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Die Erfindung betrifft ein Radarsystem, eine medizinische Diagnose- oder Therapieeinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Radarsystems.
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Für eine Vielzahl medizinischer Untersuchungen und Behandlungen ist es von Vorteil Bewegungen eines Patienten wie beispielsweise den Herzschlag oder die Atembewegung zu erfassen. Bei Untersuchungen oder Behandlungen mittels bildgebender Modalitäten wie der Computertomographie oder der Magnetresonanztomographie kann es wichtig sein, die Bewegung eines Patienten zu erfassen. Weiterhin kann die Erfassung der Bewegung eines Patienten auch für eine therapeutische Behandlung mittels eines Strahlentherapiegeräts wichtig sein. Die erfasste Bewegung kann für eine Bewegungskorrektur der gewonnenen Bilddaten oder für eine Triggerung genutzt werden. Oftmals liefern die Bewegungsdaten Auskunft über physiologische Parameter wie die Herzfrequenz oder die Atemfrequenz. Zur Bestimmung solcher Bewegungen bzw. physiologischen Parameter sind beispielsweise die Verwendung eines EKGs zur Bestimmung der Herzfrequenz, sowie die Verwendung eines Atemgürtels zur Bestimmung der Atemfrequenz bekannt. Das hierbei nötige Anlegen von Elektroden bzw. dem Atemgürtel nimmt allerdings eine gewisse Zeit in Anspruch, was die Untersuchung verlängert. Außerdem werden diese Maßnahmen von Patienten häufig als unangenehm empfunden.
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Die Radartechnik ist eine bekannte Technik zur berührungslosen Detektion von Objekten, ihrem Abstand und ihrer Bewegungen durch Aussenden von elektromagnetischen Signalen und Empfangen der reflektierten Signale. Aus der
DE 10 2009 021 232 A1 ist eine Patientenliege für ein bildgebendes medizinisches Gerät mit einer Patientenlagerungsplatte, welche wenigstens eine Radar-Antenne aufweist, bekannt. Mit der wenigstens einen Radar-Antenne werden Primärsignale in Form von elektromagnetischen Wellen in Richtung des Patienten ausgesandt. Weist die Patientenlagerungsplatte hingegen mehrere Radar-Antennen auf, kann jede der Radar-Antennen Primärsignale in Richtung des Patienten aussenden. Am Patienten und an den Organen innerhalb des Patienten werden diese Primärsignale reflektiert und erzeugen Sekundärsignale. Entsprechend können diese Sekundärsignale von einer oder von mehreren Radar-Antennen empfangen und der Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt werden. Es wird weiterhin ein Array von Radar-Antennen offenbart, bei dem die Korrelation der Signale mehrerer Antennen zur Informationsgewinnung herangezogen werden kann, insbesondere um Informationen über die Atmung und den Herzschlag eines Patienten zu gewinnen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Radarsystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Radarsystems für den medizinischen Einsatz bereit zu stellen, insbesondere um die Bewegung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten zu bestimmen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Radarsystem nach Anspruch 1, durch eine Medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung nach Anspruch 10, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 11.
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Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf das beanspruchte System als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche, die beispielsweise auf ein System gerichtet sind, auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Radarsystem ist für den medizinischen Einsatz vorgesehen. Es umfasst eine flächig ausgebildete Antennenanordnung mit einzeln ansteuerbare Sendeeinheiten zum Senden von Radarsignalen sowie mit einzeln auslesbare Empfangseinheiten zum Empfangen von Radarsignalen. Die Sendeeinheiten sowie die Empfangseinheiten umfassen jeweils wenigstens eine Antenne. Dadurch, dass die Sendeeinheiten einzeln ansteuerbar bzw. die Empfangseinheiten einzeln auslesbar sind, erhöht sich der Informationsgehalt, insbesondere der räumliche Informationsgehalt, der sich auch ohne eine starke räumliche Ausrichtung der Radarstrahlung gewinnen lässt. Erfindungsgemäß ist das Radarsystem dazu ausgelegt ein von einer Empfangseinheit empfangenes Radarsignal zu derjenigen Sendeeinheit, welche das empfangene Radarsignal gesendet hat, zuzuordnen. Das direkte Zuordnen des empfangenen Radarsignals zu einer Sendeeinheit entspricht auch einer räumlichen Zuordnung des empfangenen Radarsignals und erlaubt damit viele relevante Informationen über einen Patienten zu gewinnen. Die Erfindung erlaubt insbesondere die Bewegung eines Patienten präzise sowie kontaktlos, schnell und zuverlässig zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Sendeeinheiten mittels eines Steuersignals ansteuerbar, wobei ein dem empfangenen Radarsignal entsprechendes Empfangssignal auslesbar ist, wobei das Radarsystem zum Zuordnen ausgelegt ist durch Korrelieren des Steuersignals mit dem Empfangssignal.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Radarsystem eine Bestimmungseinheit, dazu ausgelegt die Bewegung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mittels der korrelierten Empfangssignale.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Radarsystem ausgelegt zum Senden von Radarsignalen mit einem bestimmten Zeitversatz. Ein solcher Zeitversatz ist technisch einfach zu realisieren und ermöglicht sowohl eine zeitlich wie räumlich präzises Zuordnen des empfangenen Radarsignals.