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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Positionierung eines Patienten in einem Magnetresonanztomographie-Scanner (MRT-Scanner) und insbesondere zur Erfassung der Kopfposition und -bewegung mit Sensoren bzw. eine Bewegungskorrektur mit Drucksensoren.
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Körperbewegungen eines Patienten, z.B. eine Kopfbewegung, können während eines MRT-Scans die aufgenommenen Messdaten für eine weitere Auswertung unbrauchbar machen. Um diesem Problem entgegen zu wirken sind dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt.
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Eine aktuell favorisierte Lösung ist die so genannte „Move Correction“ (auch kurz als „MoCo“ bezeichnet). Bei diesem Verfahren wird die Kopfbewegung eines Patienten mit Hilfe von vier Videokameras überwacht. An der Nase des Patienten wird ein Marker mit speziellen Mustern angebracht und damit seine 3D-Position im Raum detektiert. Die detektierte Position und Orientierung des Markers wird dabei laufend in eine Bewegung des Kopfes umgerechnet und während der MR-Messung zur Korrektur der Messschichten verwendet. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass Ungenauigkeiten auftreten können da sich die Haut im Gesicht des Patienten durch Mimik, Atmung oder ähnliches bewegt. Dadurch findet eine Bewegung des Markers gegenüber dem Kopfschädel statt, was die MoCo-Methode anfällig für Fehler macht, da diese davon ausgeht, dass der Marker und der Kopfschädel zum Zeitpunkt der Untersuchung einen zusammenhängenden, starren Körper bilden.
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Dieses Problem der Hautbewegung gilt nicht nur für den Kopf. Auch bei der Betrachtung anderer Körperregionen wäre die MoCo Methode diesen Unsicherheiten unterworfen.
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Ein weiterer Nachteil entsteht dadurch, dass die bei MoCo verwendeten Kameras sowohl elektrische als auch metallische Systeme sind, welche die Signalerfassung eines MRT-Systems nachteilhaft beeinflussen können. Dazu zählt auch die Signalübermittlung aus dem MRT-System heraus.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives, komfortableres System und ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Positionierung eines Patienten anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12, einen optischen Drucksensor gemäß Patentanspruch 13, einen optischen Positionssensor gemäß Patentanspruch 14 sowie eine Kopfhalterung gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
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Vorab sei klargestellt, dass mit dem Begriff „Positionierung“ sowohl die absolute Position als auch die Orientierung des Körperbereichs des Patienten wie auch ggf. sein Bewegungszustand umfasst ist (der einer wechselnden Orientierung von einzelnen Bereichen des Körperbereichs entspricht). Betreffend den Kopf bedeutet „Positionierung“ z.B. die Ausrichtung (Roll- Gier- und Nickwinkel) und Position (z.B. in kartesischen Koordinaten x, y, z) des Kopfes. Betreffend den Brustkorb oder die Bauchdecke kann „Positionierung“ neben der Ausrichtung und Position ggf. auch die Bewegung beim Atmen umfassen, die letztendlich unterschiedliche Positionen und Ausrichtungen von Teilen der Bauchdecken entspricht. Entsprechendes gilt für die Bewegung von Gliedmaßen bei „unruhigen“ Patienten. Die Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft zur Bestimmung der Positionierung des Kopfes eines Patienten.
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Ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung der Positionierung eines Körperbereichs eines Patienten in einem Magnetresonanztomographie-Scanner („MRT-Scanner“), umfasst eine Patientenauflage, eine Sensoranordnung und eine Datentransfereinrichtung. Die Datentransfereinrichtung ist dabei dazu ausgelegt, die Daten der Sensoranordnung aus dem MRT-Scanner heraus zu transferieren. Dies bedeutet, dass sie in der Lage ist, die Daten ohne Störung einer Aufnahme des MRT-Scanners an eine Verarbeitungseinheit außerhalb des MRT-Scanners zu senden, welche diese Daten dann weiterverarbeiten kann. Diese Verarbeitungseinheit kann z.B. die Steuereinrichtung eines MRT-Systems sein.
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Die Sensoranordnung umfasst Sensoren, die dazu ausgelegt sind, die Positionierung des Körperbereichs des Patienten auf der Auflage zu messen, also die Position, Ausrichtung und ggf. auch den Bewegungszustand des Körperbereichs zu bestimmen. Bezüglich des Kopfes würde dies z.B. bedeuten, dass die Sensoranordnung in der Lage ist, die Position und die Orientierung des Kopfes zu messen.
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Der MRT-Scanner, genauer die Patientenauflage (wie z.B. die Patientenliege oder die Kopfspule) kann ein Teil des Systems sein, muss es aber nicht. Die Sensoren dürfen jedoch nicht beliebig angeordnet sein. Damit das System die Aufgabe lösen kann, muss zumindest ein Teil der Sensoren am oder unter Körperbereich anbringbar oder angebracht sein und dazu ausgelegt sein, die Positionierung des Körperbereichs zu messen. Alternativ oder zusätzlich muss zumindest ein Teil der Sensoren an einer Patientanauflage anbringbar oder angebracht sein und dazu ausgelegt sein, die Druckverteilung des Körperbereichs auf die Patientenauflage zu messen.
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Die genaue Anordnung der Sensoren hängt von ihrer Natur und Messmethode ab. Die möglichen Arten und Anordnungen von Sensoren werden weiter unten noch genauer beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Positionierung eines Körperbereichs eines Patienten in einem Magnetresonanztomographie-Scanner, mit einem erfindungsgemäßen System umfasst die folgenden Schritte:
- - Aufnahme von Sensordaten mittels den Sensoren der Sensoranordnung des Systems,
- - Transfer der Sensordaten über die Datentransfereinrichtung in einen Bereich außerhalb des Magnetresonanztomographie-Scanners,
- - Ermittlung der Positionierung eines von den Sensoren vermessenen Körperbereichs aus den Sensordaten, wobei die Sensordaten von Drucksensoren bevorzugt mittels eines maschinenlernfähigen Algorithmus verarbeitet werden, der dazu trainiert ist, aus den Sensordaten eine Positionierung eines Körperbereichs zu bestimmen und/oder wobei die Positionierung aus den Sensordaten mittels Trilateration und/oder Triangulation die Positionierung des Körperbereichs ermittelt wird.
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Hierzu sei angemerkt, dass in dem Fall, dass Drucksensoren verwendet werden zumeist mehrere Drucksensoren verwendet werden, die alle unter unterschiedlichen Stellen des Körperbereichs angebracht werden. Aus den Signalen aller Drucksensoren lässt sich aus einem Vergleich, aber auch aus Absolutwerten die Positionierung des Körperbereichs ermitteln. Da dies jedoch je nach Freiheitsgraden des Körperbereichs (der Kopf ist z.B. mehr oder weniger ein starrer Körper, während der Oberkörper in sich beweglich ist) recht komplexe Berechnungen erfordert, bietet es sich an, einen maschinenlernfähigen Algorithmus mit den Sensorsignalen und der jeweils vorliegenden Positionierung des Körperbereichs als Grundwahrheit („Ground truth“) zu trainieren und den trainierten Algorithmus zur Bestimmung der Positionierung zu verwenden.
