JP5166547B2 - 容量性タイプの近接センサ - Google Patents

Description

本発明は、容量タイプの近接センサ、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のための装置、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のためのシステム、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のための装置と対象との間の衝突を回避する方法、に関する。

容量タイプの近接センサは、距離検出の目的で集中的に使用され、平坦で、ほぼ円形又は四角形である検知電極を特徴とする。ガード電極が、通常はセンサのサイズの３分の１のオーダである直線の測定レンジを得るために使用される。同じ検知技術が、フィリップス医療機器において衝突防止の目的で使用されており、センサのサイズより大きい測定レンジを特徴とする。

技法は、対象への接近を検出するために、移動する（医療）機器のケーシングの外側境界に沿って容量タイプの近接センサ電極を使用する。近接センサ電極は、第１の場所における検査テーブル上の患者との衝突、及び第２の場所における直接的な環境における他の機器との衝突、に対する予防的方策として意図される。

容量タイプの近接センサの電極のサイズ及び形状は、機器のケーシングのサイズ及び形状によって影響される。検出器の検知レンジは、容量タイプの近接センサ構造自体よりさらに大きい距離まで延在する。このような場合、センサ特性は、もはや距離に関して確実に線形ではなくなる。

非線形特性は、それがうまく再現する限り、基本的に実際の問題ではない。非線形挙動を再現することは、センサジオメトリが固定されたままである場合にのみ期待されることができる。センサジオメトリは、基本的に、２つの容量電極の形状、それらの相互の距離及び相対的な向きによって構成される。センサの一方の電極は、検出されるべき対象／ターゲットの表面であり、従って、全く規定されていない。センサ電極の形状及びサイズは、当該機器の形状及びサイズによって影響される。そのようにして、センサ電極形状及びサイズの選択の制限された自由がある。センサ特性が、対象のサイズ及びセンサ電極の形状に対する対象の相対位置に依存して、大きなバリエーションを示すことは、疑いが無い。結果は、衝突防止システムが、対象のサイズ／形状及びセンサ電極領域上の相対的な接近位置に依存して、同様に大きく変化する停止距離をもたらすことである。

本システムにおいて、較正ステップが行われる場合、停止距離の有効レンジが許容できる。小さい（機械的な）変更又はアドオン（拡張）が、センサのセンシティブな領域において行われることにより、追加のバリエーションをもたらすことがある。このステップは、追加の停止距離変更を生じさせ、ゆえに追加の較正ステップを必要とする。

従って、センサの非線形の、再現する特性は、良好に受け入れられる。しかしながら、センサ特性は、センサジオメトリが同じままである場合にのみ再現する。センサジオメトリは、一方では、センサ電極形状を含み、他方では、検出されるべき（接地された）対象／ターゲットの位置、形状及びサイズを含む。対象のサイズ及び形状は、影響を与えられることができず、検知電極の形状は、機器のケーシングの形状によって、ほぼ決定される。

本発明は、ケーシング表面に沿った検知電極の構造を採り入れ、かかる検知電極は、センシティブな領域の全体の領域上のさまざまな検知位置に関するセンサ特性の最小バリエーションのために、形づくられる。このフィーチャは、状況（機器上の特定の位置及び対象サイズ）に依存して、衝突防止システムの停止距離のバリエーションを制限する。同時に、これは、制限されたやり方でセンサ挙動に影響を及ぼす小さい変更が機器において行われることを可能にし、これは、なお衝突防止システムの許容できる停止挙動を与える。

本発明は、検知電極を有する容量タイプの近接センサであって、検知電極は、導電領域及び非導電領域を有する表面を有し、センサが、検知電極と対象との間の電界を測定するように適応される、センサを提供する。

本発明は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサを有する医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療のための装置（例えばＳＰＥＣＴ）を提供する。ＳＰＥＣＴは、ガンマ光線が使用される核医学トモグラフィックイメージング技法である。ＳＰＥＣＴは、シングルフォトンエミッションコンピュータトモグラフィを表す。

本発明は、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のための装置と、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサを有する対象と、を有する、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のためのシステムを提供する。

本発明は、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のための装置と対象との間の衝突を回避する方法であって、請求項１乃至９に記載のセンサと対象との間の距離を測定するステップと、距離が小さい場合、装置とセンサとの間の接近を止めるステップと、を含み、前記装置が前記センサを有する、方法を提供する。