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Radarsystem zum Senden von Radarsignalen in einer bestimmten Reihenfolge von Sendeeinheiten mit einer bestimmten Abtastrate ausgelegt. Je nach Wahl der Abtastrate können damit Bewegungen mit unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden. Eine entsprechend hohe Abtastrate erlaubt beispielsweise die Herzfrequenz zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Radarsystem ausgelegt zum Betrieb im Dauerstrichmodus mit einer für eine bestimmte Sendeeinheit festen Sendefrequenz sowie zum Zuordnen anhand der Sendefrequenz. Alternativ ist das Radarsystem ausgelegt zum Betrieb im frequenzmodulierten Dauerstrichmodus mit einer für eine bestimmte Sendeeinheit festen Frequenzmodulation. Durch den Betrieb der einzelnen Sendeeinheiten im Dauerstrichmodus kann die Abtastrate und damit die zeitliche Auflösung noch weiter erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Antennen der Sendeeinheiten sowie der Empfangseinheiten jeweils in Form von Patch-Antennen ausgebildet. Denn Patch-Antennen sind einfach und günstig herstellbar und sind darüber hinaus besonders flach ausgebildet, womit sie eine besonders flache und kompakte Ausbildung der Antennenanordnung erlauben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Sendeeinheiten sowie die Empfangseinheiten von einem elektrisch nicht leitenden Substrat umgeben, wobei das Substrat eine zusammenhängende Matte oder Platte ausbildet. Dadurch ist die Antennenanordnung besonders kompakt ausgebildet und kann besonders einfach unter oder auf einem gelagerten Patienten platziert werden. Dadurch vereinfacht sich auch die Handhabung der Antennenanordnung.
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Die Erfindung kann auch in Form eines medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung ausgebildet sein, umfassend ein erfindungsgemäßes Radarsystem, dazu ausgelegt, die von dem Radarsystem bestimmte Bewegung zur Steuerung der medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit und/oder zur Nachbearbeitung von durch die medizinische Diagnose- oder Therapieeinheit gewonnenen Daten zu verwenden. Eine solche Verwendung erhöht die Qualität der Diagnose bzw. Behandlung, beispielsweise durch Korrektur bereits aufgenommener Bilddaten oder Triggerung einer Bestrahlungsanlage.
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Weiterhin kann die Erfindung als Verfahren zum Betrieb eines Radarsystems ausgebildet sein, umfassend das Senden von Radarsignalen in Richtung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten, das Empfangen von Radarsignalen, das Auslesen eines dem empfangenen Radarsignals entsprechenden Empfangssignals, das Zuordnen der empfangenen Radarsignale zu denjenigen Sendeeinheiten, welche die empfangenen Radarsignale gesendet haben, durch Korrelieren des Empfangssignale mit dem Steuersignal, sowie das Bestimmen der Bewegung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten. Das Verfahren erlaubt eine besonders präzise Bestimmung der Bewegung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Senden und Empfangen von Radarsignalen mit einer Abtastrate von wenigstens 10Hz, so dass die Antennenanordnung dazu ausgelegt ist, die Bewegung der Lunge des Patienten zu erfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Senden und Empfangen von Radarsignalen mit einer Abtastrate von wenigstens 500Hz, so dass die Antennenanordnung dazu ausgelegt ist, die Bewegung des Herzens des Patienten zu erfassen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Radarsystem in Aufsicht,
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2 eine erfindungsgemäße Antennenanordnung in Seitenansicht,
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3 Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors für erfindungsgemäße Reflexionsschichten,
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4 eine erfindungsgemäße Antenne,
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5 ein Schaltbild gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radarsystems,
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6 ein Schaltbild gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radarsystems,
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7 einen erfindungsgemäßen Computertomographen, und
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8 ein Flussdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Radarsystem in Aufsicht.
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Das Radarsystem umfasst eine flächig ausgebildete Antennenanordnung 20 mit einzeln ansteuerbare Sendeeinheiten 21 zum Senden S von Radarsignalen sowie mit einzeln auslesbare Empfangseinheiten 22 zum Empfangen E von Radarsignalen. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Sendeeinheiten 21 weiß und die Empfangseinheiten 22 schraffiert dargestellt. Die Antennen der Sendeeinheiten 21 sowie der Empfangseinheiten 22 sind jeweils in Form von Patch-Antennen ausgebildet. Bei einer Patch-Antenne handelt es sich um eine flächig ausgebildete, oft rechteckige Antenne, deren Kantenlänge insbesondere einen Wert von λ/2 aufweisen kann, wobei λ die Wellenlänge ist, bei der die Antenne als Resonator wirkt.
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Das erfindungsgemäße Radarsystem kann so ausgebildet sein, dass sowohl Sendeeinheiten 21 als auch Empfangseinheiten 22 zum Senden S und zum Empfangen E von Radarsignalen ausgelegt sind. In anderen Worten können in gewissen Ausführungsformen der Erfindung Sendeeinheiten 21 als Empfangseinheiten 22 fungieren (und umgekehrt). Das erfindungsgemäße Radarsystem kann aber auch so ausgebildet sein, dass die Sendeeinheiten 21 nur zum Senden S von Radarsignalen und die Empfangseinheiten 22 nur zum Empfangen E von Radarsignalen vorgesehen sind. Ist Letzteres der Fall, können die Sendeeinheiten 21 sowie die Empfangseinheiten 22, wie hier gezeigt, in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sein; sie können aber auch, insofern dies technisch sinnvoll ist, anderweitige Muster formen.
