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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mobiles medizintechnisches Gerät.
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In der modernen Medizin wird eine Vielzahl von medizintechnischen Geräten bzw. Untersuchungsgeräten eingesetzt, welche z.B. mit Hilfe bildgebender Verfahren Aufnahmen aus dem Inneren eines menschlichen Körpers ermöglichen.
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Ein Beispiel solcher Geräte sind C-Bogen-Geräte oder C-Bögen, welche sehr groß und mobil bewegbar sind und sich z.B. bogenförmig um den Körper eines Patienten legen können. Um die Position eines solchen C-Bogengeräts und die einzelnen Elemente eines solchen C-Bogens bewegen zu können, werden heute teilweise Elektromotoren eingesetzt, welche das C-Bogengerät und dessen einzelne Elemente bewegen.
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C-Bogengeräte werden meist für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Räumlichkeiten eingesetzt. Herkömmlich werden die C-Bogengeräte von einem Benutzer über eine Steuerungseinheit an eine gewünschte Position gesteuert. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, dass ein solches C-Bogengerät eine bereits einmal angesteuerte Position erneut einnimmt. Oft ist es für den Benutzer schwer, die exakte Position erneut anzusteuern, falls keine entsprechenden Markierungen vorhanden sind. Selbst wenn häufig anzusteuernde Positionen markiert sind, kann es für den Benutzer langwierig und anstrengend sein, eine vormals bereits eingenommene Position erneut exakt zu treffen. Außerdem kosten solche Positionierungsvorgänge Zeit und Aufmerksamkeit, die beispielsweise bei bereits hoch getakteten und dichten Arbeitsabläufen zusätzlichen Stress verursachen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuerung der Positionierung medizintechnischer Geräte zu ermöglichen, mit der insbesondere auch ein wiederholtes Anfahren von bereits einmal eingenommenen Positionen erleichtert ist.
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Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch ein mobiles medizintechnisches Gerät gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts, bevorzugt eines bildgebenden medizintechnischen Geräts, wird ein Umgebungsbereich des mobilen medizintechnischen Geräts mit Hilfe einer Sensoreinrichtung abgetastet. Dabei werden von der Sensoreinrichtung Sensordaten erfasst. Auf Basis der erfassten Sensordaten wird nun eine Selbstlokalisierung durch Ermitteln einer Relativposition des mobilen medizintechnischen Geräts relativ zu dem abgetasteten Umgebungsbereich durchgeführt. Auf Basis der Sensordaten lassen sich Abstände des mobilen medizintechnischen Geräts zu einzelnen Raumstrukturen ermitteln, aus denen wiederum eine Relativposition des mobilen medizintechnischen Geräts relativ zu dem abgetasteten Umgebungsbereich ermittelt wird. Weiterhin wird eine Zielposition auf Basis einer Umgebungskarte mit semantischen Informationen bezüglich einzelner Teilbereiche der Umgebungskarte festgelegt. Die Umgebungskarte stellt kartographische Informationen zu den jeweils von dem mobilen medizintechnischen Gerät befahrenen Räumlichkeiten sowie die bereits genannten semantischen Informationen bereit. Als semantische Informationen sollen in diesem Zusammenhang Informationen verstanden werden, die eine Funktion, einen Zweck oder eine Zuordnung eines Teilbereichs näher beschreiben oder kennzeichnen. Schließlich erfolgt ein automatisiertes Steuern des mobilen medizintechnischen Geräts an eine vorbestimmte Zielposition auf Basis der ermittelten Relativposition.
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In Abhängigkeit von einer gestellten Aufgabe kann durch die Kombination der semantischen Informationen, der kartographischen Informationen und der Positionsinformationen autonom oder teilautonom ein für eine Lösung einer aktuell gestellten Aufgabe eines medizintechnischen Geräts geeignetes Ziel angesteuert werden. Mithin wird das Personal von der Steuerung des mobilen medizintechnischen Geräts entlastet. Wurden einzelne Positionen von dem medizintechnischen Gerät bereits einmal angesteuert, so lassen sich diese abspeichern. Beispielsweise wird die gespeicherte Position in der Umgebungskarte eingetragen. Später kann eine solche Position autonom erneut angesteuert werden. Die automatische Positionierung ermöglicht also eine genaue, wiederholbare Positionierung des mobilen medizintechnischen Geräts, so dass das Wiederanfahren bereits gespeicherter Positionen für den Benutzer vereinfacht wird, da kein zusätzlicher Assistent für eine manuelle Systemverschiebung mehr benötigt wird. Da der Benutzer das mobile medizintechnische Gerät nicht mehr manuell positionieren muss, erfordert die erfindungsgemäße Vorgehensweise keinen Benutzer mit Erfahrung hinsichtlich des Fahrverhaltens des mobilen medizintechnischen Geräts. Das mobile medizintechnische Gerät kann damit schneller in den Arbeitsablauf integriert werden. Die Einarbeitung von neuem Personal wird dadurch vereinfacht und die Arbeitseffizienz erhöht sich.