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Was andere Sensoren betrifft, genügt in den meisten Fällen eine Triangulation (Bestimmung einer Lage im Raum mittels gemessenen Winkeln) oder eine Trilateration (Bestimmung einer Lage im Raum mittels gemessenen Abständen). Die Techniken der Triangulation und Trilateration sind dem Fachmann bekannt. Da je nach Art des Körperbereichs auch diese Bestimmungsmethode kompliziert sein kann, da sich dadurch lediglich die Position eines Sensors bestimmen lässt und ein Körperbereich auch in sich verformbar sein kann, z.B. der Oberkörper oder eine Extremität, kann es sich auch hier anbieten, einen maschinenlernfähigen Algorithmus zu verwenden, der mit den Sensorsignalen und der jeweils vorliegenden Positionierung des Körperbereichs als Grundwahrheit zu trainieren und den trainierten Algorithmus zur Bestimmung der Positionierung zu verwenden.
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Da das System in einem Magnetresonanztomographie-Scanner betrieben werden soll, ergeben sich für die Praktische Umsetzung besondere Herausforderungen, da in dem starken Magnetfeld des MRT-Scanners keine metallischen Materialien verwendet werden sollten, die angezogen oder Signale verfälschen könnten und elektromagnetische Abstrahlungen von elektrischen Schaltungen Messergebnisse beeinflussen könnten.
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Daher werden im Folgenden zwei Möglichkeiten für besonderes vorteilhafte Sensoren beschrieben, die auch unabhängig von dem System aufgrund ihrer guten MR-Verträglichkeit Vorteile für den Einsatz in einem MRT-Scanner bieten.
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Ein erfindungsgemäßer optischer Drucksensor (im Folgenden auch als „Drucksensormodul“ bezeichnet) umfasst einen Eingangs-Lichtleiter und einen Ausgangs-Lichtleiter, welche so angeordnet sind, dass ihre Stirnflächen einander zugewandt sind und sich bei einem auf den Sensor wirkenden Druck lateral zueinander verschieben, so dass in einem vorbestimmten Druckbereich ein Lichtstrahl vom Eingangs-Lichtleiter in den Ausgangs-Lichtleiter strahlen kann. Man könnte auch sagen, der Drucksensor umfasse einen Lichtleiter (auch kurz als „LWL“ für „Lichtwellenleiter“ bezeichnet), der im Sensor (z.B. in dessen Mitte) unterbrochen ist. Die beiden Teile dieses Lichtleiters entsprächen dann den Eingangs-Lichtleiter und den Ausgangs-Lichtleiter. Der Sensor ist so aufgebaut, dass unter Krafteinwirkung sich eine der LWL-Hälften relativ zu der anderen verschiebt. Dadurch geht eine bestimmte Menge Licht verloren, die abhängig zum axialen Versatz der beiden Fasern ist. Bei rechteckigen Lichtleitern wäre die Abhängigkeit z.B. proportional.
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Um diesen Versatz einem bestimmten Druck zuordnen zu können ist es sehr vorteilhaft, wenn dem Druck von außen ein definierter Gegendruck entgegengesetzt ist. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass zumindest einer der Lichtleiter mittels eines elastischen Elements elastisch im Drucksensor gelagert ist, so dass die Verschiebung der Lichtleiter mittels elastischer Verformung des elastischen Elements durch den Druck bewirkt wird. Die Federkraft des elastischen Elements, z.B. eine Metall- oder Kunststofffeder oder ein verformbarer, elastischer Block, bedingt dann den Gegendruck. Der Zusammenhang zwischen der Elastizität eines Stoffes, dessen Shore-A-Härte, der resultierenden Federkraft und dem sich daraus ergebenden Sensorsignal ist im Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise kann einer der Lichtleiter fest im Sensorgehäuse gehaltert sein und der andere Lichtleiter ist starr mit der Sensor-Druckfläche (oben) verbunden und auf der Gegenseite in dem elastischen Element gelagert, so dass es bei Druck auf die Sensor-Druckfläche nach unten gedrückt wird. Durch die starre Lagerung des gegenüberliegenden Lichtleiters verschieben sich dann die Stirnflächen der Lichtleiter zueinander. Es können aber auch beide Lichtleiter an gegenüberliegenden Seiten des Sensors elastisch gelagert sein und an den wiederum jeweils anderen gegenüberliegenden Seiten starr gehaltert sein. Auch dies würde eine druckabhängige Verschiebung der Endflächen der LWL bei einem äußeren Druck ergeben.
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Ein erfindungsgemäßer optischer Positionssensor (im Folgenden auch als „Positionssensormodul“ bezeichnet) zur Messung der Position eines Lichtpunktes in einer Raumrichtung umfasst eine Lichtquelle, insbesondere eine Infrarotdiode (IR-LED oder eine IR-Laserdiode), und eine Signal-Lichtleiteranordnung aus Lichtleitern (insbesondere entlang der Raumrichtung) beabstandet von der Lichtquelle, deren Enden jeweils unterschiedlich orthogonal versetzt zu der Raumrichtung angeordnet sind, wobei die Lichtquelle so angeordnet ist, dass sie Licht in Richtung der Enden der Lichtleiter im Wesentlichen orthogonal zu den Lichtleitern abstrahlen kann. Bewegt sich der Lichtstrahl der Lichtquelle entlang der Raumrichtung werden immer unterschiedliche Lichtleiter an ihren Enden beleuchtet, woraus sich die Position des Lichtstrahls ermitteln lässt. Damit genügend Licht in die Enden der Lichtleiter fällt, sind die Enden der Lichtleiter bevorzugt zur Lichtquelle hinweisend abgeschrägt.
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Die Lichtleiter können (müssen aber nicht) in einer Ebene liegen. Sie können nebeneinander liegen (in einer Fläche auf deren Normalen die Lichtquelle liegt) oder übereinander (die Lichtquelle liegt auch in der Fläche), wobei in letzterem Falle auf die Abschattung der Lichtleiter untereinander geachtet werden sollte. Auch Mischformen sind möglich, bei denen zwei oder mehr Lagen von nebeneinanderliegenden Lichtleitern übereinander angeordnet sind.
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Was eine Abschattung betrifft kann zwar z.B. bei PMMA-LWL ohne undurchsichtigen Mantel Licht durch die Faser senkrecht zu deren Achse zu einer anderen Faser gelangen, ohne dabei in die erste eingekoppelt zu werden. Dabei wird es jedoch durch Streuung relativ stark abgeschwächt. Es sollten also bei übereinanderliegenden Lichtleitern die Enden so positioniert werden, dass eine Sichtlinie zur Lichtquelle besteht.
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Bevorzugt umfasst der optische Positionssensor zwischen Lichtquelle und Signal-Lichtleiteranordnung eine Optik, insbesondere eine Zylinderlinse, welche das Licht der Lichtquelle auf eine Brennlinie orthogonal zu der Raumachse bündelt. Dies hat den Vorteil, dass nur wenige Lichtleiter jeweils Licht der Lichtquelle empfangen und damit eine Messung der Position eines Lichtpunktes sehr einfach ist.
