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Die
Erfindung betrifft eine Bewegungsdetektionseinrichtung zur simultanen
Erfassung von Atembewegungen, Herzbewegungen und Körperbewegungen
eines Patienten. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein bildgebendes System mit einer
derartigen Bewegungsdetektionseinrichtung sowie ein therapeutisches
System mit einer derartigen Bewegungsdetektionseinrichtung. Weiterhin
betrifft die Erfindung EKG-Elektroden umfassend eine Antennenanordnung
und/oder eine Spulenanordnung. Zusätzlich betrifft die Erfindung
ein Bewegungsdetektionsverfahren zur simultanen Erfassung von Atembewegungen,
Herzbewegungen und Körperbewegungen eines
Patienten sowie bildgebende Verfahren zur Erzeugung von Patientenbilddaten
mit einem derartigen Bewegungsdetektionsverfahren.
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Bildgebende
Systeme der Medizintechnik (auch „Modalitäten" genannt) nehmen heute eine bedeutende
Rolle bei der Untersuchung von Patienten ein. Die von den bildgebenden
Systemen erzeugten Darstellungen der inneren Organe und Strukturen des
Patienten werden zur Diagnose von Krankheitsursachen, zur Planung
und bei der Durchführung
von Operationen oder auch zur Vorbereitung von therapeutischen Maßnahmen
angewandt. Beispiele für solche
bildgebenden Systeme sind Magnetresonanzsysteme, Computertomographen,
Ultraschallsysteme, Angiographieeinrichtungen oder Positronen-Emissionstomographen.
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Ein
Aufnahmevorgang zur Erzeugung der Patientenbilddaten sollte dabei
zum einen relativ schnell ablaufen, um die Wirtschaftlichkeit der
Untersuchungsmethode zu gewährleisten
und die Belastung des Patienten, beispielsweise durch Röntgenstrahlung,
möglichst
gering zu halten. Zum anderen wird aber auch eine hohe Bilddatenqualität angestrebt,
damit ein möglichst
hochwertiges Untersuchungsergebnis sichergestellt ist. Die Bilddatenqualität wird jedoch
in der Regel durch – meist unvermeidliche – Bewegungen
der inneren Organe und Strukturen des Patienten während des
Aufnahmevorgangs beeinträchtigt.
Mitunter entstehen so genannte „Bewegungsartefakte", d.h. durch die
Bewegungen bedingte fehlerhafte Darstellungen der inneren Organe und
Strukturen. Die Bewegungen ergeben sich auf der einen Seite dadurch,
dass sich der Patient während
des Aufnahmevorgangs nicht vollständig in Ruhe befindet (Körperbewegung).
Auf der anderen Seite entstehen die Bewegungen durch die natürliche Aktivität der inneren
Organe, beispielsweise die Schlagtätigkeit des Herzens (Herzbewegung)
oder die Respiration (Atembewegung).
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Erste
Verfahren und Einrichtungen zur Verringerung der bewegungsbedingten
Beeinträchtigung
der Bilddatenqualität
sind bekannt. So wird beispielsweise für Computertomographen eine
so genannte „Respiratory
Gating Option" durch
die Siemens AG angeboten, welche über einen Brustgurt die Atembewegungen
des Patienten erfasst und zusammen mit einer Software-Komponente
eine Reduzierung der Atembewegungsartefakte in den Bilddaten erreicht.
Weiterhin beschreiben M. L. Bahner et al. in "electromedica 67 (1999) no. 1" auf Seiten 37 bis
41 ein „Spiral
CT of the Heart with Retrospective ECG-Gating". Hier wird neben den Bilddaten des Computertomographen
ein EKG-Signal aufgezeichnet, welches nach der Beendigung des Aufnahmevorgangs
(d.h. retrospektiv) verwendet wird, um Teile der Bilddaten in Abhängigkeit
vom EKG-Signal bei der Bildrekonstruktion auszublenden (das so genannte „Gating"), so dass die durch
Herzbewegungen bedingten Artefakte in den Bilddaten verringert werden.
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Die
bekannten Verfahren und Einrichtungen weisen allerdings den Nachteil
auf, dass für
jede Bewegungsart ein separates Sensorsystem mit einer entsprechenden
Auswerteeinrichtung verwendet wird. In der praktischen Anwendung
kann deshalb aus Zeit- und Wirtschaftlichkeitsgründen oft nur eine Bewegungsart
bei der Aufnahme beziehungsweise bei der anschließenden Bearbeitung
der Bilddaten berücksichtigt
werden, so dass sich nur eine unzureichende Reduzierung von Bewegungsartefakten
erreichen lässt.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung,
geeignete Sensoreinheiten und ein Verfahren anzugeben, mit denen
sich die Atem-, Herz- und Körperbewegungen
eines Patienten einfach erfassen und auswerten lassen, um die Beeinträchtigung
eines Bilddatenaufnahme- oder Therapievorgangs durch die genannten
Bewegungen zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Bewegungsdetektionseinrichtung gemäß Patentanspruch
1, EKG-Elektroden gemäß den Patentansprüchen 21 und
22 sowie durch ein Bewegungsdetektionsverfahren gemäß Patentanspruch
23 gelöst.