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Erfindungsgemäß weist ein mobiles medizintechnisches Gerät, beispielsweise ein C-Bogengerät, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Sensordaten von einem Umgebungsbereich des mobilen medizintechnischen Geräts auf. Teil des erfindungsgemäßen medizintechnischen Geräts ist außerdem eine Positionsermittlungseinheit zum Durchführen einer Selbstlokalisierung durch Ermitteln einer Relativposition des mobilen medizintechnischen Geräts relativ zu dem abgetasteten Umgebungsbereich auf Basis der Sensordaten. Das erfindungsgemäße medizintechnische Gerät umfasst außerdem eine Zielposition-Festlegungseinheit zum Festlegen einer Zielposition auf Basis einer Umgebungskarte mit semantischen Informationen bezüglich einzelner Teilbereiche der Umgebungskarte. Teil des erfindungsgemäßen mobilen medizintechnischen Geräts ist auch eine Steuerungseinheit zum automatisierten Steuern des mobilen medizintechnischen Geräts an die festgelegte Zielposition auf Basis der ermittelten Relativposition und der Umgebungskarte.
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Das mobile medizintechnische Gerät kann z.B. ein Röntgengerät oder dergleichen mit durch Elektromotoren angetriebenen und lenkbaren Rollen zum Verfahren des mobilen medizintechnischen Geräts an die Zielposition sein. Das mobile medizintechnische Gerät kann auch weitere durch Elektromotoren, hydraulische Antriebe oder andere Antriebe verstellbare Elemente haben. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mobilen medizintechnischen Gerät um ein C-Bogen-Gerät.
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Einige wesentliche Komponenten des erfindungsgemäßen mobilen medizintechnischen Geräts können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Positionsermittlungseinheit, die Zielposition-Festlegungseinheit und die Steuerungseinheit. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden. Die Schnittstellen können dabei drahtgebunden, drahtlos und auch optisch ausgeführt sein. Ist eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Daten durch den Benutzer vorgesehen, zum Beispiel in Form eines Tablet-Computers, so kann die Kommunikation über eine drahtlose Schnittstelle durchgeführt werden.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete mobile medizintechnische Geräte nach einer Ergänzung durch eine Sensoreinrichtung auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines mobilen medizintechnischen Geräts ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in dem mobilen medizintechnischen Gerät ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Zum Transport zu dem mobilen medizintechnischen Gerät und/oder zur Speicherung an oder in dem mobilen medizintechnischen Gerät kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit des mobilen medizintechnischen Geräts einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie oder entsprechenden Beschreibungsteilen weitergebildet sein weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts wird zur Selbstlokalisierung mit Hilfe der Sensordaten eine Umgebungskarte erstellt. Die Umgebungskarte kann von dem mobilen medizintechnischen Gerät dazu genutzt werden, seine Relativposition zu einzelnen Objekten im Raum zu ermitteln und Positionen zu finden, die für spezielle Aufgaben und Arbeitsschritte anzusteuern sind.
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Beispielsweise kann die Selbstlokalisierung durch Vergleich von zusätzlich erfassten Sensordaten mit der erstellten Umgebungskarte erfolgen. Entspricht die Geometrie der auf Basis der erfassten Sensordaten ermittelten Strukturen im Raum einer Struktur auf der Umgebungskarte, so kann durch Vergleich die Lage der den Sensordaten entsprechenden Strukturen ermittelt werden. Aus der Relativposition des mobilen medizintechnischen Geräts zu den erfassten und auf der Umgebungskarte eingezeichneten Strukturen kann dann die Position des mobilen medizintechnischen Geräts im Raum ermittelt werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts werden der Umgebungskarte die semantischen Informationen mit Hilfe eines semantischen Umgebungsmodells zugeordnet. Dabei werden einzelne Teilbereiche der Umgebungskarte nach ihrer Funktion oder ihrem Aufgabenbereich kategorisiert. Als Kategorie können zum Beispiel Aufgaben oder Arbeitsschritte festgelegt werden, die bestimmten Teilbereichen zugeordnet sind. Mithin kann die so mit zusätzlichen Informationen ausgestattete Umgebungskarte dazu genutzt werden, spezielle Positionen für bestimmte Aufgaben automatisiert anzusteuern.
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In einer besonders einfach zu handhabenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Kategorisierung einzelner Teilbereiche der Umgebungskarte vorab manuell durch einen Benutzer. Dabei ordnet der Benutzer einzelnen Teilbereichen in der erstellten Umgebungskarte in Abhängigkeit von der Struktur und der Position des jeweiligen Teilbereichs und seinem Vorwissen Funktionen oder diese kennzeichnende Bezeichnungen zu. Hierfür werden die entsprechenden Bezeichnungen in der Umgebungskarte eingetragen. Vorteilhaft kann danach von dem mobilen medizintechnischen Gerät zur Erfüllung einer bestimmten Funktion auf die semantische Information der Umgebungskarte zugegriffen werden und eine Zielposition je nach Art der zu erfüllenden Aufgabe automatisiert oder halbautomatisiert ausgewählt werden und anschließend angefahren werden.
