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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Gerätes einer Einrichtung, insbesondere zur möglichst bewegungsartefaktfreien Erzeugung von Bildern von einem durch die Herzaktivität eines Patienten bewegten Gewebe des Patienten und/oder zur Strahlentherapie eines durch die Herzaktivität eines Patienten bewegten Gewebes des Patienten. Die Erfindung betrifft außerdem die Einrichtung mit dem medizinischen Gerät und mit einer Recheneinrichtung zur Ausführung des Verfahrens sowie einen Datenträger, der ein das Verfahren umsetzendes Rechenprogramm aufweist.
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Bei der Untersuchung eines Gewebes eines Patienten mit einem bildgebenden Gerät, z.B. mit einem Röntgencomputertomographiegerät wird eine Vielzahl von 2D-Röntgenprojektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen von dem Gewebe zumeist unter Vorschub des Gewebes bzw. des Patienten relativ zum Röntgenaufnahmesystem des Röntgencomputertomographen aufgenommen. Ziel der Untersuchung ist die Erzeugung qualitativ hochwertiger und aussagekräftiger Bilder von dem Gewebe basierend auf den 2D-Röntgenprojektionen, welche Bilder häufig die Grundlage für eine medizinische Diagnose bilden.
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Wird ein Gewebe im Bereich des Torsos des Patienten untersucht, sollte bei der Erzeugung von Bildern von dem Gewebe auch die durch die Herzaktivität des Patienten hervorgerufene Bewegung des Gewebes berücksichtigt werden, um hochwertige Bilder von dem Gewebe erhalten zu können, die frei von Bewegungsartefakten sind.
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So ist man beispielsweise bei der Bildgebung vom Herzen selbst als dem zu untersuchenden Gewebe stets bestrebt, bei der Rekonstruktion von Schichtbildern und 3D-Bildern, welche auf Basis der aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen vom Herzen erfolgt, nur solche 2D-Röntgenprojektionen zu verwenden, welche in der Herzphase des Herzzyklus des Patienten aufgenommen wurden, in der das Herz praktisch keine Bewegung vollzogen hat, um die erwähnten Bewegungsartefakte in den rekonstruierten Schichtbildern und 3D-Bildern vom Herzen zu vermeiden. Zur Ermittlung des Herzzyklus des Herzens des Patienten ist es dabei üblich ein Elektrokardiogramm (EKG) vom Herzen des Patienten aufzuzeichnen.
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Für die Erzeugung von Schichtbildern und 3D-Bildern vom Herzen werden in der Regel über mehrere Herzzyklen hinweg 2D-Röntgenprojektionen vom Herzen unter paralleler Aufzeichnung des Elektrokardiogramms aufgenommen und basierend auf dem Elektrokardiogramm nachher nur die für die Rekonstruktion geeigneten 2D-Röntgenprojektionen ausgewählt, weshalb man auch von einem retrospektiven Verfahren spricht.
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Bei einem alternativen Vorgehen werden ebenfalls über mehrere Herzzyklen 2D-Röntgenprojektionen vom Herzen gewonnen, allerdings basierend auf einem parallel aufgezeichneten Elektrokardiogramm nur dann, wenn sich das Herz in einer Herzphase befindet, zu der es praktisch keine Bewegung vollzieht. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Patient einer geringeren Dosis an Röntgenstrahlung ausgesetzt wird.
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Weist der Patient eine niedrige und gleichmäßige Herzfrequenz bzw. einen gleichmäßigen Herzzyklus, z.B. unter 60 bpm (beats per minute) auf, kann durch die Analyse des RR-Intervalls im EKG ein verhältnismäßig kurzer zeitlicher Bereich um die ca. 60%-Position des RR-Intervalls identifiziert werden, in dem z.B. pro Herzzyklus 2D-Röntgenprojektionen aufgenommen werden. In diesem Zusammenhang spricht man auch von der Festlegung eines sogenannten „Pulsing-Windows“, also eines Zeitfensters, in dem Röntgenstrahlung appliziert wird. Hier ist zumeist die Ruhephase des Herzens am wahrscheinlichsten. Ist die Annahme richtig, so wird dem Patienten eine niedrige Dosis an Röntgenstrahlung für die Gewinnung von 2D-Röntgenprojektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen appliziert, die für die Rekonstruktion von Bildern vom Herzen erforderlich ist. Zugleich wird eine hohe Bildqualität erreicht.
