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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Gerätes, insbesondere zur möglichst bewegungsartefaktfreien Erzeugung von Bildern von einem durch die Herzaktivität und/oder die Atmung eines Patienten bewegten Gewebe des Patienten und/oder zur Strahlentherapie eines durch die Herzaktivität und/oder die Atmung eines Patienten bewegten Gewebes des Patienten. Die Erfindung betrifft außerdem eine 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 oder die Atmung 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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In vergleichbarer Weise arbeitet man bei der Bildgebung unter Berücksichtigung der Atembewegungen des Patienten. Hier wird häufig ein sogenannter Atemgürtel verwendet, der einen Bewegungssensor aufweist und dem Patienten im Brustbereich zur Erfassung der Atembewegungen angelegt wird. Der detektierte Atemzyklus wird schließlich bei der Bildgebung berücksichtigt.
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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 Kontaktvorrichtung für einen Patienten, in welche wenigstens ein an den Körper des Patienten ankoppelbarer elektrischer Potentialsensor integriert ist, eine Signalauswertevorrichtung, welcher die mit dem wenigstens einen elektrischen Potentialsensor erzeugten Messsignale zur Auswertung zugeführt werden, und das medizinische Gerät, welches mit der Signalauswertevorrichtung verbunden ist, bei dem bei Kontakt des Patienten mit der Kontaktvorrichtung mit dem wenigstens einen an den Körper des Patienten angekoppelten elektrischen Potentialsensor Messsignale aufgenommen werden, welche die Atem- und/oder die Herzaktivität des Patienten betreffen, mit der Signalauswertevorrichtung basierend auf den Messsignalen Triggersignale erzeugt werden, welche den Atemzyklus und/oder den Herzzyklus des Patienten betreffen, und bei dem basierend auf den Triggersignalen der Betrieb des medizinischen Gerätes gesteuert wird.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Verwendung von konventionellen 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 Haft- bzw. Kontaktmittels 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 die galvanisch an den Körper des Patienten anzukoppelnden, konventionellen EKG-Elektroden zu verzichten und stattdessen wenigstens einen Potentialsensor in einer Kontaktvorrichtung anzuordnen. Zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird der wenigstens eine Potentialsensor durch die Kontaktvorrichtung in Kontakt mit dem Körper des Patienten gebracht und auf diese Weise an dem Körper des Patienten zur Aufnahme von Messsignalen angekoppelt. Der Kontakt des Potentialsensors mit dem Patienten kann dabei indirekt erfolgen, d.h. der Patient kann Kleidung tragen.
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Wird der Potentialsensor im Bereich der Brust an den Körper des Patienten angekoppelt, können mit dem Potentialsensor Messsignale erzeugt werden, welche die Atem- und/oder 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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Nach einer Variante der Erfindung ist das medizinische Gerät ein bildgebendes medizinisches Gerät, so dass basierend auf den Triggersignalen mit dem bildgebenden medizinischen Gerät Bildinformationen von dem Patienten, insbesondere im Bereich der Brust oder im Bereich des Abdomens des Patienten aufgenommen werden können.