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Alternativ kann die Zuordnung der semantischen Informationen durch Auslesen von maschinenlesbaren Kodiercodes erfolgen, welche in den jeweiligen zu kategorisierenden Teilbereichen angeordnet sind. Neben Codes wie z.B. QR-Codes oder im Infrarot-Spektrum reflektierenden Signalelementen (z.B. Markerkugeln, wie sie in der optischen Navigation bei OP-Navigationssystemen eingesetzt werden) können auch Technologien wie NFC/RFID mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden, um dem System die Erkennung bestimmter Bereiche zu ermöglichen/erleichtern.
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Bei dieser Variante kann eine Editierung der semantischen Informationen in der Umgebungskarte vorteilhaft unterbleiben. Stattdessen erfolgt die Zuordnung von semantischen Informationen durch Anfahren bzw. Vorbeifahren des mobilen medizintechnischen Geräts an den einzelnen Teilbereichen, wobei die jeweils dort angebrachten maschinenlesbaren Kodiercodes ausgelesen werden. Dieser Lernvorgang kann sowohl einmalig vorab, d.h. vor der eigentlichen Anwendung des mobilen medizintechnischen Geräts erfolgen, er kann jedoch auch während der Anwendung des mobilen medizintechnischen Geräts erfolgen, wobei dann im Laufe der Anwendung einzelne Teilbereiche abgefahren und semantisch kategorisiert werden. Eventuell müssen bei dieser Variante auch Umwege gefahren werden, da zunächst nicht alle Teilbereiche kategorisiert sind und nicht direkt angefahren werden können, wenn sie noch nicht in der Umgebungskarte bekannt sind.
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Alternativ kann die Kategorisierung einzelner Teilbereiche auch durch eine automatisierte Mustererkennung erfolgen. Bei dieser Variante besitzt das mobile medizintechnische Gerät allgemeine Informationen zu Strukturen, welche bestimmten Kategorien von Teilbereichen einer Räumlichkeit zugeordnet sind, und erkennt diese bei der Erfassung des Umgebungsbereichs mit Hilfe der Sensoreinrichtung wieder. Vorteilhaft lässt sich diese Variante auf eine Vielzahl von Räumlichkeiten anwenden, ohne vorab im Einzelnen spezifische Informationen zu den Teilbereichen der konkret befahrenen Räumlichkeiten erhalten zu haben. Mithin werden mit Hilfe dieser Variante eine hohe Flexibilität und ein geringer Vorbereitungsaufwand erreicht.
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Beispielsweise können in dem medizintechnischen Gerät für bestimmte Kategorien typische Muster von Raumstrukturen abgespeichert sein, welche mit den aktuell aufgezeichneten Raumstrukturen verglichen werden. Mit dieser Ausgestaltung können auch „unbekannte“ Räumlichkeiten, zu denen zunächst noch keine Umgebungskarte mit kategorisierten Teilbereichen besteht, automatisiert befahren werden.
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Die automatisierte Mustererkennung kann zum Beispiel mit Hilfe eines vorab durchgeführten Trainingsverfahrens verbessert werden. Beispielsweise können individuelle Muster und Strukturen und deren Zuordnung zu bestimmten Funktionen im Rahmen eines iterativen Lernprozesses, beispielsweise basierend auf einem maschinellen Lernverfahren, erfolgen. Vorteilhaft kann bei dieser Variante die Mustererkennung auf Basis einer großen Menge an Trainingsdaten ausreichend robust gestaltet werden, so dass auch bei Abweichungen von Strukturen von bestimmten modellhaft bekannten Mustern diese noch erkannt und bestimmten Kategorien zugeordnet werden können.
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Erfolgt die Erstellung einer Umgebungskarte während des Einsatzes des mobilen medizintechnischen Geräts, so kann gleichzeitig einzelnen Teilbereichen der aufgezeichneten Umgebungskarte eine Kategorie in Abhängigkeit von einer ermittelten Raumstruktur der Umgebung zugeordnet werden. Vorteilhaft kann auf Basis der Selbstlokalisierung und dem semantischen Umgebungsmodell ermittelt werden, in welchem Raum oder in welcher Art von Raum eines Gebäudes sich das medizintechnische Gerät aktuell befindet.