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DE 42 10 122 C1 offenbart eine Röntgendiagnostikanordnung mit einem Röntgenapparat, der zur Darstellung eines sich bewegenden Objektes eine gepulste Röntgenstrahlung abgibt, deren Impulsdauer einstellbar ist, wobei ein die Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes detektierender Sensor vorgesehen ist.
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DE 10 2006 011 255 A1 offenbart eine multimodale bildgebende medizinische Untersuchungseinrichtung, umfassend eine Röntgeneinrichtung und einen in ein Hohlorgan einzuführenden Katheter mit einer spitzenseitig vorgesehenen Bildaufnahmeeinrichtung und einer Arbeitseinrichtung, wobei eine gemeinsame, den Betrieb sowohl der Röntgeneinrichtung als auch der katheterseitigen Bildaufnahmeeinrichtung und der Arbeitseinrichtung steuernde Steuerungseinrichtung vorgesehen ist.
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DE 28 13 830 A1 offenbart eine Anordnung zum Herstellen von Herzaufnahmen mit Kathoden-Strahlabtastung, aufweisend eine Kathodenstrahl-Abtasteinrichtung zum Erzeugen und Aufspeichern von Bilddaten und zum Aufbau eines tomographischen Bildes aus diesen Daten und eine Einrichtung zum Erzeugen eines sich wiederholenden Impulssignales.
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DE 160 573 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Röntgenaufnahmen von Körperorganen, wobei eine vom Herzschlag abhängige Größe am Körper abgenommen und über eine einstellbare Verzögerungseinrichtung zur Einstellung des Röntgenapparates verwendet wird.
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DE 10 2005 059 210 A1 offenbart eine radiotherapeutische Vorrichtung mit einer radiotherapeutischen Bestrahlungseinheit und einer Bildgebungseinheit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Einrichtung und einen Datenträger der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass der Betrieb eines medizinischen Gerätes auf alternative Art und Weise gesteuert werden kann.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Gerätes einer Einrichtung aufweisend eine Befestigungsvorrichtung zur Anbringung an der Brust eines Patienten, welche wenigstens einen elektromechanischen Sensor aufweist, eine Signalauswertevorrichtung, welcher die mit dem wenigstens einen elektromechanischen Sensor erzeugten Messsignale zur Auswertung zugeführt werden, und das medizinische Gerät, welches mit der Signalauswertevorrichtung verbunden ist, bei dem bei an der Brust des Patienten angebrachter Befestigungsvorrichtung mit dem wenigstens einen elektromechanischen Sensor Messsignale aufgenommen werden, welche die Herzaktivität des Patienten betreffen, mit der Signalauswertevorrichtung basierend auf den Messsignalen Triggersignale erzeugt werden, welche den Herzzyklus des Patienten betreffen, und bei dem basierend auf den Triggersignalen der Betrieb des medizinischen Gerätes gesteuert wird, wobei bei dem Verfahren die Messsignale mittels einer Fourier- und/oder Wavelet-Analyse von der Signalauswertevorrichtung ausgewertet werden, um Triggersignale zu erzeugen, die den Herzzyklus des Patienten betreffen, wobei die Auswertung eine Identifikation von denjenigen Messsignalen oder denjenigen Signalanteilen von Messsignalen umfasst, die eine Frequenz aufweisen, die innerhalb einer Frequenzbandbreite von 60 bis 140 Schlägen pro Minute liegt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Verwendung von EKG-Elektroden oft umständlich und für den Patienten unangenehm ist. So muss der Brustbereich zumindest bei männlichen Patienten durch eine partielle Entfernung von Haaren zur Anbringung der EKG-Elektroden erst vorbereitet werden. Zur Anordnung der EKG-Elektroden auf der Haut ist zumeist die Verwendung eines Haftmittels erforderlich. Des Weiteren tritt bei der Verwendung von EKG-Elektroden eine gewisse Abhängigkeit der EKG-Signale in Bezug auf die individuelle Impedanz der Haut des Patienten auf.