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Die Erfindung ist wie oben bereits angedeutet wurde, besonders gut für Untersuchungen am Kopf als Körperbereich einsetzbar. Oftmals wird der Kopf in einer separaten Kopfhalterung gehalten, die häufig eine Kopfspule umfasst oder ist. Daher wird im Folgenden eine besonderes vorteilhafte Kopfhalterung beschrieben, die Vorteile für den Einsatz in einem Magnetresonanztomographie-Scanner bietet.
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Eine erfindungsgemäße Kopfhalterung umfasst zumindest einen Teil der Sensoren einer Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Systems. Die Sensoren sind bevorzugt Drucksensoren bzw. Sensorsegmente von Sensoren zur Bestimmung einer Position oder eines Winkels. Des Weiteren umfasst eine bevorzugte Kopfauflage zusätzlich eine Signal-Lichtleiteranordnung die zur Leitung von Licht zu der Datentransfereinrichtung des Systems ausgelegt ist. Besonders bevorzugt umfasst die Kopfauflage dazu eine Signalfläche, an die Licht von unterschiedlichen Lichtleitern der Signal-Lichtleiteranordnung geleitet wird, so dass es an unterschiedlichen Positionen der Signalfläche austritt.
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Die Kopfhalterung kann jedoch auch dem System zugeordnet werden, woraus ein System nach der vorangehenden Beschreibung resultiert, welches eine Kopfhalterung umfasst.
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Die Kopfhalterung ist oder umfasst, bevorzugt eine Kopfauflage oder eine Kopfspule, an oder in der Sensoren oder Sensorkomponenten der Sensoranordnung angeordnet sind, bevorzugt Drucksensoren und/oder Sensorkomponenten von Sensoren zur Bestimmung einer Position oder eines Winkels.
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Auch wenn das System unabhängig von einem MRT-Scanner aufgebaut bzw. vertrieben werden kann, muss es dennoch so gestaltet sein, dass es in einem MRT-Scanner betrieben werden kann, Das System kann in Form einer Vorrichtung vorliegen, die auf einen Körperbereich eines Patienten aufgesetzt oder an diesem befestigt werden kann. Insbesondere in dem Fall, in dem das System Drucksensoren enthält, wäre es von Vorteil, wenn die Patientenauflage Teil des Systems ist (wie oben im Bezug zum Kopf bereits angedeutet worden ist). Wenn Sensoren des Systems fest in einer Patientenauflage eines MRT-Scanners eingebracht sind oder Sensorkomponenten an anderen Stellen des MRT-Scanners montiert sind, kann auch der MRT-Scanner Teil des Systems sein.
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Ein erfindungsgemäßer Magnetresonanztomographie-Scanner umfasst ein erfindungsgemäßes System.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den Ansprüchen und Beschreibungsteilen zu einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
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Wie oben bereits angedeutet wurde, kann das System ausschließlich Drucksensoren umfassen. Diese sind dabei dort in einem Magnetresonanztomographie-Scanner angeordnet, wo sich der zu überwachende Körperbereich befinden soll, also insbesondere an bzw. in der Patientenauflage, z.B. der Auflagefläche einer Kopfspule. Sie müssen aber nicht unbedingt alleine verwendet werden, sondern können auch in Zusammenarbeit mit anderen Sensoren betrieben werden, wie sie vorangehend und nachfolgend beschrieben werden.
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Gemäß einem bevorzugten System umfasst die Sensoranordnung also Drucksensoren, die so angeordnet sind, dass sie eine Druckverteilung in einem Bereich unter der bestimmungsgemäßen Position des Körperteils messen können. Bevorzugt umfasst die Sensoranordnung dabei mindestens drei Drucksensoren (insbesondere in einem Dreieck angeordnet), damit aus der Druckverteilung eine Positionierungs-Information gewonnen werden kann. In der Praxis sollten es aber mehr Drucksensoren sein, bevorzugt mindestens 5, besonders bevorzugt mindestens 10.
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Beispielsweise umfasst eine Patientenauflage, z.B. das Kopfkissen einer Kopfspule, Drucksensoren, auf denen der Körperbereich ruht. Diese Drucksensoren werden dabei bevorzugt so angeordnet, dass sämtliche Freiheitsgrade der Bewegung des Körperbereichs erfasst werden können, z.B. Rollen und Nicken eines Kopfes in einer Kopfspule. Die Druckverteilung des Kopfes auf das Kissen verändert sich dabei entsprechend seiner aktuellen Lage. Wird der Kopf z.B. nach links geneigt, so verlagert sich der Druck mehr auf die linke Seite des Kopfkissens.
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Aus dieser Druckverteilung kann die Orientierung und die Lage des Kopfes aus den Sensordaten der Drucksensoren ermittelt werden.
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Dazu wird insbesondere die Signalverteilung der Drucksensoren erfasst (dies ergibt die Sensordaten), die Sensordaten aus dem Scanner transferiert, damit eine störungsfreie Auswertung erfolgen kann und die Sensordaten dann außerhalb des Magnetfeld des Scanners ausgewertet.
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Da der Druck (zumindest nahezu) proportional zu anderen physikalischen Größen ist, kann z.B. auch der Abstand zwischen dem Boden der Kopfspule und der unteren Schädeldecke aus dem Druck berechnet werden und umgekehrt. Wenn das Gewicht des Kopfes, die Fläche des Kopfkissens und dessen Federkonstante bekannt ist, kann dies auch ohne Drucksensoren, alleine mit der genauen Kenntnis der aktuellen Position des Kopfes auf dem Kissen ermittelt werden. Daher können als Sensordaten neben dem Druck auch eine (lokale Verteilung der) Gewichtskraft oder auch die lokale Verteilung der Dicke der Patentenauflage verwendet werden.
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Im Stand der Technik sind viele Verfahren bekannt, um Druck zu messen. Günstige resistive Drucksensoren können z.B. aus „Velostat“ hergestellt werden, einer Kunststofffolie, die mit Graphitpartikeln teilweise leitfähig gemacht wird. Ohne Druck hat diese Folie einen hohen elektrischen Wiederstand. Setzt man sie jedoch unter Druck, so verringert sich der Abstand zwischen den Graphitpartikeln und der elektrische Widerstand sinkt. Damit können elektrische, resistive Drucksensoren realisiert werden indem man den aktuellen Widerstand misst.
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Weitere Sensoren messen den Druck ebenfalls elektrisch (bzw. die Kraft oder den Abstand) nach dem kapazitiven Messprinzip, indem zwei leitende Platten als Kondensator verstanden wird, dessen Kapazität sich unter Druck proportional zum Plattenabstandes ändert.