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Eine
grundlegende Idee der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
besteht darin, einheitliche Sensoreinheiten anzugeben, welche Sensorsignale
bereitstellen, die eine Abhängigkeit von
den Atembewegungen, Herzbewegungen und Körperbewegungen des Patienten
aufweisen. In vielen Fällen
wird es sich bei dem Patienten um einen Menschen handeln. Die Verwendung
des Begriffs „Patient" umfasst jedoch auch
den Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtungen,
EKG-Elektroden, Systeme und Bildgebungsverfahren bei der Untersuchung
von Tieren oder bei der Untersuchung von gesunden Menschen, beispielsweise
von Probanden im Rahmen einer klinischen Studie. Gegenüber der
Verwendung mehrerer Sensoren, die jeweils nur zur Erfassung einer
Bewegungsart geeignet sind, weisen dabei die erfindungsgemäßen Sensoreinheiten
den Vorteil auf, dass sich der zeitliche Aufwand zum Anbringen und
nachfolgenden Entfernen der Sensoreinheiten reduziert. Darüber hinaus
ist durch die Verwendung einheitlicher Sensoreinheiten für verschiedene
Bewegungsarten zu erwarten, dass sich Fehlbedienungen durch das
medizinische Personal – im Vergleich
zur Verwendung mehrerer, voneinander verschiedener Sensoren – reduzieren
lassen.
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Die
von den Sensoreinheiten bereitgestellten Sensorsignale werden in
der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
von einer Sensorschnittstelle empfangen. Die Sensorschnittstelle
erzeugt aus den Sensorsignalen elektrische Sensordatensignale. Beispielsweise
können
in einer Ausführungsform
der Bewegungsdetektionseinrichtung die Sensoreinheiten derart ausgebildet
sein, dass diese die Informationen über die Atem-, Herz- oder Körperbewegungen
des Patienten durch Lichtimpulse an die Sensorschnittstelle übertragen.
Die Sensorschnittstelle würde
in diesem Fall über
lichtsensitive Empfänger
und geeignete elektrische Schaltkreise verfügen, welche die Lichtimpulse
in elektrische Sensordatensignale umwandeln. In einer weiteren Ausführungsform
können
die Sensorsignale bereits als elektrische Signale vorliegen, beispielsweise
bei der Bestimmung eines Atembewegungssignals durch Messung des
elektrischen Widerstandes eines in einer Sensoreinheit befindlichen
Dehnungsstreifens.
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Des
Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Bewegungsdetektionseinrichtung
eine Bewegungsauswerteeinrichtung, welche aus den elektrischen Sensordatensignalen
Bewegungssignale bestimmt, umfassend Atembewegungssignale, welche die
Atembewegungen, Herzbewegungssignale, welche die Herzbewegungen
und Körperbewegungssignale,
welche die Körperbewegungen
repräsentieren. Die
Bewegungssignale können
hierbei beispielsweise in digitaler Form, d.h. mit nur zwei bevorzugten
Signalpegeln, bereitgestellt werden. Ein erster Signalpegel würde in diesem
Fall einen Patientenzustand mit geringer Bewegung repräsentieren,
wohingegen ein zweiter Signalpegel einen Patientenzustand mit erhöhter Bewegung
darstellt. Ein bildgebendes System, welches derartige Bewegungssignale
empfängt, kann
Bilddaten, die in Zeitabschnitten mit erhöhter Bewegung ermittelt wurden,
von einer weiteren Auswertung ausschließen. Darüber hinaus ist es denkbar,
dass Bewegungssignale bestimmt werden, die mehr als zwei bevorzugte
Signalpegel besitzen. Beispielsweise könnte ein Bewegungssignal zeitvariable Werte
für die
Körperbewegung
eines Patienten in x-, y- und z-Richtung bereitstellen. Ein bildgebendes System,
welches derartige Kör perbewegungssignale empfängt, kann
dann entsprechend die durch die Körperbewegung entstandene relative
räumliche Verschiebung
in den Bilddaten kompensieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
wird ein einheitliches Sensorsystem beschrieben, das wenigstens
die drei genannten Bewegungsarten eines Patienten erfasst und über Bewegungssignale
anderen Einrichtungen wie bildgebenden oder therapeutischen Systemen
zum Beispiel über
eine geeignete Modalitätenschnittstelle
zur Verfügung
stellt. Im Vergleich zur Verwendung mehrerer Sensorsysteme kann
erwartet werden, dass die erfindungsgemäße Einrichtung eine niedrigere
Störungsanfälligkeit
besitzt, da sie eine geringere technische Komplexität aufweist.
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Eine
erste erfindungsgemäße Elektrokardiogramm-Elektrode
(EKG-Elektrode) zur Befestigung auf der Haut eines Patienten umfasst
eine Elektrodenzone aus elektrisch leitendem Material zur Herstellung
von Kontakt mit der Haut und eine Antennenanordnung mit wenigstens
einer Antenne zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen. Mit
einer derartigen EKG-Elektrode können
EKG-Sensorsignale, aber ggf. auch weitere Sensorsignale, die andere
Parameter repräsentieren,
ohne Verwendung von Kabeln von der EKG-Elektrode an andere Einrichtungen übermittelt
werden. Beispielsweise ist eine Übertragung
der Sensorsignale mit „Bluetooth"-Technik denkbar.
Durch den Wegfall von Kabeln vereinfacht sich das Befestigen der
EKG-Elektroden am Körper des
Patienten. Eine zusätzlich
in die EKG-Elektroden integrierte
Klebefläche
kann das Befestigen weiter vereinfachen.
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Eine
weitere erfindungsgemäße EKG-Elektrode
zur Befestigung auf der Haut eines Patienten umfasst eine Elektrodenzone
aus elektrisch leitendem Material zur Herstellung von Kontakt mit
der Haut und eine Antennen- und/oder Spulenanordnung, welche derart
ausgebildet ist, dass sie die EKG-Elektrode mit elektrischer Energie
versorgt. Eine derartige EKG-Elektrode kann Sensorsignale übermitteln,
ohne dass sie dazu über
ein Kabel oder über
eine integrierte Batterie (beziehungsweise über einen Akku) mit Energie
versorgt werden muss. Die Antennen- und/oder Spulenanordnung kann derart ausgestaltet
sein, dass sie für
die so genannte RFID (Radio Frequency Identification) -Technik einsetzbar ist.