本発明は、プロセッサによって実行されるとき、請求項１２に記載の方法を実施するように適応されるプログラム要素を提供する。

本発明は、請求項１３に記載のプログラム要素を記憶したコンピュータ可読媒体を提供する。

他の実施形態は、従属請求項に組み込まれている。

例示の実施形態によれば、対象が接地される、センサが提供される。

本発明の他の見地によれば、導電領域が電気的に接続される、センサが提供される。

本発明の他の見地によれば、導電領域が、処理エレクトロニクスに電気的に接続される、センサが提供される。

本発明の他の実施形態によれば、表面が、実質的に平坦な領域を有し、これらの実質的に平坦な領域が、非導電領域を有する、センサが提供される。

例示の実施形態によれば、表面が実質的に非平坦な領域を有し、これらの実質的に非平坦な領域が導電領域を有する、センサが提供される。

本発明の例示の実施形態の例示の見地は、導電領域が検知電極の寸法全体のサイズにあわせて最適化される寸法を有する、センサが提供され、それにより構造全体の領域上のセンサ感度の均一性を最適化する点に、見られることができる。

本発明の他の見地によれば、センサの感度がセンサの形状から実質的に独立している、センサが提供される。

本発明の他の実施形態によれば、対象が動物又は人間である、センサが提供される。

キャパシタンスタイプの近接センサであって、対象に接近するその感度が、センサ自体の特別なジオメトリから独立していることに関して最適化される、近接センサを提供することが、本発明の要旨とみなされることができる。

本発明の以下に記述される例示の実施形態は、方法、装置、プログラム要素及びコンピュータ可読媒体にも当てはまることに注意すべきである。

上述のフィーチャは、組み合わせられてもよいことに注意すべきである。上述のフィーチャの組み合わせは更に、明示的に詳しく記述されない場合でも、相乗効果をもたらすことができる。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

検知電極の閉じた表面検知領域を示す図。 検知電極のオープン構造の検知領域を示す図。 図１ａによる検知電極との距離に依存するＵｏｕｔの図。 図１ｂによる検知電極との距離に依存するＵｏｕｔの他の図。 図１ａ又は図１ｂによる基本的なセンサ読み取り回路を示す図。 閉じた表面を有する通常の検知電極を有する４つのセンサを示す図。 全体のセンサ領域上の改良された感度均一性のために、オープンな「スケルトン」形状の構造を有する新しい電極を有する４つの新しいセンサを示す図。 心臓血管用医療製品を示す図。 異なる位置における同じ心臓血管用医療製品を示す図。 他の心臓血管用医療製品をより詳しく示す図。 天井懸架構造を有するＸ線源を示す図。

本発明の例示の実施形態が、添付の図面を参照して以下に記述される。

本発明は、特性レンジが低下するようなやり方で、センサ特性に影響を与える検知電極の他の構造を採り入れる。センサ特性のレンジは、より狭い帯域内にあるままであり、それゆえ停止距離のより少ないバリエーションをもたらす。

衝突防止センサのセンサ電極は、３次元構造を有する。センサ感度は、構造のより大きい平坦な領域における感度と比較して、電極のエッジ部及びコーナ部において全く異なる。本発明は、センサ電極の特に相対的に大きい平坦な領域における電極構造を変更することによって、この挙動に対する変更を採り入れる。既存の技法に関する主な問題は、平坦な領域においてセンサ構造に接近する対象に関する感度が、コーナ部又はエッジ部においてセンサに接近する対象に関する感度よりも著しく大きいことである。本発明は、エッジ部及びコーナ部の近傍では保持される電極を有するが、平坦な領域ではオープン構造を有するセンサ電極構造を使用する。このようにして、エッジ部及びコーナ部における感度はほとんど影響を受けないが、平坦な領域の感度は低下される。こうして、センサ電極の構造は、センサ表面全体においてよりバランスのとれた感度を生じさせ、それにより、停止後のクリアランス距離に関してより均一な停止挙動をもたらす。

停止距離の特定のレンジを受け入れる場合、このアプローチは、機器上への適応のため、センサ挙動のより多くのバリエーションを可能にする。このフィーチャは、付加の機械的スペーサをＸ線源のカバーに取り付けるために最も重要であり、それにより、Ｘ線源と人間組織との間に最小距離を強いる。この付加のユニットは、同様にセンサ電極を備えるが、スペーサの曲がった形状のため、かなり低い感度図を有する。本発明の技法は、スペーサ変更の後に較正ステップを行わなくても、スペーサの有無に関係なく許容できる停止挙動を提供する。