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Nach einer weiteren Variante 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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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der wenigstens eine elektrische Potentialsensor wenigstens zwei, vorzugsweise drei kapazitiv an den Körper des Patienten ankoppelbare Elektroden auf, mit denen Messsignale in Form von Differenzmesssignalen erzeugt werden, welche die Atem- und/oder die Herzaktivität des Patienten betreffen und die der Signalauswertevorrichtung zugeführt werden. Zwei der drei Elektroden sind aktive Elektroden, während die dritte Elektrode eine Referenzelektrode für die zwei aktiven Elektroden darstellt. Basierend auf den Signalen der zwei aktiven Elektroden werden die Differenzmesssignale des wenigstens einen Potentialsensors erzeugt. Der Potentialsensor umfasst in der Regel auch Bauelemente zur Signalverarbeitung, wie einen Instrumentenverstärker, Filter, einen A/D-Umsetzer etc.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden die Messsignale, insbesondere die Differenzmesssignale mittels einer Fourier- und/oder Wavelet-Analyse von der Signalauswertevorrichtung ausgewertet, um Triggersignale zu erzeugen, die den Atemzyklus und/oder den Herzzyklus des Patienten betreffen. Mit Hilfe der Fourier- und/oder Wavelet-Analyse können diejenigen Messsignale bzw. diejenigen Signalanteile der Messsignale inklusive ihrer Signalenergie identifiziert werden, deren Frequenz beispielsweise innerhalb der Frequenzbandbreite liegt, die einem menschlichen Herzen zugeordnet ist (ca. 60 bis 140 Schläge pro Minute). In gleicher Weise können die Messsignale identifiziert werden, die der Atmung des Patienten zuzuordnen sind.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktvorrichtung ein Gurt zur Anordnung bzw. Anbringung an der Brust des Patienten ist, in den wenigstens ein elektrischer Potentialsensor integriert ist oder an dem wenigstens ein elektrischer Potentialsensor angeordnet ist. Ein solcher Gurt ist in der Regel elastisch ausgeführt, um einen guten Kontakt des Potentialsensors mit der Körperoberfläche des Patienten zu gewährleisten.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktvorrichtung eine Patientenlagerungsplatte eines Patientenlagerungstisches oder eine Auflagematte ist, welche auf einer Patientenlagerungsplatte eines Patientenlagerungstisches angeordnet werden kann, wobei die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte wenigstens einen an den Körper des Patienten ankoppelbaren elektrischen Potentialsensoren aufweist, dessen Messsignale der Signalauswertevorrichtung zugeführt werden. Die Ankopplung des wenigstens einen elektrischen Potentialsensors an den Körper des Patienten erfolgt durch die Lagerung des Patienten auf der Patientenlagerungsplatte oder der Auflagematte.
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Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte eine Vielzahl von an den Körper des Patienten ankoppelbaren elektrischen Potentialsensoren aufweist, welche in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind und deren Messsignale der Signalauswertevorrichtung zugeführt werden.
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Die Verwendung einer Vielzahl von Potentialsensoren und insbesondere deren Anordnung in einem Array bzw. einer zweidimensionalen Matrix vereinfacht die Lagerung eines Patienten auf der Patientenlagerungsplatte oder Auflagematte, da nicht explizit darauf geachtet werden muss, dass sich der Brustbereich des Patienten über einem bestimmten Potentialsensoren befinden muss. Des Weiteren steht nun eine Vielzahl von von verschiedenen Potentialsensoren stammenden Messsignalen zur Verfügung, so dass diejenigen Messsignale ausgewählt werden können, die am besten für die Erzeugung von Triggersignalen geeignet erscheinen bzw. sind.
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Nach einer Variante der Erfindung weist die Signalauswertevorrichtung eine Recheneinheit und einen Multiplexer auf, wobei die von den elektrischen Potentialsensoren stammenden Messsignale der Recheneinheit von dem Multiplexer zugeführt werden. Die Messsignale werden demnach im Zeitmultiplex verarbeitet, wobei man sich auf diejenigen beschränken bzw. diejenigen auswählen kann, die für die Erzeugung von Triggersignalen relevant sind. Dies werden in der Regel die Messsignale mit den größten Amplitudenwerten sein, die von den elektrischen Potentialsensoren stammen, die z.B. nahe am Herzen des Patienten angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mit der Signalauswertevorrichtung die Position des Herzens des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte beispielsweise basierend auf der Signalstärke bzw. der Signalamplitude der relevanten Messsignale bzw. der relevanten Signalanteile der Messsignale der elektrischen Potentialsensoren ermittelt. Vorzugsweise wird die Position des Herzens des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte basierend auf einer Kreuzkorrelations-Analyse von Messsignalen bzw. Signalanteilen von Messsignalen ermittelt, welche von einander benachbarten elektrischen Potentialsensoren stammen. Die Ermittlung der Position des Herzens ermöglicht es noch genauer diejenigen elektrischen Potentialsensoren bzw. die von diesen elektrischen Potentialsensoren stammenden Messsignale bzw. Signalanteile zu identifizieren bzw. auszuwählen, mit denen die Herzaktivität am besten detektiert bzw. registriert werden kann. 