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Typischer Weise weist die aktive Schicht 25 einer Patch-Antenne ein Metall auf. In der Regel liegt die Schichtdicke einer metallischen aktiven Schicht 25 in der Größenordnung der Skin-Tiefe des Metalls, die von der verwendeten Betriebsfrequenz bzw. den verwendeten Betriebsfrequenzen abhängig ist. Beispielsweise kommen Schichtdicken von 2µm bis 20µm bei metallischen aktiven Schichten 25 zum Einsatz. Die aktive 25 Schicht einer erfindungsgemäße Antennenanordnung 20 kann aber auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien aufweisen. Beispielsweise kann eine aktive Schicht 25 für eine Antenne Kohlefaser oder Graphit aufweisen, da Kohlenstoff Röntgenstrahlen 17 in der Regel weniger stark absorbiert und streut als Metalle. Antennen mit einer aktiven Schicht 25 aus Kohlefaser oder Graphit wirken der Entstehung von Bildartefakten entgegen, wenn sie bei Röntgenaufnahmen im Strahlengang der Röntgenstrahlen 17 platziert werden müssen.
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In Aufsicht sind in dem in 1 gezeigten Beispiel von den Sendeeinheiten 20 und Empfangseinheiten 22 jeweils nur die Antennen sichtbar. Die Antennen sind in dem hier gezeigten Beispiel identisch ausgebildet. Die Antennen der Sendeeinheiten 21 sowie der Empfangseinheiten 22 können allerdings auch unterschiedlich geformt oder anderweitig unterschiedlich ausgebildet sein, um die Sendeeigenschaften bzw. die Empfangseigenschaften zu verbessern. Die hier gezeigten Antennen können unterschiedliche Kantenlängen aufweisen, welche typischer Weise im Bereich von mehreren Zentimetern liegen. Insbesondere sind Resonanzen bei 915MHz, 868MHz sowie 433MHz erwünscht, was Kantenlängen von ca. 16,4cm, 17,3cm sowie 34,6cm bei Patch-Antennen entspricht. Die in 1 ersichtliche, erfindungsgemäße Antennenanordnung 20 weist also typischer Weise Maße von ca. 0,5m bis 1,5m Breite und 1m bis 2m Länge auf. Sowohl die einzelnen Antennen als auch die ganze Antennenanordnung 20 kann, insofern dies technisch sinnvoll ist, von den hier beispielhaft genannten Ausführungsformen abweichende Maße und Formen aufweisen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Antennenanordnung in Seitenansicht. In dem hier gezeigten Beispiel tragen die Sendeeinheiten 21 sowie die Empfangseinheiten 22 auf. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen können die Sendeeinheiten 21 sowie die Empfangseinheiten 22 allerdings auch nicht auftragen und vollständig in das Substrat 15 integriert sein. Die Reflexionsschicht 14 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung eine elektrisch leitende, metallische Beschichtung auf. Bei der metallischen Beschichtung kann es sich beispielsweise um eine Beschichtung aus Kupfer handeln, die eine Dicke zwischen 2μm und 20μm aufweist. Alternativ kann die Reflexionsschicht 14 auch eine Kohlefaserschicht aufweisen, da Kohlefaser Röntgenstrahlen 17 in der Regel weniger stark absorbiert und streut als Metalle. Die Reflexionsschicht 14 dient als Schirm bzw. Reflektor; dadurch wird eine Richtwirkung bzw. Richtcharakteristik erzielt, so dass die Ausbreitung der Radarsignale im Wesentlichen auf jene Seite der Reflexionsschicht 14 beschränkt ist, auf welcher sich der Patienten 3 befindet.
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In dem hier gezeigten Beispiel sind die Sendeeinheiten 21 sowie die Empfangseinheiten 22 der Antennenanordnung 20 von einem nicht leitenden Substrat 15 umgeben, wobei das Substrat 15 in Form einer zusammenhängende Matte oder Platte ausbildet ist. Je nach Art und Verarbeitung des Substrats 15 sowie der Sendeeinheiten 21 und der Empfangseinheiten 22 ist die Antennenanordnung 20 also als flexible Matte oder als steife Platte ausgebildet. Eine flexible Matte eignet sich besonders gut, um sie auf oder unter einem Patienten 3, insbesondere auf einer Patientenliege 6, zu platzieren. Eine als feste Platte ausgebildete Antennenanordnung 20 kann als Teil einer Patientenliege 6 ausgebildet und insbesondere in diese integriert sein. Eine als feste Platte ausgebildete Antennenanordnung muss dabei keineswegs eben ausgebildet sein, sie kann auch gebogen sein, beispielsweise um sich der Kontur eines Patienten 3 anzupassen. Ist das Substrat in Form einer Platte ausgebildet, weist es beispielsweise einen hohen Anteil von FR4-Material oder Teflon auf. Ist das Substrat hingegen in Form einer flexiblen Matte ausgebildet, weist es beispielsweise einen hohen Anteil eines porösen Kunststoffs oder eines Polyimids auf. Denn poröser Kunststoff bzw. Polyimide sind leicht und absorbieren Röntgenstrahlung nur geringfügig. Auch kann sich eine Luftschicht zwischen den Antennen und der Reflexionsschicht 14 der Antennenanordnung 20 befinden. Die Dicke der gesamten Antennenanordnung 20 in Form einer Matte oder Platte liegt typischer Weise im Bereich von einigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern.