図１ａ及び図２ａは、センサ電極構造が複雑な三次元形状を有する距離検知のための容量測定技法に関連する基本的な問題を簡単な機構で示している。図１ａは、例えばＸ線源のケーシングでありえる対象１０６を示す。このケーシング上に、導電性の表面１０５がある。この表面１０５は、検知電極であり、検知電極は、内部キャパシタＣｉを介して電圧源Ｕ_{ｓｏｕｒｃｅ}と接続される。ケーシング１０６及び検知電極１０５に対向して、素子１０１及び１０３がある。これらの素子１０１及び１０３は、グラウンドと接続される。これらの素子１０１及び１０３と検知電極１０５との間には、キャパシタンスＣ_{ｓｅｎｓｅ−ｇｒｏｕｎｄ}がある。添え字ｓｅｎｓｅ−ｇｒｏｕｎｄは、キャパシタンスが検知電極１０５と接地された素子１０１及び１０３との間にあることを表わす。更に、素子１０１及び１０３と検知電極１０５との間には、電界１０２及び１０４がある。

電極を構造化することは、さまざまな接近方向に関してよりバランスのとれた挙動を達成することを助ける。図１ｂは、検知電極がオープン構造の検知領域を有することを除いて、同じ状況（例えばケーシング１１４を有する）を示している。全体のセンサは、いくつかの導電領域１１３及びいくつかの非導電領域１１７を有する。検知電極のこれらの部分は、キャパシタＣｉ１１５を介して、電圧源Ｕ_{ｓｏｕｒｃｅ}１１６と一緒に接続される。検知電極と対向して、素子１０９又は１１１がある。これらの素子と検知電極の導電領域１１３との間には、電界１１０又は１１２の流線がある。

容量３次元センサ電極を平坦な側面において相対的に大きい対象に接近させること（状況Ａ）は、コーナ部においてセンサ電極を接近させること（状況Ｂ）と比較して、より大きいレンジにわたって非常により高い感度を示す。特に、対象のジオメトリサイズのオーダの距離だけ離れたところで、この現象は最も効果的である。衝突防止のための距離検知の応用分野の場合、停止距離の最小の開きを与えるので、これらの効果によるセンサ特性の最小の開きを有することが望ましい。特定の効果が常に存在するので、特定の効果が、受け入れられなければならないことが明らかである。しかしながら、効果は、閉じた表面を有する代わりに、機械部分の３次元表面において検知電極を構造化することによって、低下されうる。

図２ａは、素子１０１又は１０３と検知電極１０５との間の距離に依存する出力電圧Ｕ_ｏｕｔを表す。この図は、図１の状況による、接近する素子１０２又は１０３の感度を示している。グラフ２０１は、接近する素子１０１の特性を示す。グラフ２０２は、接近する素子１０３の特性を表す。はっきりした違いが、グラフ２０１と２０２との間にある。従って、同じ距離ｘにおいて、異なる電圧Ｕ_{ｏｕｔ，１}及びＵ_{ｏｕｔ，２}がある。素子１０１は、素子１０３より低い電圧Ｕ_{ｏｕｔ，１}を生成し、素子１０３は、より高い電圧Ｕ_{ｏｕｔ，２}を生成する。両方の電圧Ｕ_{ｏｕｔ，１}及びＵ_{ｏｕｔ，２}の間の違いは、測定誤差に対応する。

図２ｂは、接近する素子１０９又は１１１に関する同じ特性をそれぞれ示している。 図２ｂによる測定の誤差（Ｕ_{ｏｕｔ，１}及びＵ_{ｏｕｔ，２}の間の違い）が、ここで大幅に低減されることが見られる。

図３は、図１ａ及び図１ｂの状況による回路を概略的に示す。検知電極は、内部キャパシタＣｉ３０２を介して、電圧源Ｕ_{ｓｏｕｒｃｅ}３０１に接続される。素子１０１、１０３、１０９又は１１１と検知電極との間の電界は、それぞれキャパシタンスＣ_{ｓｅｎｓｅ−ｇｒｏｕｎｄ}３０３をもたらす。このキャパシタンスＣ_{ｓｅｎｓｅ−ｇｒｏｕｎｄ}３０３は、素子１０１、１０３、１０９又は１１１と検知電極との間の距離に依存する。

改良された感度均一性のために検知電極を構造化する記述された技法は、Ｂｅｓｔの医用システムの心臓血管イメージングシステムのＸ線管上の衝突防止センサに適用されている。技法は、カバーのセンシティブな全領域において「Bodyguardシステム」のより良好な停止挙動を達成する際に重要である。特定のシステムに関して、４つのセンサ４０１、４０３、４０４及び４０６の組４０２が、Ｘ線管上のカバー内に四象限に配置され、図４ａに示されるように４つの完全に閉じた領域のセンサ構造を有する。４つのセンサ４０１、４０３、４０４及び４０６は、非導電障壁４０５によって隔てられている。本発明による構造化された電極を実現することは、停止距離のかなりより小さいバリエーションをもたらすと同時に、管カバーの前の任意のスペーサユニットのセンサ電極においてより良好な感度を提供する。