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Bevorzugt sind jedoch optische Drucksensoren, da diese die Messungen des MRT-Scanners nicht verfälschen. Es existieren viele verschiedene optische Drucksensoren, die entweder die Änderung der Amplitude, der Wellenlenge, des Interferenzmusters oder der Phase proportional zum Druck erfassen. Prinzipiell können alle diese Sensoren verwendet werden. Für eine praktische Umsetzung in einem MRT sind optische Sensoren besonders vorteilhaft, weil sie, wie gesagt, die MR-Bildgebung nicht stören. Besonders bevorzugt ist der oben beschriebene erfindungsgemäße optische Drucksensor.
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Die Sensoren können z.B. in einer Kopfspule fest eingebaut werden, sie können aber auch wie vorangehend angedeutet in ein Kopfkissen integriert werden. Das hat den Vorteil, dass verschiedene Kopfkissen für verschiedene Patiententypen bereitgestellt werden können. Beispielsweise benötigen Kinder eine andere Sensorverteilung und -konfiguration als Erwachsene. Um die Druckverteilung optimal zu erfassen, ist es bevorzugt, die Sensoren in Matrixform anzuordnen.
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Gemäß einem bevorzugten System können neben oder alternativ zu den Drucksensoren noch weitere Sensoren verwendet werden, die eine Positionierung des Körperbereichs messen. Sie werden dazu bevorzugt starr am Körperbereich angebracht, z.B. in dem sie in einer Halterung montiert sind, die dann auf oder am Körperbereich angebracht wird. Bevorzug umfasst dabei die Sensoranordnung mindestens einen der im Folgenden aufgeführten Sensoren. Die einzelnen Sensortypen können dabei technische Überlappungen aufweisen, da zuweilen ein Sensortyp für mehrere Anwendungsfelder verwendet werden kann. Beispielsweise kann ein PSD als Neigungssensor und auch als Positionssensor verwendet werden.
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Bevorzugte Sensortypen sind Hallsensoren, die zu einer Messung ihrer Position und/oder Ausrichtung in einem Magnetfeld eines Magnetresonanztomographie-Scanners ausgelegt sind. Bevorzugt sind dabei 3D-Hallsensoren, also Hallsensoren, die in allen drei Raumrichtungen Magnetfelder messen können. Mit Hallsensoren kann die Orientierung eines Körperbereichs, z.B. die Kopforientierung, aufgrund der Änderung des Magnetfeldes erfasst werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass oftmals eine Raumrichtung, nämlich die Z-Achse aufgrund des in diese Richtung verlaufenden Grundmagnetfeldes nur schwer oder gar nicht erfasst erden kann. In einem MRT-Scanner in Form eines Solenoiden kann also z.B. eine Rollbewegung des Kopfes mittels eines Hallsensors nur schwer oder nicht gemessen werden. Mit Hallsensoren ist neben der Bestimmung der Orientierung aber auch möglich, eine Bestimmung der Kopfposition vorzunehmen (x,y,z), dies kann über MR-Gradienten erfolgen, da diese inhomogen sind.
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Bevorzugte Sensortypen sind Ultraschallsensoren, bevorzugt umfassend eine Sendekomponente und eine Empfangskomponente, wobei besonders bevorzugt eine der Komponenten am Körperbereich und die andere Komponente an einem diesen Körperbereich abbildenden Magnetresonanztomographie-Scanner anbringbar oder angebracht ist. Mittels der Ultraschallsensoren kann über Trilateration eine Position erfasst werden und bei Verwendung mehrerer Empfänger auch eine Orientierung.
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Bevorzugte Sensortypen sind Neigungssensoren, bevorzugt optische Neigungssensoren (z.B. basierend auf den erfindungsgemäßen optischen Positionssensoren oder MEMS-Sensoren, die die Neigung des Sensors aufgrund der Schwerkraft ermitteln, z.B. Inklinometer, Beschleunigungsmesser oder Gyroskope). Mit den Neigungssensoren kann eine Orientierung eines Körperbereichs erfasst werden.
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Bevorzugte Sensortypen sind Positionssensoren (z.B. basierend auf den erfindungsgemäßen optischen Positionssensoren), bevorzugt ausgelegt zur Bestimmung einer Absolutposition. Mit diesen Sensoren kann aber auch eine Orientierung bestimmt werden, wenn die möglichen Bewegungsfreiheitsgrade (Gelenke) des Körperbereichs und die Positionierung eines solchen Sensors bekannt sind. Auch hier kann über Trilateration oder Triangulation eine Position oder Orientierung erfasst werden.
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Bevorzugte Sensortypen sind Positionssensitive Einheiten (PSD: Position Sensitive Device). Diese Sensoren können als Positionssensoren und/oder Neigungssensoren eingesetzt werden.
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Eine bevorzugte Kombination von Sensoren ist eine Kombination aus mindestens einem Hallsensor, mindestens einem Neigungssensor und mindestens einem Positionssensor, insbesondere mindestens einem 3D-Hallsensor, mindestens zwei 2D-Neigungsensoren und mindestens einem erfindungsgemäßen optischen Positionssensor, PSD oder Ultraschallsensor. Mit den Hall- und Neigungssensoren wird z.B. die Orientierung erfasst (z.B. Gier-, Roll- und Nickwinkel) und mit dem Hallsensor möglicherweise zusätzlich die Position (x,y,z, über MR-Gradienten). mit dem Positionssensor wird über Trilateration die Kopfposition erfasst (x,y,z).
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Wenn ein Neigungssensor dazu geeignet ist, Neigungen bezüglich zwei unterschiedlicher Raumachsen zu messen, genügt im Grunde ein Neigungssensor, wenn ein Neigungssensor-Typ nur dazu geeignet ist, Neigungen bezüglich einer einzigen Raumachse zu messen, sind zwei Neigungssensoren dieses Typs bevorzugt, die so ausgerichtet sind, dass sie Neigungen bezüglich unterschiedlichen Raumachsen messen.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn diese Sensoren während der MR-Messung mit dem Körperbereich (z.B. dem Kopf) des Patienten einen zusammenhängenden, starren Körper bilden, damit die Bewegung der Haut das Ergebnis nicht verfälscht. Hierfür sind die Sensoren bevorzugt in einer starren Halterung angeordnet, insbesondere einem Brillengestell (ggf. ohne Linsen), Gehörschutz (z.B. Ohrstöpsel oder Otoplastiken), Stirnband, Helm, Maske bzw. einer Kombination aus diesen Varianten. Eine Halterung kann aber auch als Band oder als spezielles Kleidungsstück, z.B. als Schuh, Handschuh oder Bandage ausgeführt sein, um die Sensoren auch an anderen Körperteilen anzubringen wie z.B. am Knie, am Ellbogen, an der Brust und am Fuß, um die Bewegung am ganzen Körper zu erfassen.
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Die Sensordaten müssen nun in einem Bereich außerhalb des MRT-Scanners bzw. außerhalb dessen Magnetfeldes transferiert werden, da eine Verarbeitung innerhalb die Messung stören könnte und selber Störungen unterworfen sein könnte.