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3 zeigt den Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors für erfindungsgemäße Reflexionsschichten aus Kupfer bzw. Kohlefaser. Die gestrichelte Linie stellt den Eingangsreflexionsfaktor für eine erfindungsgemäße Reflexionsschicht 14 aus Kohlefaser dar, die durchgezogene Linie stellt den Eingangsreflexionsfaktor für eine erfindungsgemäße Reflexionsschicht 14 aus Kupfer dar. Dabei ist die S11-Kopplung zwischen den Radarantennen in Form des Reflektionskoeffizienten, als "Signal" in 3 bezeichnet, in Einheiten von Dezibel [dB] gegen die Frequenz des Radarsignals aufgetragen. 3 zeigt, dass die Bandbreite des effektiv zur Verfügung stehenden Radarsignals durch Verwendung einer Reflexionsschicht 14 aus Kohlefaser erhöht wird. Eine Reflexionsschicht 14 aus Graphit weist ähnliche vorteilhafte Eigenschaften wie eine Reflexionsschicht aus Kohlefaser auf.
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Befindet sich die Antennenanordnung 20 beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in unmittelbarer Nähe des Patienten 3, dann wird hauptsächlich das Nahfeld der gesendeten Radarsignale von dem Untersuchungsbereich des Patienten 3 reflektiert und empfangen. Weiterhin werden die Antennen durch die unmittelbare Nähe des Patienten 2 "verstimmt", da sich die dielektrischen Verhältnisse zwischen Substrat 15 und dem Inneren des Patienten 3 stark ändern. Daher ist eine große Bandbreite wünschenswert für ein Radarsystem für den medizinischen Einsatz. Hat die Antenne nur eine geringe Bandbreite, ist die Gefahr erhöht, dass die Sendefrequenz außerhalb der effektiven, durch den Patienten 3 verschobenen, Resonanz der Antenne liegt. Liegt die Sendefrequenz außerhalb der effektiven Resonanz der Antenne, resultiert dies in einer geringeren Amplitude des Empfangssignals sowie einer niedrigen Phasenverschiebungen.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne. Bei der hier gezeigten Antenne handelt es sich um eine Patch-Antenne, wobei der schraffierte Bereich eine aktive Schicht 25, beispielsweise bestehend aus einem Metall, insbesondere Kupfer, oder Kohlefaser bzw. Graphit, darstellt. Die schraffiert dargestellte aktive Schicht 25, welche die eigentliche Funktion der Antenne ausübt, befindet sich auf der weiß dargestellten Trägerschicht 26. Diese Trägerschicht besteht typischer Weise aus einem porösen Kunststoff und ist in dem hier gezeigten Beispiel wesentlich dicker als die aktive Schicht 25 ausgebildet. Die Dicke und die Dielektrizitätskonstante der Trägerschicht bestimmen die Eigenschaften der Antenne maßgeblich. Grundsätzlich erhöht eine größere Dicke und/oder eine größere Dielektrizitätskonstante die Bandbreite der Antenne. Die "U"-förmige Aussparung der aktiven Schicht 25 erhöht die Sendeleistung bzw. die Empfangsleistung der Antenne. Am unteren Ende der 4 ist ein Anschluss dargestellt, über den Steuersignale an die Antenne übertragen werden können bzw. über den Empfangssignale der Antenne ausgelesen werden können. Die hier gezeigte Antenne ist insbesondere dazu geeignet Radarsignale im Frequenzbereich zwischen 100MHz und 5GHz zu senden bzw. zu empfangen. Dementsprechend kann die hier gezeigte Antenne insbesondere als Teil eines erfindungsgemäßen Radarsystems oder einer erfindungsgemäßen medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung zum Einsatz kommen.
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5 zeigt ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Radarsystems. Der Lokaloszillator 12 erzeugt eine Signalfrequenz, typischer Weise im Bereich zwischen 100MHz und 5GHz. Das vom Lokaloszillator erzeugte Signal wird durch den als Dreieck dargestellten Leistungsverstärker auf die gewünschte Sendeleistung verstärkt. Das Signal wird in dem hier gezeigten Beispiel durch den Schalter 24 nacheinander auf die Sendeeinheiten 21 übertragen, wobei jede der Sendeeinheiten 21 jeweils eine Antenne zum Senden S eines Radarsignals mit der Signalfrequenz aufweist. Die von einer Sendeeinheit 21 gesendeten Radarsignale können von den Empfangseinheiten 22 empfangen werden, wobei in dem hier gezeigten Beispiel jede der Empfangseinheiten 22 eine Antenne umfasst. Die Empfangssignale werden von den I/Q-Demodulatoren 13 demoduliert und jeweils in eine I-Komponente (I_1 bis I_5) sowie in jeweils eine Q-Komponente (Q_1 bis Q_5) umgewandelt. Dabei wird ein Empfangssignal derart aufgeteilt, dass ein Teil mit der originalen Phasenlage demoduliert wird und die I-Komponente ergibt, und wobei der zweite Teil um 90° phasenverschoben demoduliert wird und die Q-Komponente ergibt.