Zusammen mit weiteren Einrichtungen, beispielsweise elektrischen
Schaltkreisen, kann die EKG-Elektrode dann wie ein so genannter „RFID-Tag" betrieben werden.
Hierbei findet sowohl die Energieversorgung der EKG-Elektrode als
auch die Übermittlung
der EKG-Sensorsignale drahtlos statt. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße EKG-Elektrode
eine integrierte Klebefläche
und/oder ein integriertes Kontaktgel umfassen. Auf diese Weise lassen
sich zum Beispiel mit der typischerweise sehr kostengünstigen
RFID-Technik EKG-Elektroden erstellen,
die vor der Erfassung der EKG-Signale nur auf den Patienten aufgeklebt
werden, da keine Kabelverbindungen herzustellen sind. Bei entsprechend niedrigen
Erstellungskosten sind darüber
hinaus EKG-Elektroden denkbar, die nur einmal verwendet werden,
so dass sich der Patientendurchsatz entsprechend erhöhen lässt und
Personalaufwand für die
Reinigung der EKG-Elektroden entfällt.
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Ein
erfindungsgemäßes Bewegungsdetektionsverfahren
zur simultanen Erfassung von Atembewegungen, Herzbewegungen und
Körperbewegungen
eines Patienten umfasst einen Verfahrensschritt, bei dem durch am
Körper
eines Patienten befindliche Sensoreinheiten Sensorsignale bereitgestellt
werden, welche eine Abhängigkeit
von den Atembewegungen, Herzbewegungen und Körperbewegungen eines Patienten
aufweisen. Darüber
hinaus enthält das
Verfahren einen Schritt zur Bestimmung von elektrischen Sensordatensignalen
aus den Sensorsignalen. In einem weiteren Verfahrensschritt finden eine
Auswertung der elektrischen Sensordatensignale und eine Bestimmung
von Bewegungssignalen statt. Die Bewegungssignale umfassen hierbei
Atembewegungssignale, welche die Atembewegungen, Herzbewegungssignale,
welche die Herzbewegungen und Körperbewegungssignale,
welche die Körperbewegungen
repräsentieren.
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Weitere
besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Bewegungsdetektionseinrichtung
wird ein Teil der Bewegungssignale durch eine Erfassung einer Bewegung
wenigstens einer Sensoreinheit bestimmt. Die betreffende Sensoreinheit
ist hierbei mit dem Körper
des Patienten verbunden. Entsprechend rufen Bewegungen des Patienten,
insbesondere Atem- und/oder Körperbewegungen,
eine Bewegung der Sensoreinheit hervor. Diese Bewegung kann als eine
Form eines Sensorsignals durch geeignete Einrichtungen der Sensorschnittstelle
erfasst und in elektrische Sensordatensignale umgewandelt werden,
so dass sich mit einer entsprechenden Ausgestaltung der Sensorschnittstelle
und der Bewegungsauswerteeinrichtung letztlich Bewegungssignale
aus der Bewegung der Sensoreinheit ableiten lassen.
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Bevorzugt
werden dabei die Körperbewegungssignale
durch eine Erfassung einer Bewegung wenigstens einer Sensoreinheit
und die Herzbewegungssignale durch an den Sensoreinheiten ermittelte
elektrische Parameter bestimmt. Hierbei dient wenigstens eine Sensoreinheit
sowohl als Elektrode zur Ermittlung eines elektrischen Parameters
als auch als Referenzpunkt zur Bestimmung einer Körperbewegung.
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Erfindungsgemäß können die
Sensoreinheiten eine Elektrodenzone aus elektrisch leitendem Material
zur Herstellung von Kontakt mit der Haut umfassen, welche derart
ausgebildet sind, dass sie als EKG-Elektroden zur Bestimmung eines
EKG-Signals verwendbar
sind und eines der elektrischen Sensordatensignale ein EKG-Signal
ist. Ein Herzbewegungssignal wird bei dieser Ausführungsform
der Sensoreinheiten dann von der Bewegungsauswerteeinrichtung anhand
des EKG-Signals bestimmt. Bevorzugt können hierzu die erfindungsgemäßen EKG-Elektroden
eingesetzt werden.
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Wie
aus dem Bereich der intensivmedizinischen Betreuung von Patienten
bekannt ist, weist ein typisches EKG-Signal eine Amplitudenmodulation auf,
welche durch eine Abhängigkeit
von der Atmung des Patienten gekennzeichnet ist. In einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
kann damit die Bewegungsauswerteeinrichtung auch ein Atembewegungssignal
anhand eines als EKG-Signal vorliegenden Sensordatensignals bestimmen.
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Wie
das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel
zeigt, können
bereits mit einer Art von Sensorsignal gleichzeitig Informationen über verschiedene
Bewegungsarten von den Sensoreinheiten an die Sensorschnittstelle übermittelt
werden. Andererseits können
die Sensoreinheiten auch über
verschiedene Arten von Sensorsignalen mit der Sensorschnittstelle kommunizieren.
Wesentlich ist, dass eine Art von Sensoreinheiten ausreicht, um
letztlich sowohl Atembewegungssignale als auch Herzbewegungssignale als
auch Körperbewegungssignale
zu erhalten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung sind
die Sensoreinheiten und/oder die Sensorschnittstelle so ausgebildet,
dass zumindest ein Teil der Sensorsignale drahtlos von den Sensoreinheiten
zur Sensorschnittstelle übermittelt
wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung enthalten
die Sensoreinheiten und die Sensorschnittstelle jeweils Spulenanordnungen.