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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Die Ermittlung der Lage des Herzens in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte hat zudem den Vorteil, dass diejenigen elektrischen Potentialsensoren besser identifiziert bzw. lokalisiert werden können, deren Messsignale zur Ermittlung des Atemzyklus des Patienten am besten geeignet sind. Dabei können zusätzlich diejenigen elektrischen Potentialsensoren identifiziert bzw. lokalisiert werden, deren Messsignale die Brustatmung betreffen, und diejenigen elektrischen Potentialsensoren, deren Messsignale die Abdominalatmung betreffen. Auf diese Weise sind je nach Region des Torsos des Patienten Variationen im Atemzyklus zur Erzeugung von geeigneten Triggersignalen ermittelbar und berücksichtigbar.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird mit der Signalauswertevorrichtung basierend auf der Ermittlung der Position des Herzens in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte die Lage oder die Ausrichtung des Patienten auf der Patientenlagerungsplatte oder der Auflagematte und/oder der Körperabschnitt des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte ermittelt, in dem für eine Bildgebung vom Herzen des Patienten Bildinformationen aufgenommen werden müssen. Auf diese Weise wird für die Bildgebung nicht nur die Ausrichtung des Patienten, sondern auch der im Zuge der Bildgebung zu scannende bzw. abzutastende Körperbereich des Patienten automatisiert ermittelt, welche Informationen direkt in dem bildgebenden Gerät für die Bildgebung verwendet werden können, ohne diese erst, wie im Falle der Computertomographie, mit einem Übersichtsscan gewinnen zu müssen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mit der Signalauswertevorrichtung basierend auf den Messsignalen die Größe des Patienten, die Lage wenigstens eines Armes, die Lage wenigstens eines Beines, die Lage des Torsos und/oder die Lage des Kopfes des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte ermittelt.
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Die Ermittlung dieser Informationen erfolgt bevorzugt unter Mitwirkung des Patienten, indem dieser auf Anweisungen hin die entsprechenden Körperteile bewegt und damit auswertbare Messsignale erzeugt. Aber auch bei weniger kooperativen Patienten können durch erzwungene Bewegungen der entsprechenden Körperteile, z.B. durch eine erzwungene Vibration des Tisches, entsprechende Messsignale erzeugt werden.
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Des Weiteren können mit der Signalauswertevorrichtung basierend auf den Messsignalen Bewegungen des wenigstens einen Armes, des wenigstens einen Beines, des Torsos und/oder des Kopfes des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte ermittelt und z.B. bei der Bildgebung berücksichtigt werden. Beispielsweise können bei zeitlich lang andauernden Bildaufnahmen vom Kopf des Patienten mit einem Magnetresonanzgerät Bewegungen des Kopfes detektiert und somit Korrekturen bei der Bildgebung durchgeführt werden.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung werden mit der Signalauswertevorrichtung ausgehend von dem Wissen um die Lage des Patienten, insbesondere um die Lage des Kopfes, des Torsos, des Herzens, der Arme und der Beine in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte die Lage verschiedener innerer Organe oder verschiedener Gewebe des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte ermittelt bzw. geschätzt und basierend hierauf verschiedene Körperabschnitte des Patienten in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte festgelegt, in denen jeweils für eine Bildgebung eines inneren Organs oder eines Gewebes des Patienten Bildinformationen aufgenommen werden müssen. Bei bildgebenden medizinischen Geräten können diese Informationen für eine sogenannte „auto-align-function“ genutzt werden, bei der abhängig von einem zu untersuchenden Gewebe und basierend auf den ermittelten Information über die Lage des Gewebes in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte oder die Auflagematte automatisch in dem das Gewebe enthaltenden Körperabschnitt Bildinformationen mit dem bildgebenden Gerät aufgenommen werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Einrichtung aufweisend eine Kontaktvorrichtung für einen Patienten, in welche wenigstens ein an den Körper des Patienten ankoppelbarer elektrischer Potentialsensor integriert ist, eine Signalauswertevorrichtung, welcher die mit dem wenigstens einen elektrischen Potentialsensor erzeugten Messsignale zur Auswertung zugeführt werden, 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 Kontaktvorrichtung ein Gurt, eine Patientenlagerungsplatte eines Patientenlagerungstisches oder eine Auflagematte für einen Patientenlagerungstisch.