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In dem hier gezeigten Beispiel wird der I/Q-Demodulator 13 mit der gleichen Signalfrequenz betrieben wie die Sendeeinheiten 21. In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform werden die I/Q-Demodulatoren 13 mit einer Zwischenfrequenz betrieben, welche geringfügig, typischer Weise im Bereich von einigen kHz von der Signalfrequenz abweicht. Weiterhin kann natürlich die Anzahl der verwendeten Sendeeinheiten 21 und Empfangseinheiten 22 variieren, insbesondere kann sich die Anzahl der Sendeeinheiten 21 sowie der Empfangseinheiten 22 in einem erfindungsgemäßen Radarsystem unterscheiden. Es können außerdem weitere elektronische Komponenten wie Mischer, Filter, Verstärker etc. Verwendung finde, um das gewünschte Steuersignal zu erzeugen bzw. das Empfangssignal zu demodulieren und weiter zu verarbeiten, insbesondere um ein erfindungsgemäßes Zuordnen Z zu ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform findet die Demodulation digital statt.
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In der hier gezeigten Ausführungsform senden die Sendeeinheiten 21 ihre jeweiligen Radarsignale nicht gleichzeitig. Stattdessen senden die Sendeeinheiten 21 eine zeitliche Serie von Radarsignalen, wobei die Sendeeinheiten 21 sich an unterschiedlichen räumlichen Positionen befinden. Damit senden die Sendeeinheiten 21 eine zeitliche Serie, welche über den Zeitpunkt des Sendens (bzw. Empfangens) Rückschlüsse auf die räumliche Position derjenigen Sendeeinheit 21 zulässt, welche das jeweilige Radarsignal gesendet hat. Allerdings wird aufgrund der sehr geringen zeitlichen Verzögerung bei einer Reflektion eines Radarsignals an einem Patienten 3 nicht der absolute Zeitpunkt des Sendens S eines Radarsignals mit dem Empfang E des Radarsignals verglichen. Vielmehr erfolgen die Rückschlüsse auf die räumliche Position derjenigen Sendeeinheit 21, welche das empfangene Radarsignal gesendet hat, durch Korrelieren des Steuersignals, welche dem gesendeten Radarsignal entspricht, mit dem Empfangssignal, welches dem empfangenen Radarsignal entspricht.
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Zwar ist aus dem Bereich der Radartechnologie grundsätzlich bekannt, auf die Bewegung und/oder Position eines Objekts durch Korrelation eines Steuersignals sowie eines Empfangssignals zu schließen, insbesondere mit Hilfe eine I/Q-Demodulators. Allerdings ist es nicht bekannt, den mittels eines Radarsystems für den medizinischen Einsatz gewonnenen Informationsgehalt durch die Korrelation von Steuersignalen und Empfangssignalen zu erhöhen. Dies gilt insbesondere, da die I/Q-Demodulation nicht nur für ein fest zugeordnetes Antennenpaar durchgeführt werden kann, sondern grundsätzlich für die Kombination jeder Sendeeinheit 21 mit jeder Empfangseinheit 22. Denn in der hier gezeigten Ausführungsform können alle Sendeeinheiten 22 gleichzeitig die von einer Sendeeinheit 21 gesendeten Radarsignale empfangen.
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6 zeigt ein alternatives Schaltbild des erfindungsgemäßen Radarsystems. In der hier gezeigten Ausführungsform werden fünf Sendeeinheiten 21 jeweils mit unterschiedlichen Signalfrequenzen f1 bis f5, erzeugt durch unterschiedliche Lokaloszillatoren 12, betrieben. Das von den Lokaloszillatoren erzeugte Signal wird von den als Dreieck dargestellten Leistungsverstärkern auf die gewünschte Sendeleistung verstärkt. In der hier gezeigten Ausführungsform sind einer Empfangseinheit 22 jeweils fünf I/Q-Demodulatoren 13 zugeordnet. Nicht explizit dargestellt ist, dass den weiteren vier Empfangseinheiten 22 auch jeweils fünf I/Q-Demodulatoren 13 zugeordnet sind. Die jeweils fünf I/Q-Demodulatoren 13 pro Empfangseinheit 22 werden mittels der Signalfrequenzen f1 bis f5 betrieben. Für jedes der Empfangssignale, basierend auf den Frequenzen f1 bis f5, ist also ein eigener I/Q-Demodulator 13 vorhanden. Für alle Empfangseinheiten 22 wären dies in dem hier gezeigten Beispiel insgesamt 25 I/Q-Demodulatoren 13. Diese erzeugen zusammen 25 I-Komponenten I_11 bis I_55 und 25 Q-Komponenten Q_11 bis Q_55.