Die Sensorschnittstelle kann dabei mit einer Spulenanordnung ein
zeitlich nicht konstantes Magnetfeld erzeugen, welches eine Spannung
an den Anschlüssen
der in den Sensoreinheiten befindlichen Spulenanordnung induziert.
Mit dieser Spannung können
in der Sensoreinheit vorhandene Einrichtungen, beispielsweise elektrische
Schaltkreise, mit elektrischer Energie versorgt werden. Entsprechend
lassen sich Kabelverbindungen zu den Sensoreinheiten, welche der Spannungsversorgung
dienen, vermeiden, wodurch sich in vorteilhafter Weise die Handhabung
der Sensoreinheiten in der medizinischen Praxis vereinfacht. Zusätzlich ist
es möglich,
dass eine Sensorein heit ein Sensorsignal an die Sensorschnittstelle überträgt, indem
die Sensoreinheit die Induktivität
der in der Sensoreinheit befindlichen Spulenanordnung in Abhängigkeit
von dem zu übertragenden
Sensorsignal verändert
(sog. „Lastmodulation"). Eine solche Veränderung
kann in der Sensorschnittstelle anhand einer sich verändernden
Leistungsaufnahme detektiert und in ein elektrisches Sensordatensignal
umgewandelt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung umfassen
die Sensoreinheiten und die Sensorschnittstelle jeweils Antennenanordnungen.
Die Sensorschnittstelle kann dabei mit einer Sendeantenne elektromagnetische
Wellen erzeugen, die eine Spannung an den Anschlüssen von Empfangsantennen bewirken,
welche sich in den Sensoreinheiten befinden. Mit dieser Spannung
können
die in der Sensoreinheit vorhandenen Einrichtungen mit elektrischer Energie
versorgt werden, so dass sich wiederum in vorteilhafter Weise Kabelverbindungen
zur Spannungsversorgung der Sensoreinheiten vermeiden lassen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
umfassen die Sensoreinheiten eine Antennenanordnung mit wenigstens
einer Sendeantenne zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen.
Weiterhin enthält
die Sensorschnittstelle eine Antennenanordnung mit wenigstens einer
Empfangsantenne zum Empfang von elektromagnetischen Wellen. Die
Sensorschnittstelle ist dabei so ausgebildet, dass sie aus den von
den Sensoreinheiten abgestrahlten elektromagnetischen Wellen elektrische
Sensordatensignale bestimmen kann. Die Bewegungsauswerteeinrichtung
ermittelt aus diesen elektrischen Sensordatensignalen dann Bewegungssignale.
Der erste Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, dass die Übertragung
der Sensorsignale von den Sensoreinheiten an die Sensorschnittstelle drahtlos,
beispielsweise mit „Bluetooth"-Technik, erfolgen
kann, wodurch sich die Handhabung der Sensoreinheiten vereinfacht.
In Verbindung mit einer drahtlosen Energieversorgung können Sensoreinheiten
bereitgestellt werden, welche ohne jegliche Kabel verbindung betrieben
werden. Der zweite Vorteil dieser Ausführungsform ergibt sich, wenn
die von den Sensoreinheiten ausgesandten elektromagnetischen Wellen
ausgewertet werden, um die räumliche Lage
der Sensoreinheiten zu ermitteln. Aus der räumlichen Lage lässt sich
zum einen ein Körperbewegungssignal
bestimmen. Zum anderen kann bei einer ausreichend genauen räumlichen
Auflösung, beispielsweise
durch Erfassung der Brustkorbbewegungen, ein Atembewegungssignal
abgeleitet werden. Die Antennenanordnung der Sensorschnittstelle kann
dabei mehr als eine Empfangsantenne umfassen, wodurch bei entsprechender
Anordnung und Auswertung eine verbesserte räumliche Auflösung erfolgen
kann. Die für
eine Bestimmung einer räumlichen
Lage einer Sendeantenne notwendigen Auswertungen der elektromagnetischen
Wellen sind den Experten des Fachgebietes bekannt. Beispielsweise können Phasenverschiebungen
betrachtet werden, um einen Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne
zu ermitteln.
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In
vorteilhafter Weise kann eine Sensoreinheit eine Antennenanordnung
umfassen, welche elektromagnetische Wellen in wenigstens zwei voneinander
verschiedenen Achsen abstrahlt. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit bei
der Bestimmung der räumlichen
Lage der Sensoreinheiten verbessern. Alternativ oder zusätzlich kann
bei einer derartigen Antennenanordnung die Antennenanordnung in
der Sensorschnittstelle eine einfachere Ausführungsform erhalten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung umfasst
wenigstens eine Sensoreinheit einen Sender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen.
Weiterhin verfügt
die Sensorschnittstelle über
eine Einrichtung zum Empfang von Ultraschallwellen und kann elektrische
Sensordatensignale aus den Ultraschallwellen bestimmen. Aus diesen
elektrischen Sensordatensignalen werden von der Bewegungsauswerteeinrichtung
Bewegungssignale ermittelt. Hierbei ist es insbesondere denkbar,
dass aus den Eigenschaften der Ultraschallwellen, beispielsweise
deren Signallaufzeit, die räumliche
Lage der Sensoreinheiten bestimmt wird. Daraus las sen sich dann
wiederum Körperbewegungs-
und gegebenenfalls Atembewegungssignale ableiten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann die Bewegung der Sensoreinheiten durch eine optische
Verfolgung der Sensoreinheiten ermittelt werden. Dazu sind die Sensoreinheiten durch
eine charakteristische Markierung und/oder Formgebung so gekennzeichnet,
dass sie durch eine entsprechende Einrichtung der Sensorschnittstelle mit
optischen Mitteln erkannt werden können. Die Sensorsignalübermittlung
ist hier also als eine besondere Form einer optischen Signalisierung
zu verstehen, bei der eine Bewegung der Sensoreinheit selbst als
Signal aufzufassen ist. Die Bewegungsauswerteeinrichtung wird damit
in die Lage versetzt, aus einer mit optischen Mitteln ermittelten
Bewegung wenigstens einer Sensoreinheit Atembewegungssignale und/oder
Körperbewegungssignale
zu bestimmen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung umfasst
wenigstens eine Sensoreinheit Einrichtungen zur Erzeugung eines
Magnetfeldes. Weiterhin verfügt
die Sensorschnittstelle über
eine Einrichtung zum Empfang von Magnetfeldern als eine besondere Form
von Sensorsignalen. Die Sensorschnittstelle kann entsprechend elektrische
Sensordatensignale aus den von den Sensoreinheiten erzeugten Magnetfeldern
bestimmen. Aus diesen elektrischen Sensordatensignalen werden von
der Bewegungsauswerteeinrichtung Bewegungssignale ermittelt.