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Gemäß einem bevorzugten System umfasst die Datentransfereinrichtung eine Datenschnittstelle, die zu einer kabellosen Datenübertragung, insbesondere über Funk oder Licht, bevorzugt für eine Datenübertragung über WiFi, Bluetooth oder IR-Link ausgelegt ist. Für MR-Kompatibilität soll die Datenübertragung zum Scanner bevorzugt optisch erfolgen bzw. Komponenten mit Mikrocontrollern und ggf. auch den Sensoren abgeschirmt sein (z.B. mit Kupferblech).
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Die Datentransfereinrichtung umfasst bevorzugt eine optische Transfervorrichtung mit einem optischen Sender und einem optischen Empfänger oder eine Funkvorrichtung mit einem Funksender und einem Funkempfänger.
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Bei einer bevorzugten optischen Datenübertragung steuert ein Mikrokontroller eine Lichtquelle, z.B. eine IR-Diode, (beide Komponenten sind Teil des Systems). Die Ansteuerung kann insbesondere nach dem TOS-Link- oder IR-Link Protokoll erfolgen. Die Lichtquelle kann dieses Signal dann zu einem optischen Empfänger außerhalb des MRT-Scanners senden, wobei der optische Empfänger z.B. eine Kamera oder eine Photodiode, bevorzugt Teil der Datentransfereinrichtung ist. Für ein gutes Signal kann die Lichtquelle an einen Lichtwellenleiter als Datenleitung gekoppelt sein. Bevorzugt wird das Licht zur Aussendung kollimiert, z.B. mittels einer Linse und/oder umgelenkt, z.B. durch einen Spiegel. Eine Kollimation ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Licht kann auch in einem großen Öffnungswinkel (z.B. im Bore) ausgestrahlt werden. Wenn das Licht nicht kollimiert ist, sind mehrere optische Empfänger (z.B. Photodioden) von Vorteil, die außerhalb oder im Bore verteilt sein können und das Signal auffangen.
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Ein bevorzugtes System umfasst die folgenden Komponenten:
- - eine Lichtquelle, insbesondere eine Infrarotdiode,
- - mindestens einen optischen Sensor, ausgelegt zur Messung von Druck, einer Position oder einer Neigung mittels des Lichtes der Lichtquelle,
- - eine Beleuchtungs-Lichtleiteranordnung, ausgelegt zur Leitung von Licht von der Lichtquelle zu dem optischen Sensor,
- - eine Signal-Lichtleiteranordnung, ausgelegt zur Leitung von Licht von dem optischen Sensor zu der Datentransfereinrichtung.
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Was optische Sensoren betrifft, insbesondere die bevorzugten optischen Drucksensoren bzw. die optischen Positionssensoren, ist es bevorzugt, diese über Lichtwellenleiter (LWL), die bevorzugt mit einer gemeinsamen Lichtquelle verbunden sind (z.B. einer LED) mit Licht zu versorgen. Dazu werden insbesondere die Eingangs-Lichtleiter mit dieser Lichtquelle optisch verbunden oder mit Lichtleitern, die bestimmungsgemäß Licht von dieser Lichtquelle führen (der Beleuchtungs-Lichtleiteranordnung).
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Gemäß einem bevorzugten System ist mindestens einer der optischen Sensoren ein optischer Drucksensor (s.o.: Beschreibung zum „Drucksensormodul“), umfassend einen Eingangs-Lichtleiter und einen Ausgangs-Lichtleiter, welche so angeordnet sind, dass ihre Stirnflächen einander zugewandt sind und sich bei einem auf den Sensor wirkenden Druck lateral zueinander verschieben, so dass in einem vorbestimmten Druckbereich ein Lichtstrahl vom Eingangs-Lichtleiter in den Ausgangs-Lichtleiter mit einer druckabhängigen Intensität strahlen kann. Dabei ist bevorzugt, dass zumindest einer der Lichtleiter mittels eines elastischen Elements elastisch im Drucksensor gelagert ist, so dass die Verschiebung der Lichtleiter mittels elastischer Verformung des elastischen Elements durch den Druck bewirkt wird.
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Ein bevorzugter Drucksensor umfasst einen Eingangs-Lichtleiter und einen Ausgangs-Lichtleiter, welche in zwei Sensorhälften so angeordnet sind, dass ihre Stirnflächen einander zugewandt sind und sich bei einem auf den Drucksensor wirkenden Druck lateral zueinander verschieben. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die beiden Sensorhälften, die aus einem starren Werkstoff, z.B. Hartplastik, gefertigt sind, mittels zumindest einem elastischen Element, insbesondere mittels zwei wechselseitig angeordneter elastischer Elemente, z.B. Elastomereinlagen, auseinandergehalten werden. Ein elastisches Element kann z.B. mit einer Sensorhälfte verklebt sein. Eingangs-Lichtleiter und Ausgangs-Lichtleiter sind bevorzugt jeweils starr in einer der Sensorhälften gehalten, z.B. dort eingeklebt.
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Wenn ein äußerer Druck auf das Drucksensormodul wirkt, werden die elastischen Elemente zusammengedrückt. Beispielsweise wird bei einer wechselseitigen Anordnung der elastischen Elemente und der starren Anordnung der Lichtleiter in den jeweiligen Sensorhälften Eingangs-Lichtleiter und Ausgangs-Lichtleiter dadurch gegeneinander verschoben, so dass sich deren zueinander weisenden Stirnflächen nicht mehr voll überlappen. Ein in den Eingangs-Lichtleiter fallender Lichtstrahl wird dadurch nicht in voller Intensität im Ausgangs-Lichtleiter sichtbar sein. Die beiden Sensorhälften greifen bevorzugt so ineinander, dass nur eine vertikale Relativbewegung möglich ist.
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Ein bevorzugter Sensor umfasst Stege unter den elastischen Elementen, welche diese nur teilflächig berühren und vom Gehäuse des Drucksensors beabstanden. Damit kann die Empfindlichkeit des Sensors bei jeweils gleichen elastischen Elementen angepasst werden: Je kleiner der Steg desto empfindlicher der Sensor. Diese Stege sind insbesondere als Einlagen aus Hartplastik mit variabler Größe realisiert.
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Gemäß einem bevorzugten System ist mindestens einer der optischen Sensoren ein optischer Positionssensor zur Messung der Position eines Lichtpunktes in einer Raumrichtung wie er bereits oben erwähnt wurde (s.o.: Beschreibung zum „Positionssensormodul)“. Mit bekannter Position der Lichtquelle kann dann eine Position oder eine Neigung (Orientierung) ermittelt werden. Der optische Sensor umfasst eine Lichtquelle, insbesondere eine Infrarotdiode (IR-Diode) und eine Signal-Lichtleiteranordnung aus Lichtleitern (insbesondere entlang dieser Raumrichtung) beabstandet von der Lichtquelle, deren Enden jeweils unterschiedlich orthogonal versetzt zu der Raumrichtung angeordnet sind und bevorzugt zur Lichtquelle weisend abgeschrägt sind. Bevorzugt umfasst der optische Positionssensor zwischen Lichtquelle und Signal-Lichtleiteranordnung eine Optik, insbesondere eine Zylinderlinse, welche das Licht der Lichtquelle auf eine Brennlinie orthogonal zu der Raumachse bündelt.