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Es wird daher vorgeschlagen, auf EKG-Elektroden zu verzichten und stattdessen wenigstens einen elektromechanischen Sensor an einer Befestigungsvorrichtung anzuordnen oder in dieser zu integrieren, die in einfacher Weise an der Brust eines Patienten angebracht werden kann. Mit dem elektromechanischen Sensor der Befestigungsvorrichtung können durch die Herzaktivität hervorgerufene Bewegungen des Brustkorbs des Patienten in Folge von Druckausübung auf den elektromechanischen Sensor registriert und entsprechende Messsignale erzeugt werden, die die Herzaktivität des Patienten betreffen, charakterisieren bzw. kennzeichnen. Mit aus den Messsignalen abgeleiteten Triggersignalen kann schließlich der Betrieb eines medizinischen Gerätes gesteuert bzw. beeinflusst werden.
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Insbesondere werden die Messsignale bzw. die Signalanteile der Messsignale inklusive ihrer Signalenergie identifiziert, deren Frequenz innerhalb der Frequenzbandbreite liegt, die einem menschlichen Herzen zugeordnet ist (ca. 60 bis 140 Schläge pro Minute). Ziel ist eine qualitativ hochwertige Erfassung des Herzzyklus des Patienten inklusive des QRS-Komplexes, um geeignete Triggersignale zur Steuerung des medizinischen Gerätes ableiten zu können.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das medizinische Gerät ein bildgebendes medizinisches Gerät ist, wobei basierend auf den Triggersignalen mit dem bildgebenden medizinischen Gerät Bildinformationen von dem Patienten, insbesondere im Bereich der Brust, speziell vom Herzen des Patienten aufgenommen werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das medizinische Gerät ein Strahlentherapiegerät, wobei die Strahlenbehandlung eines Gewebes des Patienten basierend auf den Triggersignalen gesteuert wird.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Einrichtung aufweisend eine Befestigungsvorrichtung zur Anbringung an der Brust eines Patienten, welche wenigstens einen elektromechanischen Sensor aufweist, eine Signalauswertevorrichtung, welcher die mit dem wenigstens einen elektromechanischen Sensor erzeugten Messsignale zur Auswertung zuführbar sind, ein medizinisches Gerät, welches mit der Signalauswertevorrichtung verbunden ist, und eine Recheneinrichtung, welche ein Rechenprogramm umfasst, welches eines der vorstehend beschriebenen Verfahren umsetzt.
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Nach einer Variante der Erfindung ist die Befestigungsvorrichtung als Gurt zur Anbringung an der Brust des Patienten ausgeführt. Ein solcher Gurt ist in der Regel elastisch, um einen guten Kontakt des elektromechanischen Sensors mit der Körperoberfläche des Patienten zu gewährleisten.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung kann es sich bei dem wenigstens einen elektromechanischen Sensor der Befestigungsvorrichtung um einen piezoelektrischen Sensor oder um einen EMFi-Sensor (Elektromechanischer Film-Sensor) handeln.
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Das medizinische Gerät kann ein Computertomographiegerät, ein C-Bogen-Röntgengerät, ein PET-Gerät, ein SPECT-Gerät, ein Magnetresonanzgerät oder ein Strahlentherapiegerät sein.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen Datenträger, der ein Rechenprogramm aufweist, welches eines der vorstehend beschriebenen Verfahren umsetzt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein medizinisches Gerät in Form eines Computertomographiegeräts und
- 2 ein medizinisches Gerät in Form eines Strahlentherapiegerätes
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu. Bei den medizinischen Geräten handelt es sich im Falle der vorliegenden Ausführungsbeispiele der Erfindung um ein Computertomographiegerät und ein Strahlentherapiegerät, auf die im Folgenden und ohne Einschränkung der Allgemeinheit nur insoweit eingegangen wird, als es zum Verständnis der Erfindung für erforderlich erachtet wird.
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Das in 1 gezeigte Computertomographiegerät 1 umfasst eine Gantry 2 mit einem stationären Teil 3 und mit einem schematisch angedeuteten, um eine Systemachse 5 rotierbaren Teil 4, der mittels eines in 1 nicht dargestellten Lagers drehbar gegen das stationäre Teil 3 gelagert ist. Der rotierbare Teil 4 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ein Röntgensystem auf, welches eine Röntgenstrahlenquelle 6 und einen Röntgenstrahlendetektor 7 umfasst, die an dem rotierbaren Teil 4 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im Betrieb des Computertomographiegerätes 1 geht von der Röntgenstrahlenquelle 6 Röntgenstrahlung 8 in Richtung des Röntgenstrahlendetektors 7 aus, durchdringt ein Messobjekt und wird vom Röntgenstrahlendetektor 7 in Form von Detektormessdaten bzw. Detektormesssignalen erfasst.