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Zusätzlich zu den Sensordaten von dem mobilen medizintechnischen Gerät können auch Sensordaten von stationären Sensoren zur Ermittlung der Relativposition des mobilen medizintechnischen Geräts herangezogen werden. Die stationären Sensoren können zum Beispiel an möglichen Fahrwegen des mobilen medizintechnischen Geräten, an der Zimmerdecke oder am Boden verteilt angeordnet sein und die Bewegung und Daten zur Ermittlung der Position des mobilen medizintechnischen Geräts erfassen. Auf diese Weise wird die Datenbasis für die Selbstlokalisierung und die Ermittlung der Position des mobilen medizintechnischen Geräts vergrößert und es werden Redundanzen geschaffen. Dies kann zum Beispiel für den Fall, dass die Sensoren des mobilen medizintechnischen Geräts von einzelnen Funktionselementen des mobilen medizintechnischen Geräts selbst oder von im Raum vorhandenen Gegenständen abgedeckt werden, eine korrekte Lokalisierung und Positionierung erlauben.
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Sind auf Basis des semantischen Umgebungsmodells einzelne Teilbereiche kategorisiert, so können auf Basis der ermittelten Relativposition und der Umgebungskarte eine oder mehrere mögliche Zielpositionen als Kandidaten-Zielpositionen für das mobile medizintechnische Gerät ermittelt werden und dem Benutzer zur Auswahl angezeigt werden. Aus den Kandidaten-Zielpositionen kann der Benutzer dann über eine Benutzerschnittstelle eine für seine Aufgaben geeignete Zielposition aussuchen, welche dann von dem mobilen medizintechnischen Gerät automatisiert angefahren wird.
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Um die Anfahrt einer Zielposition möglichst schnell, einfach und sicher zu gestalten, kann auf Basis der ermittelten Relativposition, der festgelegten Zielposition und der Umgebungskarte ein Fahrweg von der ermittelten Relativposition bzw. der daraus ermittelten absoluten Position zu der festgelegten Zielposition ermittelt werden. Im einfachsten Fall kann der kürzeste Weg zu der Zielposition ermittelt werden. Alternativ können auch weitere Informationen, wie zum Beispiel über das Vorhandensein von Engstellen oder Gefahrenquellen genutzt werden, um eine optimale Fahrtroute festzulegen.
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Zusätzlich können mit Hilfe des semantischen Umgebungsmodells nicht befahrbare Teilbereiche eines oder mehrerer Räume ermittelt werden und bei der Ansteuerung der Zielposition automatisch umfahren werden. Vorteilhaft werden Bereiche, in denen ein erhöhtes Kollisionsrisiko besteht, von dem medizintechnischen Gerät gemieden.
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Um ein Befahren von Bereichen zu vermeiden, die grundsätzlich nicht befahren werden sollen, können mithilfe der von der Positionsermittlungseinheit im System erkennbaren Kodiercodes (z.B. als Teil von Klebestreifen – "Tesaband") vorab auch Bereiche durch Aufkleben auf dem Boden markiert werden, die das mobile medizintechnische Gerät generell nicht befahren darf bzw. die bevorzugt befahren werden dürfen.
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Um Sensordaten zur Abtastung der Umgebung des erfindungsgemäßen medizintechnischen Geräts zu erhalten, kann als Sensoreinrichtung eine optische Sensoreinrichtung verwendet werden. Informationen von optischen Sensoren weisen in der Regel ein hohe Präzision auf, lassen sich leicht für geometrische Berechnungen nutzen und eigenen sich daher zur Positionsbestimmung.
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Um die Umgebung des mobilen medizintechnischen Geräts abzutasten, kann als Sensoreinrichtung ein Kamerasystem vorgesehen sein, welches ausgebildet ist, ein dreidimensionales Bild der Umgebung des mobilen medizintechnischen Geräts aufzunehmen. Mit Hilfe des dreidimensionalen Bildes können Abstände und Strukturen in den von dem mobilen medizintechnischen Gerät befahrenen Räumlichkeiten erfasst werden.
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Alternativ oder zusätzlich können als Sensoren auch Laserscanner, Infrarotsysteme oder Ultraschallsysteme verwendet werden.
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Optional können neben Sensorsystemen/Kameras, die auf dem mobilen System, d.h. dem mobilen medizintechnischen Gerät, montiert sind, auch zusätzlich Daten von ortsfest im Raum montierten Sensoren/Kameras mitverwendet werden. Auch mobile Sensoren, die einem Anwender zugeordnet sind (z.B. eine Brille mit 3D Tiefenkamera) könnten vom mobilen System in die Navigation/Kartenerstellung miteinbezogen werden.
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Um die Gefahr einer Kollision des mobilen medizintechnischen Geräts insbesondere bei schmalen Fahrwegen noch weiter zu reduzieren, kann die Stellung einzelner Funktionselemente des mobilen medizintechnischen Geräts in Abhängigkeit von einer ermittelten Relativposition des mobilen medizintechnischen Geräts relativ zu dem abgetasteten Umgebungsbereich angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann zur Kollisionsvermeidung die Pfadfindung zu Zielpositionen durch die aktuelle Stellung einzelner Funktionselemente des mobilen medizintechnischen Geräts beeinflusst werden. D.h., es werden nur Wege zur Zielposition gefahren, die eine ausreichende Breite für die aktuelle Stellung der Funktionselemente des mobilen medizintechnischen Geräts aufweisen. Wird die Stellung einzelner Funktionselemente geändert, so wird die aktuelle Position und Orientierung der Funktionselemente im Raum gespeichert. Nach dem Erreichen der Zielposition kann dann die gespeicherte Stellung der Funktionselemente wiedereingenommen werden.