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Bei dem medizinischen Gerät kann es sich um ein Computertomographiegerät, ein C-Bogen-Röntgengerät, ein PET-Gerät, ein SPECT-Gerät, ein Magnetresonanzgerät oder ein Strahlentherapiegerät handeln.
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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:
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1 ein medizinisches Gerät in Form eines Computertomographiegeräts,
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2 die Patientenlagerungsplatte des Computertomographiegeräts aus 1 mit einer Vielzahl von integrierten, in einer zweidimensionalen Matrix angeordneten elektrischen Potentialsensoren,
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3 den prinzipiellen Aufbau eines elektrischen Potentialsensors,
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4 ein medizinisches Gerät in Form eines Strahlentherapiegerätes,
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5 eine Patientenlagerungsplatte bzw. eine Auflagematte mit nur einem elektrischen Potentialsensor und
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6 das Computertomographiegerät aus 1, wobei dem Patienten ein Gurt mit einem elektrischen Potentialsensor angelegt ist.
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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 Recheneinrichtung 14 auf, mit der Rechenprogramme zur Bedienung und Steuerung des Computertomographiegerätes 1 ausführbar sind und ausgeführt werden. Die Recheneinrichtung 14 muss dabei nicht als separate Recheneinrichtung 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 Recheneinrichtung 14 ein Rechenprogramm 15 geladen, welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Gerätes, vorliegend des Computertomographiegerätes 1 umsetzt. Das Rechenprogramm 15 stellt einen speziellen Betriebsmodus unter anderem 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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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in die Patientenlagerungsplatte 11 als Kontaktvorrichtung für den Patienten P eine Vielzahl von elektrischen Potentialsensoren 20 integriert, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Anordnung der elektrischen Potentialsensoren 20 in das Innere der Patientenlagerungsplatte 11. Die Anordnung der elektrischen Potentialsensoren 20 im Inneren der Patientenlagerungsplatte 11 ist dabei derart, dass bei Auflage des Patienten P auf der Patientenlagerungsplatte 11 eine Ankopplung der elektrischen Potentialsensoren 20 an die Körperoberfläche des Patienten P erfolgt, so dass mit den elektrischen Potentialsensoren 20 Messsignale erzeugt werden können.
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3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendeten elektrischen Potentialsensoren 20. Der elektrische Potentialsensor 20 umfasst drei kapazitiv an den Körper des Patienten P ankoppelbare bzw. vorliegend bereits angekoppelte Elektroden 41 bis 43, von denen die Elektroden 41 und 42 aktive Elektroden sind. Die Elektrode 43 ist eine Referenzelektrode bzw. eine sogenannte „driven ground plane“. Alle drei Elektroden sind patientenseitig mit einer Isolierschicht 44 bis 46 versehen und sind für gewöhnlich über die Kleidung 47 des Patienten P an den Körper des Patienten P angekoppelt. Basierend auf den Signalen der zwei aktiven Elektroden 41, 42 werden Differenzmesssignale erzeugt.
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Für die vorliegende Erfindung ist dabei vor allem die dynamische Abstandsänderung zwischen der Körperoberfläche des Patienten P und den Elektroden der elektrischen Potentialsensoren 20 durch die Herzaktivität des Patienten P sowie durch das Heben und Senken des Brustkorbes in Folge der Atmung des Patienten P relevant.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung weist jeder elektrische Potentialsensor 20 auch elektrische Bauelemente zur Signalvorverarbeitung auf. So werden die Signale der aktiven Elektroden 41, 42 einem Instrumentenverstärker 48 zugeführt. Des Weiteren können Filter 49 sowie ein A/D-Umsetzer 50 vorgesehen sein. Die elektrischen Potentialsensoren 20 müssen jedoch nicht notwendigerweise derartige Bauelemente bzw. alle genannten Bauelemente zur Signalvor- bzw. zur Signalverarbeitung aufweisen. Die Signale der aktiven Elektroden können, sofern messtechnisch machbar, auch erst aus der Patientenlagerungslatte 11 herausgeführt und dann weiter verarbeitet werden.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung sind die elektrischen Potentialsensoren 20 mit einer Signalauswertevorrichtung verbunden, die einen Multiplexer 21 und eine Recheneinheit zur Auswertung der Differenzmesssignale aufweist. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung bildet die Recheneinrichtung 14 die Recheneinheit der Signalauswertevorrichtung. Die Differenzmesssignale der elektrischen Potentialsensoren 20 werden über den Multiplexer 21 der Recheneinrichtung 14 zugeführt.