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In
vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Bewegungsdetektionseinrichtung
wenigstens eine Sensoreinheit umfassen, welche als Elektrode ausgebildet
ist. Zusammen mit einer weiteren Elektrode ergibt sich ein Kondensator.
Diese weitere Elektrode kann dabei beispielsweise ein Bestandteil der
Bewegungsdetektionseinrichtung oder ein Bestandteil eines bildgebenden
Systems sein. Eine Bewegung des Patienten wirkt sich auf die Kapazität des Kondensators
aus. Über
eine Einrichtung zur Messung von Kapazitäten als eine weitere Form eines
Sen sorsignals kann die Sensorschnittstelle elektrische Sensordatensignale
bestimmen, welche eine Abhängigkeit
von der Bewegung des Patienten aufweisen. Von der Bewegungsauswerteeinrichtung werden
dann aus diesen elektrischen Sensordatensignalen Bewegungssignale
ermittelt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Bewegungsdetektionseinrichtung
eine Eingabeeinrichtung zur Anpassung von Parametern. Diese Eingabeeinrichtung
ist derart ausgebildet, dass sie die Eigenschaften wenigstens eines
der Bewegungssignale in Abhängigkeit
von den Parametern verändert.
Eine derartige Eingabeeinrichtung erlaubt es beispielsweise, die
Eigenschaften der Bewegungsdetektionseinrichtung in vorteilhafter
Weise an die spezifischen Eigenschaften eines bildgebenden Systems
anzupassen. Falls zum Beispiel ein Bewegungssignal in digitaler
Form die Zeitbereiche erhöhter
und geringerer Bewegung anzeigt, so lässt sich über eine entsprechende Eingabeeinrichtung
ein Schwellwert einstellen, der definiert, ab welcher Bewegungsstärke ein Zeitbereich
erhöhter
Bewegung angezeigt werden soll. Bei bildgebenden Systemen mit sehr
kurzen Bilddatenaufnahmezeiten könnte
hierbei der Schwellwert beispielsweise so gewählt werden, dass nur bei sehr
starken Bewegungen ein Zeitbereich erhöhter Bewegung durch das Bewegungssignal
angezeigt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung kann
die Bewegungsauswerteeinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie
für wenigstens
eines der Bewegungssignale einen Mittelwert für einen festen und/oder variablen
Zeitraum bestimmt. Eine solche Mittelwertbildung kann beispielsweise
eingesetzt werden, um in vorteilhafter Weise zu vermeiden, dass
temporäre
Abweichungen der ansonsten regelmäßigen Herz- oder Atembewegungen
einen Einfluss auf die Steuerung eines bildgebenden Systems haben.
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Ein
bildgebendes System zur Erzeugung von Patientenbilddaten mit einer
erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung kann
eine Steuereinrichtung umfassen, welche derart ausgebildet ist, dass
sie einen Bilddatenaufnahmevorgang in Abhängigkeit von wenigstens einem
der Bewegungssignale steuert. So kann zum Beispiel durch Auswertung
eines Herzbewegungssignals und/oder eines Atembewegungssignals vorab
bestimmt werden, in welchen Zeitabschnitten sich der aufzunehmende
Körperbereich
weitgehend in Ruhe oder aber auch in bestimmten Bewegungszuständen befinden
wird. Entsprechend kann dadurch ein Bilddatenaufnahmevorgang gesteuert
werden, d.h. beispielsweise nur in den vorab bestimmten Zeitabschnitten
mit geringer Bewegung zugelassen werden („Gating"). Ebenso könnte, wenn ein Körperbewegungssignal
eine erhöhte
Bewegung anzeigt, das bildgebende System spontan den Aufnahmevorgang
anhalten, um zu vermeiden, dass Patientenbilddaten erzeugt werden,
die Bewegungsartefakte aufweisen.
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Weiterhin
kann ein bildgebendes System mit einer erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
eine Steuereinrichtung umfassen, welche einen zeitlichen Abstand
zwischen einem Bilddatenaufnahmevorgang und einer Übermittlung
der Sensorsignale von den Sensoreinheiten zur Sensorschnittstelle
bewirkt. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die
Röntgenimpulse
eines Bilddatenaufnahmevorgangs nicht während der Übermittlung der Sensorsignale
ausgesandt werden. In vorteilhafter Weise wird damit vermieden,
dass die Röntgenimpulse
die Sensorsignale nachteilig beeinflussen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
eines bildgebenden Systems mit einer erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung
umfasst das bildgebende System eine Korrektureinrichtung, welche derart
ausgebildet ist, dass sie die Bilddaten in Abhängigkeit von wenigstens einem
der Bewegungssignale bearbeitet. Hierbei lassen sich beispielsweise Bilddaten,
die in Zeitabschnitten erhöhter
Bewegung erzeugt wurden, ausschließen, so dass diese nicht mehr
Gegenstand der Untersuchung des Patienten sind. Des Weiteren kann
die Korrektureinrichtung beispielsweise eine Patientenbewegung durch
eine entsprechende räumliche
Verschiebung der Bilddaten kompensie ren. Die Korrektureinrichtung
kann hierbei „online" arbeiten, d.h. die
Bilddaten bereits während
des Aufnahmevorgangs korrigieren. Alternativ oder zusätzlich ist
es denkbar, dass eine Korrektur erst nach Abschluss des Aufnahmevorgangs stattfindet,
d.h. „offline" oder „retrospektiv".