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Handelt es sich bei dem mobilen medizintechnischen Gerät um ein C-Bogengerät, so wird die Kollisionsvermeidung bzw. die Pfadfindung zu gespeicherten Positionen durch eine Änderung der Stellung des C-Bogens erleichtert. Vor einer Änderung der Stellung des C-Bogens wird die aktuelle Stellung des C-Bogens abgespeichert. Dafür werden durch zusätzliche Sensoren, wie zum Beispiel Winkelgeber, auch Informationen über die aktuelle Stellung des „Cs“ ermittelt. D.h., es werden zusätzlich der Vertikalhub, Angulations- und Orbitalwinkel erfasst und in die Wegberechnung bzw. Positionsspeicherung miteinbezogen. Damit kann eine Pfadoptimierung zur „platzsparenden“ Systembewegung erreicht werden, wenn z.B. ein um 90° angulierter C-Bogen durch eine schmale Passage manövriert werden muss. Hierfür kann der C-Bogen hochkant gedreht werden, um eine geringere Breite des Systems zu erhalten und eine mögliche Kollision zu vermeiden.
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Für eine Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des mobilen medizintechnischen Geräts wird das Fahren des mobilen medizintechnischen Geräts an eine Zielposition durch Drücken eines Zustimmtasters durch einen Benutzer überwacht. Vorteilhaft kann ein fehlerhaftes automatisiertes Starten des mobilen medizintechnischen Geräts durch die menschliche Überwachung verhindert werden. Weiterhin hat der Benutzer dadurch die Möglichkeit, unmittelbar vor Hindernissen anzuhalten, um Kollisionen zu vermeiden. Sollen Kollisionen vollständig automatisiert vermieden werden, so kann das mobile medizintechnische Gerät mit zusätzlicher Sensorik ausgestattet werden. Der Zustimmtaster muss aber nicht zwingend separat sein, er kann zum Beispiel auch in einen geeignet konstruierten Touchscreen mit zwei redundanten Signalausgängen auch schon integriert sein.
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Vorteilhaft erfolgt die Selbstlokalisierung ständig während der Fahrt des mobilen medizintechnischen Geräts. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Überwachung des Fahrverhaltens des mobilen medizintechnischen Geräts sowie der Umgebung erfolgen, so dass Kollisionen während der Fahrt auch bei einer Veränderung der Umgebung vermieden werden können. Die dabei ermittelten Positionsinformationen können gespeichert werden und zusätzlich für eine Protokollierung des Arbeitsablaufs genutzt werden. Die gespeicherten Daten können zu Nachweiszwecken einfach archiviert werden. Durch Anbindung an ein übergeordnetes System können Informationen auch ausgetauscht werden.
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Eine Anpassung der gespeicherten Positionen, insbesondere von Positionen im Bereich eines Patienten, kann durch zusätzliche positionsgebende Mittel erfolgen. Gespeicherte Positionen können während des Fahrens auch korrigiert werden, wenn genauere Informationen hinsichtlich der gewünschten Zielposition vorliegen. Beispielsweise kann anfangs eine in dem mobilen medizinischen Gerät hinterlegte Zielposition angefahren werden. Sobald Abweichungen von der gespeicherten Zielposition bekannt werden, wird die Zielposition entsprechend angepasst. Abweichungen können zum Beispiel zustande kommen, wenn zusätzliche Sensorinformationen vorliegen, mit denen die Zielposition genauer ermittelt werden kann.
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Zur einfacheren Handhabung kann das mobile medizintechnische Gerät als Benutzerschnittstelle eine Anzeige- und Eingabeeinrichtung aufweisen, welche als ein berührungssensitiver Bildschirm ausgebildet ist. Ein solcher berührungssensitiver Bildschirm hat ferner den Vorteil, dass er ohne hervorstehende diskrete Bedienelemente, wie z.B. Knöpfe oder Joysticks, auskommt und daher leicht zu reinigen bzw. zu sterilisieren ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Abtastung eines Raums durch eine Sensoreinrichtung eines erfindungsgemäßen medizintechnischen Geräts,
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2 eine auf Basis einer Abtastung ermittelte Umgebungskarte eines Raums,
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3 eine schematische Darstellung eines semantischen Umgebungsmodells in Form einer Baumstruktur,
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4 ein Blockdiagramm, welches ein medizintechnisches Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, und
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5 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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In 1 ist ein Szenario 10 dargestellt, bei dem ein Raum R von einem Sensor 42 eines mobilen medizintechnischen Geräts (siehe 4) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, in diesem konkreten Ausführungsbeispiel Lichtwellen S, abgetastet wird. Es werden Messungen durchgeführt, mit denen die Abstände der Wände eines Raums R einer medizinischen Einrichtung zu dem Sensor 42 in verschiedenen Richtungen ermittelt werden. In dem mobilen medizintechnischen Gerät ist eine Umgebungskarte UK (siehe 2) gespeichert, mit der die ermittelten Abstände verglichen werden können und auf deren Basis eine Position des mobilen medizintechnischen Geräts in dem Raum R ermittelt wird. D.h., die in der Umgebungskarte UK verzeichneten Strukturen werden mit Hilfe des Sensors 42 wiedererkannt.