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Die Recheneinrichtung 14 wertet die von dem Multiplexer 21 erhaltenen Differenzmesssignale aus, wobei sie im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung die Differenzmesssignale eines jeden elektrischen Potentialsensors 20 einer Fourier- und/oder einer Wavelet-Analyse unterzieht, um insbesondere zunächst diejenigen elektrischen Potentialsensoren 20 der Matrix zu identifizieren, deren Differenzmesssignale bzw. deren Signalanteile der Differenzmesssignale eine für eine 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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Über die derart identifizierten elektrischen Potentialsensoren 20 wird die Position des Herzens des Patienten P in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 ermittelt. Zusätzlich erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Kreuzkorrelations-Analyse der Differenzmesssignale, welche von identifizierten benachbarten elektrischen Potentialsensoren 20 stammen, um die genaue Position des Herzens des Patienten P in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 zu ermitteln.
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Basierend auf der Analyse der Differenzmesssignale der identifizierten, nahe des Herzens des Patienten P angeordneten elektrischen Potentialsensoren 20 wird die Aktivität des Herzens des Patienten ermittelt. Idealerweise wird der Herzzyklus des Patienten P bzw. ein Elektrokardiogramm des Herzens des Patienten P ermittelt, so dass basierend auf dem ermittelten Herzzyklus bzw. dem Elektrokardiogramm 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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Ist die Lage des Herzens in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 ermittelt, können außerdem diejenigen elektrischen Potentialsensoren 20 besser identifiziert bzw. lokalisiert werden, deren Differenzmesssignale zur Ermittlung des Atemzyklus des Patienten P am besten geeignet sind. Insbesondere können diejenigen elektrischen Potentialsensoren 20 identifiziert bzw. lokalisiert werden, deren Differenzmesssignale die Brustatmung betreffen, und diejenigen elektrischen Potentialsensoren 20, deren Differenzmesssignale die Abdominalatmung betreffen.
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Insofern kann basierend auf den identifizierten elektrischen Potentialsensoren 20, deren Differenzmesssignale die Brustatmung betreffen, der die Brustatmung betreffende Atemzyklus ermittelt werden. Anhand des die Brustatmung betreffende Atemzyklus können schließlich Triggersignale erzeugt werden, mit denen wenigstens ein Zeitraum des Atemzyklus zur Aufnahme von Röntgenprojektionen von dem Brustbereich des Patienten P, insbesondere von der Lunge des Patienten festgelegt wird.
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In vergleichbarer Weise kann basierend auf den identifizierten elektrischen Potentialsensoren 20, deren Differenzmesssignale die Abdominalatmung betreffen, der die Abdominalatmung betreffende Atemzyklus ermittelt werden. Anhand des die Abdominalatmung betreffende Atemzyklus können schließlich Triggersignale erzeugt werden, mit denen wenigstens ein Zeitraum des Atemzyklus zur Aufnahme von Röntgenprojektionen von dem Bereich des Abdomens des Patienten P festgelegt wird.
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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 Herz- und/oder Atmungsaktivität 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 Herz- und/oder Atmungsaktivität hervorgerufene Bewegung des Torsos des Patienten P vorlag.
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Die Differenzmesssignale der elektrischen Potentialsensoren 20 können des Weiteren dazu verwendet werden, die Ausrichtung, die Größe, die Lage wenigstens eines Armes, die Lage wenigstens eines Beines, die Lage des Torsos und/oder die Lage des Kopfes des Patienten P in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 zu ermitteln. Bevorzugt erfolgt dies unter Mitwirkung des Patienten P, indem der Patient P entsprechende Bewegungen der entsprechenden Körperteile vollzieht, so dass definiert Differenzmesssignale erzeugt werden, deren Auswertung seitens der Recheneinrichtung 14 die gewünschten Informationen liefern.