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Die hier gezeigte Ausführungsform eignet sich insbesondere zum Dauerstrichbetrieb. So können die Signalfrequenzen f1 bis f5 jeweils einen festen, aber voneinander unterschiedlichen Wert haben. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Unterschiede der Signalfrequenzen f1 bis f5 so klein bleiben, dass eine unterschiedliche Anpassung der Antennen nicht notwendig ist, beispielsweise können sich die Frequenzen um jeweils 1 kHz bis 100 kHz unterschieden. Die Signalfrequenzen f1 bis f5 können auch zeitlich variieren eine unterschiedliche Frequenzmodulation bewirken. Erfindungsgemäß ist es in beiden Fällen möglich, dass eines von einer Empfangseinheit 22 empfangenen Radarsignals zu derjenigen Sendeeinheit 21 zugeordnet wird, welche das empfangene Radarsignal gesendet hat. In weiteren Ausführungsformen können sich die Signalfrequenzen so stark unterscheiden, dass die Antennen der Sendeeinheiten 21 unterschiedliche Abmessungen aufweisen, damit die Antennen eine resonante Schwingung bei der ihnen jeweils zugeteilten Signalfrequenz ermöglichen.
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Im Falle eines Radarsystems, welches im Dauerstrich-Modus verwendet wird, lässt sich für jedes ausgewertete Paar von Sendeeinheiten 21 sowie Empfangseinheiten 22 der komplexe zeitabhängige Übertragungsfaktor in der Form der (reellen) I-und Q-Komponente des Empfangssignals relativ zum gesendeten Radarsignal bestimmen, und zwar als Funktion der Zeit t: I(t, j), Q(t, j) mit j = 1 .. und N die Anzahl der ausgewerteten Antennenpaare. Für andere Radar-Modi ergibt sich ggf. eine andere Art des Signals, aber generell lässt sich das Signal jeder Antennenpaarung als Vektor U(t, j) mit j = 1 .. N beschreiben. Die Variable t kann zeitkontinuierlich oder auch zeitdiskret sein. Im Falle des einfachen Dauerstrich-Radars würde U ein zweikomponentiger Vektor mit den Bestandteilen I und Q sein. Im Falle eines Multifrequenz-Dauerstrich-Radars würde U die I- und Q-Komponenten für jede Signalfrequenz enthalten, bei M Signalfrequenzen also 2×M-komponentig sein. Im Falle eines Ultrabreitband-Radars würden die Elemente von U verschiedenen Verzögerungen (und damit Abständen) zwischen dem gesendeten Radarsignal und dem empfangenen Radarsignal entsprechen. Die Werte von U würden dann die Korrelation zwischen dem gesendeten Radarsignal und dem empfangenen Radarsignal bei der jeweiligen Verzögerung beschreiben.
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Die Komplexität der Schaltung lässt sich in alternativen Ausführungsformen reduzieren, indem nicht jeder Empfangseinheit 22 für jede Sendeeinheit 21 (bzw. jede Signalfrequenz) ein eigene I/Q-Demodulator 13 zugeordnet wird. Dies kann sinnvoll sein, da weiter entfernte Antennen weniger Informationen bezüglich der zu bestimmenden Bewegung beitragen. In einem weiteren Beispiel können jeweils Zwischenfrequenzen eingesetzt werden, um die I/Q-Demodulatoren 13 zu betreiben. In einer weiteren Ausführungsform findet die Demodulation digital statt, welche dahingehend vorteilhaft ist, dass die Elektronik zur Digitalisierung des empfangenen Empfangssignals pro Empfangseinheit 22 nur einmal vorhanden sein muss, und dass sich die Mehrzahl an Demodulatoren pro Empfangseinheit 22 vollständig in Software realisieren lässt.
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Es ist auch eine Kombination der hier gezeigten Ausführungsformen denkbar, bei der sowohl zwischen verschiedenen Sendeeinheiten 21 umgeschaltet wird, als auch eine Anzahl von Sendeeinheiten 21 gleichzeitig mit unterschiedlichen Signalfrequenzen betrieben wird. In anderen Worten können manche Sendeeinheiten 21 gepulst betrieben werden, während andere Sendeeinheiten 21 im Dauerstrichmodus betrieben werden. Weiterhin ist es grundsätzlich möglich die verschiedenen hier genannten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren.