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Das Computertomographiegerät 1 weist des Weiteren eine Patientenliege 9 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten P auf. Die Patientenliege 9 umfasst einen Liegensockel 10, an dem eine zur eigentlichen Lagerung des Patienten P vorgesehene Patientenlagerungsplatte 11 angeordnet ist. Die Patientenlagerungsplatte 11 ist derart relativ zu dem Liegensockel 10 in Richtung der Systemachse 5 motorisch verstellbar, dass sie zusammen mit dem Patienten P in die Öffnung 12 der Gantry 2 zur Aufnahme von 2D-Röntgenprojektionen von dem Patienten P, z. B. in einem Spiralscan, eingeführt werden kann.
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Die rechnerische Verarbeitung der mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen bzw. die Rekonstruktion von Schichtbildern, 3D-Bildern oder eines 3D-Datensatzes basierend auf den Detektormessdaten bzw. den Detektormesssignalen der 2D-Röntgenprojektionen erfolgt mit einem schematisch dargestellten Bildrechner 13 des Computertomographiegerätes 1.
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Das Computertomographiegerät 1 weist außerdem eine Rechenvorrichtung 14 auf, mit der Rechenprogramme zur Bedienung und Steuerung des Computertomographiegerätes 1 ausführbar sind und ausgeführt werden. Die Rechenvorrichtung 14 muss dabei nicht als separate Rechenvorrichtung 14 ausgebildet, sondern kann auch in das Computertomographiegerät 1 integriert sein.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in die Rechenvorrichtung 14 ein Rechenprogramm 15 geladen, welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Computertomographiegerätes 1 umsetzt. Das Rechenprogramm 15 stellt einen speziellen Betriebsmodus für das Computertomographiegerät 1 dar und kann von einem tragbaren Datenträger, z.B. von einer CD 16 oder von einem Memory Stick, oder auch von einem Server 17 über ein Netzwerk 18, welches ein öffentliches als auch ein klinik- bzw. krankenhausinternes Netzwerk sein kann, in die Recheneinrichtung 14 geladen worden sein.
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Der auf der Patientenlagerungsplatte 11 gelagerte Patient P ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Befestigungsvorrichtung in Form eines Gurtes 20 versehen, der dem Patienten P im Bereich seiner Brust angelegt wurde. Der Gurt 20 weist einen elektromechanischen Sensor vorliegend in Form eines piezoelektrischen Sensors 21 auf, der in den Gurt 20 integriert ist. Alternativ kann es sich bei dem elektromechanischen Sensor auch um einen EMFi-Sensor handeln. Bei Anlegung des Gurtes 20 an der Brust wurde darauf geachtet, dass der piezoelektrische Sensor 21 über dem Herzen des Patienten P zu liegen kommt. Der Gurt 20 ist aus einem elastischen Material, welches sicherstellt, dass der Gurt gut an der Körperoberfläche des Patienten P anliegt und somit eine gute Ankopplung des piezoelektrischen Sensors 21 an die Körperoberfläche des Patienten P gewährleistet ist.
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Auf die Aktivität des Herzens des Patienten P zurückzuführende Bewegungen des Brustkorbes des Patienten können demnach dynamisch Druck auf den piezoelektrischen Sensor 21 ausüben, wodurch dieser die Herzaktivität des Herzens des Patienten P charakterisierende bzw. betreffende Messsignale erzeugt.
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Die mit dem piezoelektrischen Sensor 21 erzeugten Messsignale werden einer Signalauswertevorrichtung bzw. einer Recheneinrichtung zugeführt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung bildet die Rechenvorrichtung 14 die Signalauswertevorrichtung.
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Die Rechenvorrichtung 14 wertet die von dem piezoelektrischen Sensor 21 erhaltenen Messsignale aus, wobei sie die Messsignale einer Fourier- und/oder einer Wavelet-Analyse unterzieht, um diejenigen Messsignale bzw. diejenigen Signalanteile von Messsignalen zu identifizieren, die eine für die Herzaktivität typische Signalenergie und eine Frequenz aufweisen, die innerhalb der Frequenzbandbreite liegt, die einem menschlichen Herzen zugeordnet ist (ca. 60 bis 140 Schläge pro Minute).