図４ｂは、本発明によるセンサを有する以外は同じである機構４１０を示している。センサ４０７、４０８、４０９及び４１３は、導電領域４１１及び４１２及び非導電領域４１４、４１５及び４１６を有する。以前の段落で述べたように、（大きい）平坦な領域のセンサ感度は、これらの平坦な領域におけるセンサ構造に開口を採り入れることによって、コーナ部及びエッジ部におけるより低いセンサ感度を支持して、低下される。図４ａ及び図４ｂは、Ｐｏｌｙ−Ｇ２システムのＸ線管のカバー内部のセンサ電極構造の例を示している。基本的な電極構造は、各コーナ部及びエッジ部４１１において導電パターンを幅１０ｍｍのストライプに制限することによって、全領域の導電パターン（図４ａ）から、スケルトン形状のパターンに変えられている。それに加えて、５ｍｍ幅の斜めのストライプ４１２が、大きな開口に加えられることにより、これらの領域があまりに低い局所的な感度をもたらすことを防ぐ。

特定の設計ツールが、検知機能が設計されなければならないケーシングのその特定のサイズ及び形状を有する所与のアプリケーションについて、成功する電極構造の設計を容易にするために開発されるであろう。

フィリップスメディカルシステムズ事業部内で、本発明がその性能をアップグレードすることができるとともに、それが近い将来実現されるいくつかのアプリケーションが存在する。これらのアプリケーションは、ＰｏｌｙＧ２管カバー、クレアシステム及びＦＤ１０及びＦＤ２０Ｘ線検出器ユニットの管カバーのような、Ｘ線イメージングシステムの心臓血管グループからのシステムを含む。図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、衝突防止のための容量タイプの近接センサが実現される位置の標示に関して、これらのシステムのピクチャを示す。

図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、心臓血管医療製品を示し、患者テーブル５０１、５０４、検出器ケーシング５０２、５０５上の衝突防止センサ及びＸ線管ケーシング５０３、５０６上の衝突防止センサが示されている。

アプリケーションの医用システム分野から離れて、技法は更に、一般に、衝突が所望されない状況である機器のロボット操作を含むアプリケーションにとって興味がある。

フィリップスメディカルシステムズ、ハンブルグによる汎用心臓血管Ｘ線Ｂｏｄｙｇｕａｒｄのアプリケーション：ＰＭＳハンブルグは、医療産業に対する汎用Ｘ線システムのサブライヤである。Ｘ線システムに関するそれらの新しい開発の１つは、Ｔａｎｇｏシステムである。Ｔａｎｇｏ Ｘ線システム内において、非接触の対象検出装置が、セキュリティ概念の一部である。この装置は、可動Ｘ線システムの、Ｘ線検査室内の人又は機器との衝突を防ぐ。Ｔａｎｇｏシステムは、患者テーブル及び検出器天井懸架構造を有する。対象検出システムは、システムの一部又はシステム全体の特に人との衝突、及び指摘としてＸ線検査室内部の家具又は他の対象との衝突を回避するために、Ｔａｎｇｏシステムの動き制御によって解釈されることができる適切な（衝突）データを提供するべきである。インタフェースによって、装置は、距離及び方向に関して、天井懸架構造又はその一部との関連において検出される対象の位置のデータを提供する。

図６は、ＰＭＳハンブルグＧＸＲ Ｔａｎｇｏシステムの検出器天井懸架構造を示している。「容量衝突防止センサ」が実現されるさまざまな異なる位置が図示されている。図６は、テレスコープ６０３、スウィングアーム６０２、センサ管アセンブリ６０４及びセンサスイングアーム６０１を示している。

図７は、コンピュータ可読媒体が格納されうるコンピュータ７０１を示している。コンピュータは、キーボード７０３、ディスプレイ７０４及びＣＰＵ７０２を有する。

検知電極を有する容量タイプの近接センサであって、検知電極が、導電領域１１３及び非導電領域１１７を有する表面を有し、センサが、検知電極と対象１０９、１１１との間の電界１１０、１１２を測定するように適応される、近接センサが提供される。更に、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のための装置、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のためのシステム、医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療（例えばＳＰＥＣＴ）のための装置と対象との間の衝突を回避する方法、プログラム要素及びコンピュータ可読媒体、が記述される。接近する対象の感度がセンサ自体の特別なジオメトリからの改善された独立性を示す容量タイプの近接センサが開示される。