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Weiterhin ergeben sich aus der Umgebungskarte UK semantische Informationen, d.h. Informationen bezüglich der Funktionen und Kennzeichnungen einzelner Bereiche im Raum. Sind die Raumstrukturen vorab bekannt, so kann die Umgebungskarte UK unmittelbar vorgegeben werden. Alternativ kann die Umgebungskarte UK auch von dem mobilen medizintechnischen Gerät selbst erstellt werden. Hierzu werden Verfahren zur simultanen Lokalisierung und Kartierung (SLAM = simultaneous localization and mapping) angewendet.
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In 3 ist ein semantisches Umgebungsmodell 300 schematisch veranschaulicht. Das Umgebungsmodell kategorisiert einzelne Bereiche einer Umgebungskarte UK nach Ihrer Funktion. Es umfasst in einer Baumstruktur mehrere Ebenen, in denen ein unterschiedlich höherer Grad an Differenzierung einer Semantik erreicht wird. In der obersten Ebene wird zum Beispiel die Gesamtheit der von einem medizintechnischen Gerät befahrbaren Räumlichkeiten 311 eines Krankenhauses repräsentiert. In der darunter liegenden Ebene werden einzelne Räumlichkeiten 321, 322, 323 des Krankenhauses dargestellt, die von dem mobilen medizintechnischen Gerät befahren werden können. Die einzelnen Räumlichkeiten umfassen einen ersten Operationsraum 321, einen Flur 322 und einen zweiten Operationsraum 323. In einer dritten Verzweigungsebene sind Positionen 331, 332, 335, 336, 339 welchen unterschiedliche Aufgaben bzw. Arbeitsschritte in den einzelnen Räumen zugeordnet sind. Beispielsweise ist eine erste Position 331 für einen ersten Arbeitsschritt im Rahmen einer Operation in dem ersten Operationsraum 321 vorgesehen. D.h., der erste Arbeitsschritt der Operation, beispielsweise eine Voraufnahme von dem Patienten, wird an der ersten Position ausgeführt. Eine zweite Position 332 ist einem zweiten Arbeitsschritt einer Operation in dem ersten Operationsraum 321 zugeordnet. Ebenso ist einem fünften Arbeitsschritt in dem ersten Operationsraum 321 eine fünfte Position 335 zugeordnet. Damit sind in einem Raum unterschiedliche Bereiche definiert, die die Positionierungsmöglichkeiten für ein mobiles medizintechnisches Gerät beschreiben.
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Da der Flur 322 mit Ausnahme der Funktion, den Transport von Personen und Geräten zwischen verschiedenen Räumlichkeiten zu ermöglichen, keine spezifischen Funktionen, insbesondere keine an eine bestimmte Position gebundenen Funktionen aufweist, sind dem Flur 322 in der dritten Ebene der Baumstruktur 300 keine spezifischen Positionen zugeordnet.
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Weiterhin sind von der dritten Verzweigungsebene auch Positionen 336, 339 umfasst, welchen unterschiedliche Arbeitsschritte in dem zweiten Operationsraum 323 zugeordnet sind.
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Den einzelnen Elementen der Baumstruktur 300 sind hierarchisch unterschiedliche Kartenbereiche einer Umgebungskarte zugeordnet. Die den einzelnen Elementen zugeordneten Kartenbereiche beschränken sich mit zunehmender Verzweigung auf immer kleinere Bereiche, so dass eine exakte Zuordnung einer Position zu einem bestimmten Aufgabenbereich möglich ist, wenn man ausgehend von der Wurzel der Baumstruktur 300 in immer höhere Verzweigungen bzw. Ebenen vordringt.
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Wird nun auf Basis von Sensorkarten und der Umgebungskarte UK eine Position des mobilen medizintechnischen Geräts in einem Raum, beispielsweise dem ersten Operationsraum 321, ermittelt, so kann der ermittelten Position die in dem semantischen Umgebungsmodell gespeicherte semantische Information der jeweiligen Position zugeordnet werden. Weiterhin können auch allen anderen Positionen im Raum die in dem semantischen Umgebungsmodell gespeicherten semantischen Informationen der jeweiligen Position zugeordnet werden. Auf Basis der ermittelten Räumlichkeit, der Kenntnis der Arbeitsschritte und dem aktuell auszuführenden Arbeitsschritt innerhalb eines Arbeitsablaufs, können dann dem Benutzer über ein Bedienterminal bevorzugte Positionen für das medizintechnische Gerät vorgeschlagen werden. Ein solches Bedienterminal kann zum Beispiel als Tablet-Computer mit Touchscreen ausgebildet sein, das mittels einer drahtgebundenen oder drahtlosen Datenverbindung mit einer Steuerungseinrichtung des mobilen medizintechnischen Geräts verbunden ist.