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Bevorzugt ist die Lichtquelle am Körperbereich angebracht, z.B. einer Brille, die ein Patient am Kopf tragen kann, und die Signal-Lichtleiteranordnung an einer fest zum MRT-Scanner positionierten Komponente, z.B. an einer Kopfspule. Die Lichtquelle projiziert dann im Betrieb des Sensors bevorzugt (insbesondere mittels einer Zylinderlinse) eine Lichtlinie auf die Signal-Lichtleiteranordnung, wobei der Schnittpunkt mit dem jeweiligen Ende eines Lichtleiters der Signal-Lichtleiteranordnung erfasst wird. Die Lichtlinie sollte quer, insbesondere orthogonal, zur Raumrichtung ausgerichtet sein. Eine exakt orthogonale Ausrichtung zur Raumrichtung ist nicht immer möglich, weil sich eine Lichtquelle, die über eine Halterung mit dem Körperbereich verbunden ist, z.B. eine Brille mit dem Kopf des Patienten, im Raum bewegen kann. Hier ist zu beachten, dass bei z.B. gleichen Position des Körperbereichs je nach Orientierung des Körperbereichs ein anderer Lichtleiter vom Lichtstrahl getroffen werden kann und umgekehrt. Für eine genaue translatorische Positionsbestimmung sollte somit die Orientierung mitberücksichtigt werden, für eine Bestimmung der Orientierung die genaue Position.
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Die Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung können insbesondere parallel (und bevorzugt dicht gepackt) in der zu vermessenden Raumrichtung ausgerichtet sein und die Lichtquelle auf einem Punkt der Flächennormalen der Ebene der Signal-Lichtleiteranordnung. Die Enden der Lichtleiter sind bevorzugt schräg um 45 Grad abgeschnitten und poliert. So kann eine maximale Intensität in einen LWL eingekoppelt werden, dessen schräges Ende gerade vom Lichtstrahl der Lichtquelle getroffen wird.
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Die Lichtquelle (z.B. eine IR-LED) bleibt bevorzugt permanent eingeschaltet. Die Lichtwellenleiter der Signal-Lichtleiteranordnung sind bevorzugt an der Innenwand einer Kopfspule mit ihren Enden (insbesondere treppenförmig) versetzt zueinander angebracht. Es ist bevorzugt, dass das Licht an eine Lichtmatrix geleitet wird, die in anderen Teilen genauer beschrieben wird.
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Alternativ oder ergänzend ist auch bevorzugt, dass das Licht der Lichtquelle mittels eines PSD (positionssensitiven Detektor) detektiert wird, dies hat jedoch den Nachteil, dass nicht rein optisch gearbeitet werden kann, sondern eine (abgeschirmte) Elektronik vorhanden sein muss. Bevorzugt ist eine Anordnung von 1 bis 10 (oder mehr) IR-Dioden mit einer sequenziellen Triggerung am Körperbereich (z.B. in besagter Brille) und mehrere 2D-PSD-Sensoren (z.B. 1 bis 10) an festen Positionen relativ zum MRT-Scanner (z.B. in einer Kopfspule). Eine Bestimmung der Position kann dann über eine Triangulation stattfinden.
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Alternativ oder ergänzend ist die Verwendung von Ultraschalldetektoren bevorzugt. Positionen und Orientierungen können dabei mittels Trilateration ermittelt werden. Bevorzugt arbeiten die Ultraschalldetektoren dabei mit sehr kurzen (Millisekundenbereich), hochfrequenten (>200kHz) Pulsen. Vorteilhaft ist es, einen (oder zwei oder drei) Ultraschallsender am Körperbereich zu befestigen (z.B. über besagte Brille) und drei oder mehr Ultraschallempfänger fest zum MRT-Scanner (z.B. im Inneren einer Kopfspule) zu verteilen.
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Bei der Verwendung von optischen Sensoren in der Sensoranordnung können deren Lichtsignale auch direkt aus dem MRT-Scanner gesendet werden ohne weitere Komponenten einzufügen. Die Datentransfereinrichtung umfasst dann eine Einheit (kann als „optischer Sender“ bezeichnet werden), welche diese Lichtsignale nach außen leitet und einen optischen Empfänger, der diese Lichtsignale empfangen und ggf. räumlich auflösen kann, z.B. eine Kamera.
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Gemäß einem bevorzugten System ist die Datentransfereinrichtung so gestaltet, dass Licht von unterschiedlichen Lichtleitern der Signal-Lichtleiteranordnung an unterschiedlichen Positionen einer Signalfläche (aus dem MRT-Scanner) austreten kann, insbesondere in Form einer Matrix, so dass Licht bevorzugt aus unterschiedlichen Lichtleitern Lichtpunkte an unterschiedlichen Positionen der Signalfläche erzeugen kann. Das System (genauer die Datentransfereinrichtung umfasst dazu als optischen Empfänger bevorzugt eine Kamera, die außerhalb des Magnetresonanztomographie-Scanners positioniert oder positionierbar ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Lichtpunkte aufzunehmen (und natürlich räumlich aufzulösen, also scharf darzustellen).
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Bevorzugt leitet die Signal-Lichtleiteranordnung das vom Sensor als Signal durchgelassene Licht an Lichtpunkte der Signalfläche weiter, die sich z.B. an der Rückwand einer Kopfspule befinden (bevorzugt jeder Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung an einen individuellen Lichtpunkt). Zur bevorzugten Erzeugung eines Lichtpunkts wird das Licht aus dem jeweiligen Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung ausgekoppelt, dann zunächst durch einen Diffusor homogenisiert und aufgefächert und trifft dann auf einen halbtransparenten Projektionsschirm. Bevorzugt ist die Lichtmatrix somit eine Anordnung von halbtransparenten Pixeln, die das Ausgangslicht der Signal-Lichtleiteranordnung auf eine größere Fläche (z.B. 10 x 10 mm) verteilen. Diese Lichtpunkte können insbesondere aus einem rechteckigen oder runden, kurzen Plastikrohr abgestrahlt werden, in dessen inneren Seite der Lichtwellenleiter zentral fixiert wird und die Außenseite durch halbtransparentes Material (wie z.B. Milchglas) geschlossen wird. Die einzelnen Lichtpunkte können für eine bessere Unterscheidung benachbarter Lichtpunkte voneinander von einem jeweiligen undurchsichtigen Rand umgeben sein.
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Bevorzugt werden Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung von optischen Sensoren zu individuellen Lichtpunkten an der hinteren Seite einer Kopfspule geführt, insbesondere zu einer Lichtmatrix.