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Basierend auf der Analyse der Messsignale bzw. der Signalanteile der Messsignale des piezoelektrischen Sensors 21 wird die Aktivität des Herzens des Patienten ermittelt. Idealerweise wird der Herzzyklus des Patienten ermittelt, so dass basierend auf dem ermittelten Herzzyklus Triggerimpulse zur Festlegung eines eingangs erwähnt „Pulsing-Windows“ erzeugt werden können. Auf diese Weise kann z.B. die Aufnahme von Röntgenprojektionen vom Brustbereich, insbesondere vom Herzen des Patienten P gesteuert werden, d.h. dass nur während des durch die Triggerimpulse festgelegten „Pulsing-Windows“ Röntgenprojektionen aufgenommen werden, in dem das Herz des Patienten P praktisch keine Bewegung vollzieht.
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Die jeweils ermittelten bzw. festgelegten Triggersignale können im Hinblick auf das Computertomographiegerät 1 sowohl für das bereits beschriebene prospektive Bilderzeugungsverfahren verwendet werden, bei dem nur dann Röntgenprojektionen aufgenommen werden, wenn möglichst keine Bewegung des Torsos des Patienten P erfolgt, die an sich durch die Herzaktivität hervorgerufen wird, als auch für ein retrospektives Bilderzeugungsverfahren, bei dem nach der Aufnahme der Röntgenprojektionen basierend auf den Triggersignalen diejenigen Röntgenprojektionen für eine Bildrekonstruktion ausgewählt werden, die zu einer Phase aufgenommen wurden, bei der möglichst keine an sich durch die Herzaktivität hervorgerufene Bewegung des Torsos des Patienten P vorlag.
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Bei dem bildgebenden medizinischen Gerät kann es sich im Übrigen auch um ein C-Bogen-Röntgengerät, ein PET-Gerät, ein SPECT-Gerät oder um ein Magnetresonanzgerät handeln.
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Das Computertomographiegerät 1 kann dabei nicht nur zur Bildgebung, sondern auch zur Planung von Eingriffen oder auch zur Planung einer Strahlentherapie eingesetzt werden, um die Bewegung eines zu therapierenden Gewebes eines Patienten beispielsweise mit den Herzphasen des Patienten P zu korrelieren.
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Darüber hinaus kann das medizinische Gerät auch ein Strahlentherapiegerät sein. 2 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein derartiges Strahlentherapiegerät 31, das eine Gantry 32 mit einem stationären Teil 33 und mit einem schematisch angedeuteten, um eine Systemachse 35 rotierbaren Teil 34 umfasst, der mittels eines in 2 nicht dargestellten Lagers drehbar gegen das stationäre Teil 33 gelagert ist. Der rotierbare Teil 34 weist eine therapeutische Röntgenstrahlenquelle 36 sowie einen dieser gegenüberliegend angeordneten Röntgenstrahlendetektor 37 zur MeV-Bildgebung auf. Die übrigen Komponenten des Strahlentherapiegerätes 31, wie die Patientenliege 9 etc., entsprechen im Wesentlichen den Komponenten des Computertomographiegerätes 1, weshalb diese mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die therapeutische Röntgenstrahlenquelle 36 dient zur Beaufschlagung eines zu therapierenden Gewebes des Patienten P mit therapeutischen Röntgenstrahlen, die eine Photonenenergie im MeV-Bereich aufweisen.
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Im Falle eines Strahlentherapiegerätes werden die basierend auf den Messsignalen des piezoelektrischen Sensors 21 des Gurtes 20 erzeugten Triggersignale dazu verwendet, das zu therapierende Gewebe des Patienten P nur dann mit der therapeutischen Röntgenstrahlung zu beaufschlagen, wenn möglichst keine durch die Herzaktivität des Patienten P verursachte Bewegung des zu therapierenden Gewebes vorliegt und/oder wenn sich das zu therapierende Gewebe in einer bestimmten Therapieposition befindet, so dass nicht zu therapierendes Gewebe möglichst nicht mit Röntgenstrahlung beaufschlagt wird.
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Im Unterschied zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Gurt auch mehrere elektromechanische Sensoren aufweisen, deren Signale wie beschrieben ausgewertet werden, um die Aktivität des Herzens eines Patienten zu erfassen.