本発明は、図面及び前述の記述に詳しく図示され記述されているが、このような図面及び記述は、説明的又は例示的なものと考えられるべきであり、制限的なものとして考えられるべきではない。本発明は、開示された実施形態に制限されない。開示された実施形態の他のバリエーションは、図面、開示及び添付の請求項の検討に基づいて、請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され、達成されることができる。請求項において、「含む、有する」なる語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞は、複数性を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に列挙されるいくつかのアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。コンピュータプログラムは、例えば他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体上に記憶され／配布されることができるが、インターネット又は他のワイヤード又はワイヤレス通信システムを介するように、他の形式でも配布されることができる。請求項における任意の参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

１０１ （接地された）対象、１０２ 電界の流線、１０３ （接地された）対象、１０４ 電界の流線、１０５ 検知電極、１０６ カバー、１０７ 内部キャパシタンスＣｉ、１０８ 電圧源Ｕ_{ｓｏｕｒｃｅ}、１０９ （接地された）対象、１１０ 電界の流線、１１１ （接地された）対象、１１２ 電界の流線、１１３ 検知電極の導電領域、１１４ カバー、１１５ 内部キャパシタンスＣｉ、１１６ 電圧源Ｕ_{ｓｏｕｒｃｅ}、１１７ 検知電極の非導電領域、２０１ 検知電極の側面に接近する対象のグラフ、２０２ 検知電極のコーナ部に接近する対象のグラフ、２０３ 検知電極の側面に接近する対象のグラフ、２０４ 検知電極のコーナ部に接近する対象のグラフ、３０１ 電圧源Ｕ_{ｓｏｕｒｃｅ}、３０２ 内部キャパシタンスＣｉ、３０３ 可変Ｃ_{ｓｅｎｓｅ−ｇｒｏｕｎｄ}（対象と検知電極との間の距離に依存する）、４０１ 検知電極、４０２ Ｘ線管のカバー、４０３ 検知電極、４０４ 検知電極、４０５ 非導電障壁、４０６ 検知電極、４０７ 検知電極、４０８ 検知電極、４０９ 検知電極、４１０ Ｘ線管のカバー、４１１ 検知電極の導電領域、４１２ 検知電極の導電領域、４１３ 検知電極、４１４ 検知電極の非導電領域、４１５ 検知電極の非導電領域、４１６ 検知電極の非導電領域、５０１ 患者テーブル、５０２ 検出器ケーシング上の衝突防止センサ、５０３ Ｘ線管ケーシング上の衝突防止センサ、５０４ 患者テーブル、５０５ 検出器ケーシング上の衝突防止センサ、５０６ Ｘ線管ケーシング上の衝突防止センサ、６０１ センサスイングアーム、６０２ スイングアーム、６０３ テレスコープ、６０４ センサ管アセンブリ。

Claims (13)

1. 検知電極を有する容量タイプの近接センサであって、前記検知電極が、導電領域及び非導電領域をもつ表面を有し、前記センサが、前記検知電極と対象との間の電界を測定し、
   前記導電領域が、前記検知電極の全体の寸法のサイズにあわせて最適化される寸法を有し、それにより、前記検知電極の構造全体の領域においてセンサ感度の均一性を最適化する、センサ。
2. 前記対象は接地される、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記導電領域は互いに電気的に接続される、請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記導電領域は、処理エレクトロニクスに電気的に接続される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記表面は、実質的に平坦な領域を有し、これらの実質的に平坦な領域は、非導電領域を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記表面は、実質的に非平坦な領域を有し、これらの実質的に非平坦な領域は、導電領域を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記センサの感度は、前記センサの形状から実質的に独立している、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
8. 前記対象は、動物又は人間である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサを有する医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療のための装置。
10. 医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療のためのシステムであって、
    医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療のための装置と、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサを有する対象と、
    を有するシステム。
11. 医用Ｘ線診断及び／又はＸ線治療及び／又は核診断／治療のための装置と対象との間の衝突を回避する方法であって、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサと前記対象との間の距離を測定するステップと、
    前記距離が小さい場合、前記装置と前記センサとの間の接近を止めるステップと、
    を含み、前記装置が前記センサを有する、方法。
12. プロセッサによって実行されるとき、請求項１１に記載の方法を実施するように適応されるプログラム要素。
13. 請求項１２に記載のプログラム要素を記憶したコンピュータ可読媒体。

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