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Ein
therapeutisches System, welches eine erfindungsgemäße Bewegungsdetektionseinrichtung umfasst,
kann durch eine Steuereinrichtung gekennzeichnet sein, welche derart
ausgebildet ist, dass sie einen Therapievorgang in Abhängigkeit
von wenigstens einem der Bewegungssignale steuert. Ein solches therapeutisches
System ist insbesondere bei so genannten Therapiestrahlern von Vorteil,
beispielsweise bei Röntgen-
oder Ionenstrahlern, welche zur Krebsbehandlung eingesetzt werden.
Mit Hilfe der Bewegungssignale kann ein solcher Therapiestrahler derart
gesteuert werden, dass er bei zu starken Patientenbewegungen den
Bestrahlungsvorgang unterbricht oder aber den Therapiestrahl entsprechend den
Patientenbewegungen nachführt.
Auch kann bei einer periodischen Bewegung die Bestrahlung nur in bestimmten
Zeitabschnitten erfolgen, welche aus periodischen Bewegungssignalen
bestimmbar sind. Hierbei kann insbesondere vermieden werden, dass gesundes
Körpergewebe
einer zu hohen Bestrahlung ausgesetzt wird.
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Das
erfindungsgemäße Bewegungsdetektionsverfahren
kann in vorteilhafter Weise bei bildgebenden Verfahren zur Erzeugung
von Patientenbilddaten angewandt werden. Dazu werden in einem ersten
Schritt Sensoreinheiten am Patienten angebracht. Anschließend findet
eine Kalibrierung der räumlichen
Lage der Sensoreinheiten statt, wodurch eine Referenzlage der Sensoreinheiten
zu Beginn des Bilddatenaufnahmevorgangs festgelegt wird. Der sich
anschließende
Bilddatenaufnahmevorgang wird dann in Abhängigkeit von den Bewegungssignalen gesteuert,
d.h. er wird beispielsweise unterbrochen, falls die Bewegungssignale
eine zu starke Abweichung von der Referenzlage anzeigen. Alternativ
ist es denkbar, dass Bilddatenaufnahmen nur in bestimmten Zeitabschnitten
einer periodischen Bewegung erfolgen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
eines bildgebenden Verfahrens wird nach der Kalibrierung der räumlichen
Lage der Sensoreinheiten ein Bilddatenaufnahmevorgang durchgeführt. Die
dabei entstandenen Patientenbilddaten werden in Abhängigkeit
von den Bewegungssignalen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionsverfahren
bestimmt wurden, korrigiert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren
anhand von Ausführungsbeispielen
noch einmal näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines bildgebenden Systems mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Bewegungsdetektionseinrichtung,
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2 eine
erfindungsgemäße EKG-Elektrode
mit einer Spulenanordnung,
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3 eine
erfindungsgemäße EKG-Elektrode
mit einer Antennenanordnung,
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4 ein
Beispiel für
ein EKG-Signal und eine Atembewegungs-Hüllkurve,
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5 den
zeitlichen Verlauf verschiedener digitaler Steuersignale, wie sie
bei der erfindungsgemäßen Steuerung
eines Bilddatenaufnahmevorgangs auftreten können.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines bildgebenden Systems 9 mit
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Bewegungsdetektionseinrichtung 1. Die Sensoreinheiten 2 sind
am Körper
eines Patienten P befestigt und übertragen
Sensorsignale 5, welche eine Abhängigkeit von den Atem-, Herz-
und Körperbewegungen
des Patienten P aufweisen. Die Übertragung
der Sensorsignale 5 an die Sensorschnittstelle 3 kann
entweder über
eine Kabelverbindung oder eine drahtlose Verbindung erfolgen, wobei
in 1 beide Übertragungsmöglichkeiten
dargestellt werden. Eine Antennenanordnung 8 dient dabei
dem Empfang der drahtlos übertragenen
Sensorsignale 5. Die Sensorschnittstelle 3 bestimmt
aus den Sensorsignalen 5 elektrische Sensordatensignale 6 und
leitet diese an die Bewegungsauswerteeinrichtung 4 weiter,
welche aus den elektrischen Sensordatensignalen 6 Bewegungssignale 7 ermittelt.
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In
der hier gezeigten Ausführungsform
werden die Bewegungssignale 7 auf einem Datenbus 17 bereitgestellt.
Eine Modalitätenschnittstelle 11 greift auf
den Datenbus 17 zu und leitet die Bewegungssignale 7 an
das bildgebende System 9 weiter. Das bildgebende System 9 kann
damit auf Atem-, Herz- und Körperbewegungen
reagieren, also beispielsweise einen Bilddatenaufnahmevorgang unterbrechen,
falls die Bewegungssignale 7 eine zu starke Bewegung des
Patienten P anzeigen. Auch kann ein Bilddatenaufnahmevorgang durch
die Bewegungssignale 7 ausgelöst werden. Eine Kalibrationseinrichtung 10 dient
insbesondere dazu, die Bewegungsdetektionseinrichtung 1 für eine räumliche
Referenzlage der Sensoreinheiten 2 zu eichen, so dass beispielsweise
Bewegungssignale 7, welche Körperbewegungen repräsentieren,
relativ zur räumlichen
Referenzlage angegeben werden können.