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Beispielsweise kann eine bevorzugte Parkposition oder die Position eines Operationstischs in dem mobilen medizintechnischen Gerät raumspezifisch hinterlegt sein. Zusätzlich können auch bestimmte Bereiche, die das mobile medizintechnische Gerät nicht automatisiert befahren darf, gespeichert sein. Dies können zum Beispiel Bereiche sein, an denen Operationspersonal, zum Beispiel ein Anästhesist, seinen Arbeitsplatz hat, oder Bereiche sein, in denen das Kollisionsrisiko zu hoch ist. Die Darstellung dieser Positionen und die Interaktion des Benutzers mit dem System zur konkreten Auswahl und dem Anfahren einer Position erfolgt dann mittels der Anzeige des Bedienterminals. Aus den angezeigten Vorschlägen kann dann vom Benutzer die gewünschte Zielposition des mobilen medizintechnischen Geräts ausgewählt werden. Die ausgewählte Position wird nachfolgend von dem mobilen medizintechnischen Gerät automatisiert angesteuert.
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Je nach Aufgabenstellung kann alternativ von dem mobilen medizintechnischen Gerät auf Basis der semantischen Informationen und der Umgebungskarte sowie der ermittelten Sensordaten automatisiert bzw. sogar autonom eine entsprechende Position angesteuert werden. Bei dieser Variante wurde zum Beispiel ein in dem mobilen medizintechnischen Gerät abgespeicherter Arbeitsablauf ausgewählt. Die dem Arbeitsablauf zugeordneten Positionen werden dann von dem mobilen medizintechnischen Gerät der Reihenfolge nach angefahren. Bei dieser Variante muss von dem Operationspersonal dem mobilen medizintechnischen Gerät nur signalisiert werden, wenn ein Arbeitsschritt abgeschlossen wurde. Danach fährt das mobile medizintechnische Gerät autonom zu der nächsten Position für den nächsten Arbeitsschritt.
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In 4 ist schematisch ein mobiles medizintechnisches Gerät 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das mobile medizintechnische Gerät 40, in diesem Fall ein C-Bogengerät, umfasst eine Steuerungseinrichtung 41. Die Steuerungseinrichtung 41 weist eine Mehrzahl von Kommunikationsschnittstellen 41a zur Kommunikation mit unterschiedlichen Sensoren 42, 42a, 42b auf. Weiterhin umfasst die Steuerungseinrichtung 41 auch eine Positionsermittlungseinheit 41b zur Ermittlung einer Relativposition RPOS des mobilen medizintechnischen Geräts 40 relativ zu einem mit den Sensoren 42 abgetasteten Umgebungsbereich auf Basis von Sensordaten SD. Zudem weist die Steuerungseinrichtung 41 noch eine Zielposition-Festlegungseinheit 41c auf. Mit Hilfe der Zielposition-Festlegungseinheit 41c wird eine Zielposition ZPOS festgelegt.
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Hierzu können zum Beispiel auf Basis einer Umgebungskarte mit semantischen Informationen einzelne Teilbereiche der Umgebung als Zielpositionskandidaten K-ZPOS herausgesucht werden. Weitere Kriterien für das Aussuchen von Zielpositionskandidaten K-ZPOS können zum Beispiel die aktuelle Aufgabenstellung des mobilen medizintechnischen Geräts 40 umfassen. Die Zielpositionskandidaten K-ZPOS werden dann über eine Kommunikationsschnittstelle 41a an ein Bedienterminal 44 übermittelt. Dort werden die Zielpositionskandidaten auf einem Bildschirm angezeigt und der Benutzer wählt sich eine geeignete Zielposition ZPOS aus und übermittelt diese zurück an die Zielposition-Festlegungseinheit 41c. Die ausgesuchte Zielposition ZPOS wird dann an eine Steuerungseinheit 41d übermittelt. Die Steuerungseinheit 41d ermittelt auf Basis der empfangenen Zielposition ZPOS sowie der Umgebungskarte UK eine Trajektorie, welche von dem mobilen medizintechnischen Gerät 40 gefahren werden soll. Auf Basis der ermittelten Trajektorie werden von der Steuerungseinheit 41d Steuerbefehle SB an Traktionseinheiten 43 des mobilen medizintechnischen Geräts 40 übermittelt. Umgekehrt können von den Traktionseinheiten 43 Sensordaten SD an die Steuerungseinheit 41d übermittelt werden, auf deren Basis zusätzliche Informationen hinsichtlich der Position und der zurückgelegten Strecke des mobilen medizintechnischen Geräts 40 gewonnen werden. Auch während der Fahrt des mobilen medizintechnischen Geräts 40 werden Sensordaten SD, SD1, SD2 von den Sensoren 42, 42a, 42b des mobilen medizintechnischen Geräts 40 an die Positionsermittlungseinheit 41b übermittelt. Die Positionsermittlungseinheit 41b ermittelt ihrerseits Informationen zur aktuellen Relativposition RPOS des mobilen medizintechnischen Geräts 40 und übermittelt diese an die Steuerungseinheit 41d. Auf Basis der aktuellen Relativposition RPOS sowie der festgelegten Zielposition ZPOS wird von der Steuerungseinheit 41d die ermittelte Trajektorie gegebenenfalls korrigiert und es werden die Traktionseinheiten 43 entsprechend angesteuert.