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Basierend auf den gewonnenen Informationen über die Größe, die Ausrichtung, die Lage des Herzens, des Kopfes, der Arme und der Beine des Patienten P in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der Recheneinrichtung 14 die Lage verschiedener innerer Organe, wie die Lage der Lunge, des Darmes etc., oder verschiedener anderer Gewebe des Patienten P, wie der Wirbelsäule, des Beckens etc., in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 ermittelt, abgespeichert und basierend hierauf sowie unter Berücksichtigung der bekannten Lage und Position der Patientenlagerungsplatte 11 und der Gantry 2 relativ zueinander verschiedene Körperabschnitte bzw. Scanabschnitte des Patienten P in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11 festgelegt bzw. definiert und abgespeichert, in denen jeweils für eine Bildgebung eines inneren Organs oder eines Gewebes des Patienten P Bildinformationen aufgenommen werden müssen. Hierdurch wird eine sogenannte „auto-align-function“ realisiert. Soll das Herz des Patienten P gescannt werden, ist der Scanbereich, also der Bereich, in dem Röntgenprojektionen von dem Herz unter Drehung des Röntgensystems um die Systemachse 5 aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommen werden müssen, bereits festgelegt bzw. definiert und muss nicht erst noch mittels eines Übersichtsscans bestimmt werden. Ebenso verhält es sich für die anderen Organe und Gewebe des Patienten P.
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Des Weiteren können basierend auf den Differenzmesssignalen und der Recheneinrichtung 14 Bewegungen des Patienten, seinen es Bewegungen eines Armes, eines Beines, des Torsos oder des Kopfes des Patienten P in Bezug auf die Patientenlagerungsplatte 11, insbesondere während einer Aufnahme von Röntgenprojektionen ermittelt und unter Berücksichtigung der ermittelten Bewegungen Bewegungsartefakte in den rekonstruieren Bildern von einem Gewebe des Patienten P vermieden werden.
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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 Atemphasen des Patienten zu korrelieren.
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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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Für einen Einsatz der elektrischen Potentialsensoren in einem Magnetresonanzgerät können diese auch aus einem nichtmagnetischen Metall gefertigt sein.
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Darüber hinaus kann das medizinische Gerät auch ein Strahlentherapiegerät sein. 4 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 4 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 aus den Differenzmesssignalen der elektrischen Potentialsensoren 20 der Patientenlagerungsplatte 11 erzeugten Triggersignale dazu verwendet, das zu therapierende Gewebe des Patienten P nur dann mit der therapeutischen Röntgenstrahlung zu beaufschlagen, wenn möglichst keine durch die Herz- oder die Atmungsaktivität 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 auch nicht mit Röntgenstrahlung beaufschlagt wird.
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Im Unterschied zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung müssen die elektrischen Potentialsensoren nicht notwendigerweise in die Patientenlagerungsplatte integriert sein. Es besteht auch die Möglichkeit die elektrischen Potentialsensoren in einer Auflagematte anzuordnen, die auf die Patientenlagerungsplatte aufgelegt werden kann bzw. wird. Dies ist besonders Vorteilhaft für bereits bestehende medizinische Geräte, die auf diese Weise einfach nachrüstbar sind.
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Es muss auch nicht notwendigerweise eine Matrix von elektrischen Potentialsensoren vorliegen. Sofern zweckmäßig kann auch nur ein elektrischer Potentialsensor in einer Patientenlagerungsplatte oder Auflagematte vorhanden sein. 5 veranschaulicht anhand der Patientenlagerungsplatte 11 diesen vereinfachten Aufbau, bei dem nur ein elektrischer Potentialsensor 20 vorhanden ist. In diesem Fall ist kein Multiplexer erforderlich.
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Alternativ kann wenigstens ein elektrischer Potentialsensor 20 auch in einem Gurt 60 angeordnet oder in einen Gurt 60 integriert sein, der einem Patienten P an die Brust angelegt wird. 6 zeigt diese Ausführungsform der Erfindung in Anlehnung an 1. In diesem Fall muss die Patientenlagerungsplatte 11 keine elektrischen Potentialsensoren aufweisen. Der Gurt ist in der Regel elastisch, um eine gute Kontaktierung des elektrischen Potentialsensors 20 mit dem Körper des Patienten P zu gewährleisten.