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Bei den beschriebenen optischen Drucksensoren findet beispielsweise eine Digitalisierung der Messdaten erst bei der Aufnahme der Lichtmatrix durch eine Kamera statt. Die Lichtmatrix gibt dabei ein analoges Signal (Lichtintensität) wieder, das zu der Druckverteilung der Drucksensoren proportional ist. Die Kamera befindet sich außerhalb des Bores in einer Entfernung von insbesondere mehr als einem Meter, in einem Faradaykäfig (zur Abschirmung von dem Magnetfeld) und überträgt die digitalisierten Videodaten aus diesem Käfig weiter zu einer Verarbeitungseinheit (z.B. mittels eines Lichtleiters). Für eine vollständige HF-dichtigkeit des Käfigs kann vor dem Kameraobjektiv elektrisch leitendes Glas (ITO-Beschichtung) platziert und galvanisch leitend mit dem Käfig verbunden werden.
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Ein bevorzugtes System umfasst eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Sensordaten der Sensoranordnung, wobei die Verarbeitungseinheit zur Triangulation und/oder Trilateration ausgelegt ist, oder einen maschinenlernfähigen Algorithmus umfasst, der dazu trainiert ist, aus Sensordaten einer Mehrzahl von Sensoren, insbesondere Drucksensoren, eine Positionierung eines Körperbereichs zu bestimmen.
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Nachdem die Sensordaten außerhalb des Magneten erfasst worden sind, z.B. eine Verteilung von Lichtpunkten einer Lichtmatrix mittels einer Videokamera aufgenommen worden ist, kann die Sensorinformation (das Bild der Kamera) zur Verarbeitung weiterleitet werden.
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Die Sensorinformation wird dann bevorzugt wie folgt ausgewertet: In dem Bild werden die einzelnen Pixel der Lichtmatrix mit Hilfe der Standardmethoden der Bildverarbeitung lokalisiert. Dann wird für jeden Lichtpunkt seine Lichtintensität ermittelt, indem man über alle Bildpunkte, die diesen Lichtpunkt darstellen, die Intensität mittelt. Das gleiche wird bevorzugt zusätzlich mit bekannten Referenz-Lichtpunkten der Lichtmatrix getan, die eine vordefinierte Lichtintensität, z.B. die Maximalintensität eines Lichtleiters der Signal-Lichtleiteranordnung wiedergeben. Damit kann die gemessene Intensität der übrigen Lichtpunkte auf einen (ggf. bekannten) Referenzwert normiert werden, was besonders vorteilhaft ist, um störende Faktoren wie die Schwankung der Lichtintensität der Lichtquelle oder andere Störfaktoren innerhalb der optischen Signalkette zu eliminieren.
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Eine bevorzugte Auswertung von Sensordaten erfolgt vorzugsweise durch ein vorwärtsgerichtetes, vollverbundenes, künstliches neuronales Netz. Dies hat den Vorteil einer einfachen Verarbeitung, da eine rein analytische Auswertung der Signalverteilung von vielen Sensoren deutlich aufwendiger ist als ein solches Netz zu trainieren. Ein solches Netz hat N Neuronen in der Inputschicht, die bevorzugt der Anzahl der Sensoren bzw. den Lichtpunkten in der Sensormatrix entspricht. Es folgen bevorzugt mehrere verborgene Schichten (z.B. 1 bis 6) mit bevorzugt je N bis N*10 Neuronen. Die Ausgabeschicht umfasst bevorzugt mindestens 6 Neuronen, die drei Freiheitsgrade der Orientierung (α,β,γ) und drei Freiheitsgrade der Position (x,y,z) des Körperbereichs wiedergeben. Soll auch ein Bewegungszustand ermittelt werden, sollte die Ausgangsschicht entsprechend mehr Neuronen aufweisen.
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Trainiert wird das Netz bevorzugt anhand von mehreren Beispielen über die bekannte Methode der Fehlerrückführung.
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Die Verarbeitungseinheit muss nicht zwingend Teil des Systems sein. Sie ist bei einem entsprechenden Training auch in der Lage die Sensordaten anderer Sensoren auszuwerten. Beispielsweise kann sie in einer Steuereinrichtung eines MRT-Systems integriert sein, z.B. als Softwaremodul.
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Ein bevorzugtes System umfasst eine Sensorhalterung, in oder an der Sensoren oder Sensorkomponenten der Sensoranordnung angebracht sind, wobei diese Sensorhalterung so gestaltet ist, dass sie an einem Körperbereich eines Patienten anbringbar ist, bevorzugt wobei die Sensorhalterung ein Brillengestell ist (insbesondere ohne Gläser), welches an Ohren und Nase eines Patienten angebracht werden kann.
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Ein weiteres bevorzugtes System umfasst eine Sensoranordnung aus Drucksensoren, die in einer insbesondere schalenförmigen Halterung angeordnet sind, welche z.B. zur Lagerung des Kopfes ausgelegt ist.
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Das System umfasst vorzugsweise des Weiteren eine Lichtquelle, und eine Anzahl von Lichtleitern, die die Eingangs-Lichtleiter der Drucksensoren sein können oder mit diesen verbunden sind und Licht von der Lichtquelle zu den Drucksensoren oder den anderen Sensoren in oder an einer Halterung leiten können. Bevorzugt umfasst das System weitere Lichtleiter (können die Ausgangs-Lichtleiter sein, oder mit diesen verbunden sein), Die das durch die Sensoren scheinende Licht zur Datentransfereinrichtung leiten. Die Datentransfereinrichtung umfasst bevorzugt eine Lichtmatrix, so dass eine Anzahl (jeder) der dorthin führenden Lichtleiter durch einen Lichtpunkt der Lichtmatrix repräsentiert wird.
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Ein bevorzugtes System umfasst eine brillenförmige Halterung, in die die Sensoranordnung integriert oder dort angebracht ist und die insbesondere ein Brillengestell ohne Linsen ist. An diesem Gestell sind z.B. die verschiedenen Sensoren der Sensoranordnung angebracht. Die Sensoren sind z.B. ein 3D-Hall-Sensor, welcher den Winkel gegen die Z-Achse misst (Gierwinkel) und/oder ein 2D-Neigunssensor und/oder andere Sensoren, mit denen über Trilateration eine Positionierung erfasst werden kann. Bevorzugt sind Komponenten der Sensoren auch außerhalb der Halterung platziert. Beispielsweise ein Sender in der Halterung (Ultraschallsender oder IR-LED) und Empfänger in einer umgebenden Kopfspule (Ultraschallempfänger oder PSD/LWL), alternativ können auch umgekehrt die Sender in einer umgebenden Kopfspule und die Empfänger in der Halterung angebracht sein.
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Eine Kombination von 3D-Hallsensoren mit Neigungssensoren ist deshalb bevorzugt, weil ein 3D-Hallsensor in der Regel nur zwei Raumwinkel auflösen kann (wegen dem Grundmagnetfeld in Z-Richtung). Drift-freie Neigungssensoren (z.B. Inklinationssensoren mit dem statischen Messprinzip ohne Beschleunigung) geben ebenfalls nur zwei Winkel gegen die vertikale Achse des Gravitationsfeldes der Erde wieder. Daher ist zur Ermittlung für die drei Raumwinkel eines Objektes aus Messdaten eine Kombination beider Sensorarten bevorzugt, auch wenn diese Kombination redundante Informationen liefern sollte.