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7 einen erfindungsgemäßen Computertomographen. Bei dem Computertomographen handelt es sich um eine beispielhafte Ausführungsform einer medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung. Der hier gezeigte Computertomograph verfügt über eine Aufnahmeeinheit, umfassend eine Röntgenquelle 8 sowie einen Röntgendetektor 9. Die Aufnahmeeinheit rotiert während einer der Aufnahme eines tomographischen um eine Längsachse 5, und die Röntgenquelle 8 emittiert während der Spiral-Aufnahme Röntgenstrahlen 17. Bei der Aufnahme eines Bildes liegt der Patient 3 auf einer Patientenliege 6. Die Patientenliege 6 ist so mit einem Liegensockel 4 verbunden, dass er die Patientenliege 6 mit dem Patienten 3 trägt. Die Patientenliege 6 ist dazu ausgelegt den Patienten 3 entlang einer Aufnahmerichtung durch die Öffnung 10 der Gantry 16 des Computertomographen zu bewegen. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Antennenanordnung 20 des erfindungsgemäßen Radarsystems in die Patientenliege 6 integriert.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Erfindung eine Steuer- und Auswerteeinheit 19, welche in den Liegensockel 4 integriert ist und sich demnach stets außerhalb des Strahlengangs der Röntgenstrahlen 17 befindet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 19 kann zusätzlich in nicht dargestellter Weise, beispielsweise mit einer Platte oder einem Gehäuse aus Blei gegen Röntgenstreustrahlung abgeschirmt sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit 19 ist außerdem mit dem Computer 18 zum Datenaustausch verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 19 kann insbesondere einen oder mehrere Lokaloszillatoren 12 sowie einen oder mehrere I/Q-Demodulatoren 13 umfassen. Insbesondere, wenn die Antennenanordnung 20 als flexible Matte ausgebildet ist, welche auf dem Patienten 3 platzierbar ist, kann die Steuer- und Auswerteeinheit 19 auch in einem separaten Gehäuse außerhalb der Patientenliege 6 bzw. des Liegensockels 4 untergebracht sein. In jedem Fall ist es vorteilhaft die Steuer- und Auswerteeinheit 19 durch eine entsprechende Ummantelung vor Röntgenstrahlung zu schützen.
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Es ist die Funktion der Steuer- und Auswerteeinheit 19 die Antennenanordnung 20 und damit die einzelnen Sendeeinheiten 21 mittels eines Steuersignals anzusteuern sowie aus den einzelnen Empfangseinheiten 22 Empfangssignale auszulesen. Das Steuersignal kann insbesondere durch wenigstens eines Lokaloszillators 12 und ggf. durch weitere elektronische Komponenten wie z.B. einen Mischer, Verstärker oder einen Filter erzeugt werden. Die hier gezeigte Steuer- und Empfangseinheit 19 ist ausgelegt zum Zuordnen Z eines von einer Empfangseinheit 22 empfangenen Radarsignals zu derjenigen Sendeeinheit 21, welche das empfangene Radarsignal gesendet hat, durch Korrelieren des Steuersignals mit dem Empfangssignals. Die Steuer- und Auswerteeinheit 19 ist weiterhin dazu ausgelegt Signale von einem Computer 18 zu empfangen bzw. Signale an den Computer 18 zu übertragen.
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In dem hier gezeigten Beispiel ist die medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit in Form eines Computertomographen durch eine Bestimmungseinheit 23 in Form eines auf einem Computer 18 ausführbar gespeicherten Computerprogramms ausgelegt zum Bestimmen B der Bewegung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten 3. Allgemein gilt, dass die Bestimmungseinheit 23 sowohl in Form von Hard- als auch von Software ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Bestimmungseinheit 23 als ein sogenanntes FPGA (Akronym für das englischsprachige "Field Programmable Gate Array") ausgebildet sein oder eine arithmetische Logikeinheit umfassen. Anders als hier gezeigt kann sich die Bestimmungseinheit 23 auch in unmittelbarer Nähe der Steuer- und Auswerteeinheit 19 befinden oder zusammen mit dieser als eine kompakte Einheit ausgebildet sein. Insbesondere kann die Bestimmungseinheit 23 auch in den Liegensockel 4 integriert sein.
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Weiterhin ist in dem hier gezeigten Beispiel die medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit dazu ausgelegt die von dem erfindungsgemäßen Radarsystem bestimmte Bewegung zum Steuern St der medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit und/oder zum Nachbearbeiten Nb von durch die medizinische Diagnose- oder Therapieeinheit gewonnenen Daten zu verwenden. Bei den Daten kann es sich beispielsweise um Bilddaten handeln. Die medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit kann zum Steuern St sowie zum Nachbearbeiten Nb insbesondere durch ein auf dem Computer 18 abrufbar gespeichertes Computerprogramm ausgelegt sein. Das Steuern St umfasst die Bestrahlung des Patienten 3, je nach Form der medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit beispielsweise mit elektromagnetischer Strahlung, Elektronen oder Partikeln. So kann die Bestrahlung beispielsweise nur in der Ruhephase des Herzens des Patienten 3 oder einer bestimmten Position des Brustkorbs des Patienten 3, die von der Atembewegung abhängt, stattfinden. Auch kann die Stärke der Bestrahlung oder der Bestrahlungswinkel durch Steuern St eingestellt werden. Das Steuern St umfasst in einer weiteren Ausführungsform das Positionieren des Patienten 3 durch Verfahren der Patientenliege 6. Das Nachbearbeiten Nb betrifft beispielsweise das Segmentierung oder Registrieren einer zeitlichen Serie von Bildern, basierend auf Bilddaten, eines bewegten Untersuchungsbereiches.
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Der Computer 18 ist mit einer Ausgabeeinheit 11 sowie einer Eingabeeinheit 7 verbunden. Bei der Ausgabeeinheit 11 handelt es sich beispielsweise um einen (oder mehrere) LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm(e). Die Ausgabe 2 auf der Ausgabeeinheit 11 umfasst beispielsweise eine graphische Benutzeroberfläche zur Ansteuerung der einzelnen Einheiten des Computertomographen sowie der Steuerungs- und Auswerteeinheit 19. Weiterhin können auf der Ausgabeeinheit 7 verschiedene Ansichten der aufgenommenen Daten angezeigt werden. Bei der Eingabeeinheit 7 handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten Touchscreen oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe.
