其特征和另外的优点而限制地理解的实施例。附图中： [0070] 图1示出了按照本发明的优选的实施方式的控制系统的示意图， [0071] 图2示出了按照本发明的优选的实施方式的便携式控制单元的示意图，[0072] 图3示出了按照本发明的优选的实施方式的便携式控制单元的俯视图，[0073] 图4示出了按照本发明的替换的实施方式的便携式控制单元的示意图，[0074] 图5示出了按照本发明的优选的实施方式的方法的流程图。 具体实施方式[0075] 下面根据实施例对本发明作进一步说明。 [0076] 图1示意性示出了按照本发明的控制系统的环境。控制系统在手术室或介入医学装置的无菌区域中运行。该环境划分为无菌区域S和非无菌(正常)区域N。关于无菌处理的特别要求适用于无菌区域S。 [0077] 尽管如此在手术室的无菌区域中却必须采用控制措施，例如结合采集和显示医学图像，诸如X射线图像、CT拍摄、MRT拍摄或在准备阶段和也在手术期间必须使用的其它模态的图像。 [0078] 不能应用通常的通过键盘或鼠标(触摸屏)的控制，因为键盘或鼠标或者不处于无菌区域S中或者由于相应的覆盖物而不能直接或以所需的精确性来操作。 [0079] 为了提高控制措施的精确性，本发明建议，提供一种无接触的控制，其基于在无菌区域S中的使用者的手势，其中通过便携式控制单元111采集手势。便携式控制单元111可以被构造为箍或环并且包括一个或多个惯性传感器10，其可以被构造为加速传感器或回转传感器并且被规定用于记录使用者的身体部位(手臂或手、手指或脚等)的加速数据。 [0080] 将所采集的加速数据经由无线接口11传输到转换模块20，该转换模块被规定为，接收所传输的加速数据并且将其转换为指令I，其中指令I为此用于控制待控制的医学设备30。设备30例如可以是用于显示放射图像数据的显示设备，其中作为对使用者输入的响应应当变化地显示图像数据。在本发明的实施方式中，转换模块20被构造为与便携式控制单元111独立的部件并且与其空间地分开。在本发明的替换的实施方式中，转换模块20也可以实施在(另外的)计算机上，在其上执行用于手势控制或用于图像显示的程序。 [0081] 第一手势例如可以对应于第一指令，以便控制如下功能：放大图像中的特定区域并且示出更多的细节信息。第二手势例如可以对应于第二指令，以便控制如下功能：选择特定图像。第三手势例如可以对应于第三指令，以便控制如下功能：以另外的角度显示图像。在准备阶段可以定义不同的手势并且与至少一个指令对应以用于控制。优选地，预先设定特定的手势和手势-指令对应，例如可以以直观的方式使用来回摆动手以用于在图像堆中翻阅。 [0082] 在无菌区域S中通常还存在另外的设备，其在图1中为清楚起见没有示出并且同样通过一个，优选另一个，便携式控制单元111来控制。优选地，还可以控制从无菌区域S出来的设备，其处于非无菌的正常区域N中或处于另外的位置处。在正常区域中可以存在显示设备或显示器40，在其上采集确认信号和/或显示放射图像。显示设备40还可以处于无菌区域S中并且通过按照本发明的无接触的控制借助便携式控制单元111来控制(在图1中未示出这种情况)。 [0083] 图2以示意性地方式示出了便携式控制单元111的结构。其通常包括多个传感器10，利用其可以测量传感器固定在其上的身体部位的加速度。此外，处理器P可以被构造为，用于将在传感器上量取的信号传输到无线接口11，其被规定为，用于将加速数据传输到转换模块20，该转换模块通常作为单独的部件对应于控制系统并且也可以处于正常区域N中或可以至少部分地集成在待控制的设备30中。 [0084] 便携式控制单元111被构造为，使得其可以快速且简单地套上使用者的四肢。为此，其被构造为开口的环，如其在图3中示意性示出的那样。环可以通过开口来拉伸并且可以通过扩张开口简单地改变环的形状以用于戴上或摘下，以便在推进或戴上的状态下呈现卡住的效果并且包围身体部位，使得可以确保位置固定的定位并且可以可靠避免滑动。 [0085] 在本发明的替换的实施方式中，便携式控制单元111被构造为封闭的环并且包括两种不同的材料：具有防滑的表面(例如橡胶类)的第一材料和可拉伸的第二材料。由此实现了，尽管是圆周封闭的环却可以改变其半径，这能够实现环的简单的戴上和摘下。本发明的该实施方式在图4中示出。两种不同的材料以不同类型的虚线示出。同样可能的是，控制单元环形地构造为封闭的或中断的(开口的)环并且由一种材料制成，该材料是柔韧的并且可以短暂延伸。 [0086] 下面在参考图5的条件下进一步解释控制方法的流程。在开始之后在步骤A中采集激活信号，该信号报告了，应当激活无接触的控制并且惯性传感器10应当在预定的时间段采集加速数据。然后在步骤B中采集加速数据并且在步骤C中将其经由WLAN接口(例如按照IEEE-802.11族标准)或另外的无线接口或无线电连接传输到转换模块20。在步骤D中在转换模块20上或处接收了加速数据之后，在步骤E中将该加速数据转换为指令I。然后基于该指令I对设备30进行控制(步骤F)。随后可以从步骤B开始重复地应用该方法或将其结束。 |
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