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Weiterhin
zeigt 1 eine Benutzerschnittstelle 12, an die
beispielsweise Eingabegeräte
wie ein Zeigegerät 14,
z.B. eine „Maus", oder eine Tastatur 15 sowie
Ausgabegeräte,
z.B. ein Bildschirm 13, angeschlossen sind. Über eine
solche Benutzerschnittstelle kann das medizinische Personal beispielsweise
Schwellwerte für
Bewegungen einstellen, um festzulegen, ab welcher Stärke einer
Patientenbewegung ein bildgebendes System eine Bilddatenaufnahme
unterbrechen soll. Ebenfalls denkbar ist, dass über den Bildschirm 13 beispielsweise EKG-Signale
und die zugehörigen
Herzbewegungssignale ausgeben werden, wodurch sich für das medizinische
Personal eine Möglichkeit
zur Kontrolle der Eigenschaften der Bewegungsdetektionseinrichtung 1 ergibt.
Andere Anwendungsmöglichkeiten
der Be nutzerschnittstelle 12 umfassen die Darstellung der
relativen Körperbewegungen
auf dem Bildschirm 13 oder die Ausgabe eines Kurvenverlaufs,
welcher die Atembewegungen des Patienten P repräsentiert.
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Des
Weiteren zeigt 1 eine Datenspeichereinrichtung 16,
welche beispielsweise eingesetzt werden kann, um Bewegungssignale 7 zu
speichern, wodurch beispielsweise eine Berechnung von gleitenden
Mittelwerten für
Bewegungssignale 7 ermöglicht
wird. Auch ist es denkbar, dass in einer Datenspeichereinrichtung 16 bevorzugte
Parameter für
ein spezifisches bildgebendes System 9 gespeichert werden.
Darüber
hinaus ist eine Spannungsversorgungseinrichtung 18 dargestellt,
welche die einzelnen Einrichtungen der Bewegungsdetektionseinrichtung 1 mit
elektrischer Spannung versorgt.
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Nicht
näher dargestellt
ist die Ausführung
der Kabelverbindung zwischen den Sensoreinheiten 2 und
der Sensorschnittstelle 3. Aus sicherheitstechnischen Gründen wird
hier für
eine galvanische Trennung von Spannungen gesorgt, welche den Patienten
gefährden
könnten.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
einer solchen galvanischen Trennung wäre eine hier nicht näher dargestellte
optische Entkopplung zwischen den Sensoreinheiten 2 und der
Sensorschnittstelle 3. Ebenfalls nicht näher ausgeführt sind
Vorrichtungen zur Abschirmung der Bewegungsdetektionseinrichtung 1,
insbesondere der Sensorsignale 5, gegenüber magnetischen oder elektrischen
Feldern. An dieser Stelle wäre
beispielsweise die Verwendung von Nanopartikeln denkbar, um eine
magnetische Abschirmung zu erzielen.
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Die
Sensorschnittstelle 3 kann auch eine Antennenanordnung
zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen umfassen, beziehungsweise
die dargestellte Antennenanordnung 8 kann sowohl zum Empfang
als auch zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen eingesetzt werden.
Darüber
hinaus kann eine Modalitätenschnittstelle 11 ggf.
entfallen, falls die Bewegungsdetektionseinrichtung 1 in
das bildgebende System 9 integriert wird.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße EKG-Elektrode 30 mit
einer in die EKG-Elektrode 30 integrierten Spulenanordnung 32.
Eine Elektrodenzone 31 aus elektrisch leitendem Material
dient der Herstellung eines elektrischen Kontakts mit Haut des Patienten
P. Bei Vorliegen eines sich zeitlich verändernden Magnetfeldes wird
in der in die EKG-Elektrode 30 integrierten Spulenanordnung 32 eine
Spannung induziert, welche die an die Spulenanordnung angeschlossene
Empfangs- und Sendeeinrichtung 33 mit elektrischer Energie
versorgt. Die Empfangs- und Sendeeinrichtung dient hier auch zur
Signalvorverarbeitung. Die Spulenanordnung 32 ist hier
lediglich in schematischer Form wiedergegeben. Praxisnahe Ausführungsformen
der Spulenanordnung 32 können eine Vielzahl an Windungen
enthalten und müssen
nicht notwendigerweise eine Kreisform annehmen.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße EKG-Elektrode 40 mit
einer in die EKG-Elektrode integrierten Antennenanordnung 42 und
einer Empfangs- und Sendeeinrichtung 43, welche wiederum auch
zur Signalvorverarbeitung dient. Eine Elektrodenzone 41 aus
elektrisch leitendem Material dient der Herstellung eines elektrischen
Kontakts mit Haut des Patienten P. Die dargestellte Antennenanordnung 42 ist
dabei so ausgeführt,
dass sie elektromagnetische Wellen bevorzugt in drei verschiedenen Richtungen
x, y und z abstrahlen und/oder bevorzugt aus drei verschiedenen
Richtungen x, y und z empfangen kann. Wird eine solche Antennenanordnung 42 in
einer Sensoreinheit 2 einer Bewegungsdetektionseinrichtung 1 eingesetzt,
so wird eine einfache Ortung, d.h. räumliche Lokalisierung, der
Sensoreinheit 2 erreicht. Entsprechend einfach ist damit
die Bestimmung von Bewegungssignalen 7 durch eine Erfassung
von Bewegungen der Sensoreinheiten 2.