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In anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann es sich bei der Medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung um andere bildgebende Geräte als einen Computertomographen handeln, beispielsweise um einen Magnetresonanztomographen oder ein C-Bogen Röntgengerät. Die medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung kann weiterhin ausgelegt sein zum Einsatz der Positronenen-Emissions-Tomographie. Weiterhin kann es sich bei der medizinisches Diagnose- oder Therapieeinrichtung um ein Gerät handeln, welches zur Emission von elektromagnetischer Strahlung und/oder Elektronen und/ oder Partikeln wie beispielsweise Ionen ausgelegt und damit für den Einsatz bei der Strahlentherapie oder der Partikeltherapie geeignet ist.
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8 zeigt ein Flussdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Radarsystems. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Senden S von Radarsignalen in Richtung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten 3, das Empfangen E von Radarsignalen, sowie das Auslesen Au von den empfangenen Radarsignalen entsprechenden Empfangssignalen. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Zuordnen Z der von den Empfangseinheiten 22 empfangenen Radarsignale zu denjenigen Sendeeinheiten 21, welche die jeweils empfangenen Radarsignale gesendet haben. Das Zuordnen Z kann durch Korrelieren des Empfangssignals mit den Steuersignalen erfolgen. Das direkte Zuordnen Z eines empfangenen Radarsignals zu einer Sendeeinheit 21 entspricht auch einem räumlichen Zuordnen des empfangenen Radarsignals.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch das Bestimmen B der Bewegung eines Untersuchungsbereiches eines Patienten 3. Denn mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich aus einem durch eine Sendeeinheit 21 gesendeten, von dem Untersuchungsbereich reflektierten und anschließend von einer Empfangseinheit 22 empfangenen Radarsignal mittels des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Untersuchungsbereiches bestimmen. Das Bestimmen B erfolgt beispielsweise mittels der Bestimmungseinheit 23. So kann zusätzlich oder alternativ zu der direkten Auswertung anhand des Doppler-Effekts eine zeitliche Serie von digitalisierten Werten der von einem I/Q-Demodulator 13 gewonnenen I- und Q-Komponenten an abrufbar gespeicherten zeitlichen Serien von I- und Q-Komponenten, welche bekannten Bewegungen des Untersuchungsbereiches entsprechen, angepasst werden. Die Erfindung erlaubt also die Bewegung eines Patienten 3 präzise sowie kontaktlos, schnell und zuverlässig zu bestimmen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Senden S und Empfangen E von Radarsignalen mit einer Abtastrate von wenigstens 10Hz, so dass die Bewegung der Lunge des Patienten 3 erfasst werden kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Senden S und Empfangen E von Radarsignalen mit einer Abtastrate von wenigstens 500Hz, so dass die Bewegung des Herzens des Patienten 3 erfasst werden kann. Bei diesen beiden Ausführungsformen müssen sich die von den unterschiedlichen Sendeeinheiten 21 gesendeten Radarsignale natürlich unterscheiden, beispielsweise durch eine unterschiedliche Frequenz, eine unterschiedliche Frequenzmodulation oder einen unterschiedlichen Sendezeitpunkt. Umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung 20 zehn Sendeeinheiten 21 mit jeweils einer Antenne, und ist eine Abtastrate von 10Hz (bzw. 500Hz) angestrebt, so sendet jede der zehn Antennen zehn Radarsignale (bzw. 500 Radarsignale) pro Sekunde. Die Abtastrate im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist also grundsätzlich unabhängig von der Anzahl der Sendeeinheiten 21.
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Beispielsweise können alle Sendeeinheiten 21 gleichzeitig ein Radarsignal mit jeweils unterschiedlicher Frequenz senden um die entsprechende Abtastrate zu erreichen. Dann ist ein Betrieb im Dauerstrichmodus möglich, so dass die Abtastrate sehr hoch sein kann. Alternativ senden die Sendeeinheiten 21 nacheinander Radarsignale, ggf. mit der gleichen Frequenz. Dann erfolgt der Betrieb im gepulsten Modus. Insbesondere können die Sendeeinheiten 21 in jedem Zyklus – also dem Zeitraum, in dem jede Antenne im gepulsten Betrieb genau ein Radarsignal sendet – und der bei einer Abtastrate von 10Hz eine Zehntel Sekunde andauert, in einer festgelegten Reihenfolge Radarsignale senden. In einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren im Ultrabreitband-Modus ausgeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch das Steuern St einer medizinischen Diagnose- oder Therapieeinheit und/oder das Nachbearbeiten Nb von durch eine medizinische Diagnose- oder Therapieeinheit gewonnenen Daten, und zwar jeweils mittels der bestimmten Bewegung des Untersuchungsbereiches des Patienten 3. Ein so ausgebildetes erfindungsgemäßes Verfahren erhöht die Qualität der Diagnose bzw. Behandlung, beispielsweise durch Korrektur bereits aufgenommener Bilddaten oder Triggerung einer Bestrahlungsanlage.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu Verlassen. Insbesondere können Verfahrensschritte in einer anderen als den angegebenen Reihenfolgen durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021232 A1 [0003]