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Über das Bedienterminal 44 können zusätzlich Steuerbefehle des Benutzers eingebeben werden, die bei der Steuerung des mobilen medizintechnischen Geräts 40 berücksichtigt werden. Beispielsweise kann durch das Loslassen eines Zustimmtasters ein Haltebefehl bewirkt werden, so dass das medizintechnische Gerät 40 sofort gestoppt wird. Zusätzlich können optional weitere Sensoren 42a zur Kollisionsvermeidung und Sensoren 42b zur Erfassung der C-Bogenstellung des mobilen medizintechnischen Gerätes 40 vorhanden sein. Die von den zusätzlichen Sensoren 42a, 42b erfassten Sensordaten SD1, SD2 werden über eine Kommunikationsschnittstelle 41a an die Steuerungseinheit 41d übermittelt. Die Steuerungseinheit 41d erfährt zum Beispiel anhand der Sensordaten SD1 von den Sensoren 42a zur Kollisionsvermeidung, ob sich ein Objekt im Bereich des geplanten Fahrwegs des mobilen medizintechnischen Geräts 40 befindet und daher die ermittelte Trajektorie zur Zielposition ZPOS geändert werden muss. Die Sensordaten SD2 bezüglich der C-Bogenstellung werden ebenfalls von der Steuerungseinheit 41d berücksichtigt und mit der Umgebungskarte UK abgeglichen. Bei Bedarf wird dann die aktuelle C-Bogenstellung abgespeichert und derart geändert, dass eine Durchfahrt durch eine Engstelle möglich ist. Hierzu werden Steuerbefehle SB an einen oder mehrere Aktuatoren 45 zur Änderung der Stellung des C-Bogens übermittelt. Umgekehrt können von den Aktuatoren 45 Sensordaten SD an die Steuerungseinheit 41d übermittelt werden, auf deren Basis Informationen hinsichtlich der aktuellen Stellung des C-Bogens gewonnen werden. An der Zielposition ZPOS angekommen wird die gespeicherte C-Bogenstellung wieder eingenommen, um zum Beispiel eine Bildaufnahme durchzuführen.
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In 5 ist ein Flussdiagramm 500 gezeigt, mit dem ein Verfahren zum automatisierten Positionieren eines mobilen medizintechnischen Geräts 40 (siehe 4) veranschaulicht ist. Bei dem Schritt 5.I wird zunächst ein Umgebungsbereich R des mobilen medizintechnischen Geräts 40 mit Hilfe einer Sensoreinrichtung abgetastet. Die dabei ermittelten Sensordaten SD werden von der Sensoreinrichtung 42 erfasst. Nachfolgend wird bei dem Schritt 5.II eine Selbstlokalisierung durchgeführt. Dabei wird eine Relativposition RPOS des mobilen medizintechnischen Geräts 40 relativ zu dem abgetasteten Umgebungsbereich R auf Basis der Sensordaten SD ermittelt. Bei dem Schritt 5.III werden auf Basis einer Umgebungskarte UK und der ermittelten Relativposition RPOS und eventueller Zusatzinformationen bezüglich der Art eines geplanten Arbeitsschritts ein oder mehrere Zielpositionskandidaten K-ZPOS ermittelt. Nachfolgend wird bei dem Schritt 5.IV eine geeignete Zielposition ZPOS von einem Benutzer festgelegt. Anschließend wird bei dem Schritt 5.V ein Fahrweg FW zu der Zielposition ZPOS auf Basis der Umgebungskarte UK festgelegt. Schließlich wird bei dem Schritt 5.VI das medizintechnische Gerät 40 zu der festgelegten Zielposition ZPOS gefahren.
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Die Schritte 5.I bis 5.V bilden einen geschlossenen Regelkreis. D.h., die Schritte, wie zum Beispiel die Erfassung der aktuellen Position, erfolgen kontinuierlich, während das mobile medizintechnische Gerät 40 Richtung Zielposition ZPOS fährt. Das in 5 gezeigte Flussdiagramm wird also im Betrieb zyklisch durchlaufen und nicht nur einmalig.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen medizintechnischen Geräten und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso ist nicht ausgeschlossen, dass als einzelne Einheiten dargestellte Elemente der vorliegenden Erfindung aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