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Die Übertragung
der Energie und/oder der Signale erfolgt bei den vorgenannten Beispielen
bevorzugt mit üblichen
Transpondertechniken bzw. RFID-Techniken.
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4 zeigt
ein Beispiel für
ein typisches EKG-Signal 51 mit mehreren Herzzyklen 53 für den Zeitraum
eines einzelnen Atemzyklus 52. Es lässt sich erkennen, dass die
Amplitude des EKG-Signals 51 durch die Atembewegung des
Patienten P moduliert wird. Entsprechend kann aus einem EKG-Signal 51 eine
Atembewegungs-Hüllkurve 56 bestimmt
werden. Anhand einer solchen Atembewegungs-Hüllkurve 56 kann eine
erfindungsgemäße Bewegungsauswerteeinrichtung 4 ein
Atembewegungssignal 55 bestimmen, welches, wie in 4 gezeigt,
die Atembewegung des Patienten durch ein digitales Signal repräsentiert.
Ebenfalls wird in 4 ein Herzbewegungssignal 54 dargestellt,
welches die Herzbewegungen des Patienten durch ein digitales Signal
repräsentiert.
Die Zeitpunkte, zu denen ein digitales Herzbewegungssignal 54 oder
ein digitales Atembewegungssignal 55 von einem ersten auf
einen zweiten Signalpegel wechselt, können dabei in einer erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung 1 gegebenenfalls
durch das medizinische Personal modifiziert werden, um beispielsweise
eine Anpassung an die Eigenschaften eines bildgebenden Systems 9 vorzunehmen.
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Mit
der in 4 erläuterten
Ableitung eines Atembewegungssignals 55 aus einem Herzbewegungssignal 54 wird
offensichtlich, dass bereits Sensoreinheiten 2, die gemäß 3 ausgebildet
sind, ausreichend sind, um eine erfindungsgemäße simultane Erfassung von
Atem-, Herz- und Körperbewegungen
eines Patienten zu ermöglichen.
Dabei kann eine Verkabelung zwischen den Sensoreinheiten 2 und
der Sensorschnittstelle 3 vermieden werden. Damit lassen
sich kostengünstige
Sensoreinheiten realisieren, die zudem in der medizinischen Praxis
einen hohen Patientendurchsatz ermöglichen.
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5 stellt
den zeitlichen Verlauf verschiedener digitaler Steuersignale dar,
wie sie bei der erfindungsgemäßen Steuerung
eines Bilddatenaufnahmevorgangs auftreten können. Ein erstes Steuersignal 61 bewirkt
dabei durch einen hohen Signalpegel beispielsweise ein Auslesen
derjenigen Sensorsignale 5, welche eine Abhängigkeit
von den Körperbewegungen
des Patienten P aufweisen. Ein zweites Steuersignal 62 bewirkt
hier durch einen hohen Signalpegel das Auslesen derjenigen Sensorsignale 5, welche
eine Abhängigkeit
von den Herzbewegungen des Patienten P aufweisen. Weiterhin dargestellt
ist ein drittes Steuersignal 63, welches bei einem hohen Signalpegel
einen Bilddatenaufnahmevorgang aktiviert, also beispielsweise das
Aussenden eines Röntgenimpulses
in einem Computertomographen. Schließlich zeigt 5 noch
ein viertes Steuersignal 64, welches bei einem hohen Signalpegel
einen Bilddatenaufnahmevorgang abschließt, beispielsweise durch Aktivierung
eines Röntgendetektors,
der sich in einem Computertomographen befindet. Durch eine derart
ausgestaltete getaktete Steuerung eines bildgebenden Systems 9 mit
einer erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionseinrichtung 1 wird
in vorteilhafter Weise erreicht, dass sich die verschiedenen Signale
gegenseitig nicht nachteilig beeinflussen.
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Die
Umsetzung des erfindungsgemäßen Bewegungsdetektionsverfahrens
kann vollständig
oder teilweise durch Software-Komponenten erfolgen. Beispielsweise
kann eine Bestimmung der elektrischen Sensordatensignale 6 durch
eine Software-Komponente stattfinden. Insbesondere können die
Software-Komponenten auch in einem bildgebenden System 9 ausgeführt werden. Übliche bildgebende
Systeme 9 verfügen über entsprechende
programmierbare Einrichtungen, so dass die Erfindung durch eine
Anpassung und Ergänzung
der vorhandenen Programme des bildgebenden Systems 9 zumindest
teilweise realisierbar ist.
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Ergänzend wird
darauf hingewiesen, dass ein bildgebendes System 9 über weitere
Einrichtungen und Merkmale verfügen
kann, wie z.B. eine Röntgenröhre, eine
Bedienungskonsole oder einen Bilddatenspeicher, welche in 1 jedoch
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt sind.
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Die
Erfindung kann insbesondere bei folgenden Verfahren und Einrichtungen
der Medizintechnik zum Einsatz kommen: Röntgensysteme allgemeiner Art,
angiographische Röntgensysteme,
kardiologische Röntgensysteme,
Computertomographie, Sonographie (einschließlich IVUS), Durchleuchtung, Fluoroskopie,
optische Kohärenztomographie,
Positronen-Emmisionstomographie, „Single Photon Emission Computed"-Tomographie (SPECT),
Kernspintomographie (einschließlich
intravaskularer und kardialer Magnetresonanztomographie), Magnetresonanz-Spektroskopie,
optische Aufnahmen (einschließlich
Endoskopie) und „Molecular
Imaging".
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Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend
beschriebenen Einrichtungen, EKG-Elektroden
und Verfahrensabläufen
um Ausführungsbeispiele
handelt, welche von Experten des Fachgebiets in verschiedenster
Weise modifiziert werden können,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.