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Eine bevorzugte Sensoranordnung hat die Form einer Flachbaugruppe umfassend mindestens zwei Sensoren z.B. ein Hallsensor, ein Neigungssensor für 2 Achsen und ggf. zusätzlich ein Ultraschallsensor. Das System weist bevorzugt einen Mikrocontroller auf, mit dem die Sensoren datentechnisch verbunden sind und der die Sensorsignale in Daten konvertiert, welche über die Datentransfereinrichtung transferiert werden können.
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Wenn die Kabelverbindung unerwünscht ist bzw. das System vollständig autark arbeiten soll, muss eine Stromversorgung integriert sein oder eine alternative Versorgung mit Energie, z.B. mit Licht für optische Detektoren und den Datentransfer, stattfinden. Das System umfasst dazu bevorzugt einen Akkumulator, einen Superkondensator oder eine Solarzelle oder eine optische Schnittstelle, über die es von einer externen Lichtquelle (z.B. einem Laser) mit Energie bzw. Licht versorgt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System eine Lichtquelle, insbesondere eine Infrarotlichtquelle, außerhalb des MRT-Scanners, die bevorzugt einen kollimierten Lichtstrahl in Richtung des MRT-Scanners emittiert. Eine bevorzugte Lichtquelle umfasst oder ist eine LED oder ein Laser. Zusätzlich sind Enden der Beleuchtungs-Lichtleiter so ausgerichtet, dass sie von der Lichtquelle beleuchtet werden. Die Lichtquelle wiederrum sollte so ausgerichtet sein und die Fokussierung des Lichtstrahls so gewählt sein, dass sie alle Enden der Beleuchtungs-Lichtleiter beleuchtet. Dies hat den Vorteil, dass keine eigene Lichtquelle innerhalb des Scanners benötigt wird und Ausführungsformen realisiert werden können, die ohne eine Energiequelle im Scanner auskommen. Auch wäre damit eine Sensoranordnung mit den hier beschriebenen optischen Sensoren möglich, mit der herkömmliche Kopfspulen nicht verändert werden müssen: Die bevorzugte Sensoranordnung wird mit einem Bündel von Beleuchtungs-Lichtleitern und Signal-Lichtleitern verbunden, die durch vorhandene seitliche Öffnungen der Kopfspule geführt werden. Der Fokusfleck der Lichtquelle ist auf das Input-Ende der Beleuchtungs-Lichtleiter gerichtet und das Output-Ende der Signal-Lichtleiter mündet in die Signalfläche bzw. die Lichtmatrix.
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Es wird nochmals angemerkt, dass für eine gute MR-Kompatibilität die Datenübertragung bevorzugt optisch erfolgen sollte und elektrische Komponenten abgeschirmt sein sollten.
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Besondere Vorteile der Erfindung sind, dass die Position- und Orientierungserfassung direkt erfolgt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlinterpretation des Signals gravierend sinkt. Ein Brillengestell (oder eine ähnliche Vorrichtung) ist deutlich weniger anfällig gegenüber einer Bewegung der Gesichtshaut als bei der aktuellen MoCo-Lösung.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind ein Kostenvorteil, da die Komponenten preisgünstig und das System und bevorzugte Sensoren einfach zu fertigen sind, die Zuverlässigkeit, da Signale durch den Patienten, z.B. durch seine Mimik, nicht verfälscht werden können und die gute MR-kompatibilität, da die Signalerfassung optisch erfolgen kann und metallische bzw. elektronische Geräte außerhalb des Magneten positioniert werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Magnetresonanztomographiesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 Druckverteilungen bei unterschiedlichen Kopfpositionen von oben betrachtet.
- 3 Druckverteilungen bei unterschiedlichen Kopfpositionen von der Seite betrachtet,
- 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 5 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines bevorzugten Drucksensormoduls,
- 6 ein Drucksensormodul in Seitenansicht,
- 7 eine Verdeutlichung einer optischen Druckmessung,
- 8 ein bevorzugtes System mit einer bevorzugten Sensoranordnung,
- 9 ein bevorzugtes System mit einer brillenförmigen Halterung,
- 10 ein bevorzugtes System,
- 11 skizzenhaft eine optische Datenübertragung,
- 12 skizzenhaft eine weitere optische Datenübertragung,
- 13 ein bevorzugtes optisches Positionssensormodul,
- 14 das optische Positionssensormodul von 13 aus einer anderen Perspektive,
- 15 die Lichtleitung bei einem bevorzugten optischen Positionssensormodul,
- 16 eine Kopfspule mit einer bevorzugten Signalfläche in Form einer Lichtmatrix,
- 17 eine genauere Darstellung der Lichtmatrix aus 16,
- 18 eine Kopfspule mit einer bevorzugten Signalfläche und einem bevorzugten optischen Positionssensor,
- 19 skizzenhaft eine bevorzugte optische Datenübertragung.
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In den folgenden Figuren sind nur für die Erfindung wesentliche oder zu ihrem Verständnis hilfreiche Elemente eingezeichnet. So sind z.B. keine Schichtselektionsgradienten dargestellt, obwohl sie in der Pulssequenz durchaus vorhanden sein können.
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In 1 ist grob schematisch ein Magnetresonanztomographiesystem 1 dargestellt. Es umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem Untersuchungsraum 3 bzw. Patiententunnel, in den auf einer Liege 8 ein Patient oder Proband positioniert ist, in dessen Körper sich das eigentliche Untersuchungsobjekt 0 befindet und dessen Kopf auf einer Kopfauflage 12 bzw. in einer Kopfhalterung 12 ruht.
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Der Magnetresonanzscanner 2 ist in üblicher Weise mit einem Grundfeldmagnetsystem 4, einem Gradientensystem 6 sowie einem HF-Sendeantennensystem 5 und einem HF-Empfangsantennensystem 7 ausgestattet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem HF-Sendeantennensystem 5 um eine im Magnetresonanzscanner 2 fest eingebaute Ganzkörperspule, wogegen das HF-Empfangsantennensystem 7 aus am Patienten bzw. Probanden anzuordnenden Lokalspulen besteht (hier nur durch eine einzelne Lokalspule symbolisiert). Grundsätzlich können aber auch die Ganzkörperspule als HF-Empfangsantennensystem und die Lokalspulen als HF-Sendeantennensystem genutzt werden, sofern diese Spulen jeweils in unterschiedliche Betriebsweisen umschaltbar sind. Das Grundfeldmagnetsystem 4 ist hier in üblicher Weise so ausgebildet, dass es ein Grundmagnetfeld in Längsrichtung des Patienten erzeugt, d. h. entlang der in z-Richtung verlaufenden Längsachse des Magnetresonanzscanners 2. Das Gradientensystem 6 umfasst in üblicher Weise einzeln ansteuerbare Gradientenspulen, um unabhängig voneinander Gradienten in x-, y- oder z-Richtung schalten zu können. Zudem kann der Magnetresonanzscanner 2 (nicht dargestellte) Shimspulen enthalten, die in üblicher Weise ausgebildet sein können.
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Bei dem hier dargestellten Magnetresonanztomographie-System handelt es sich um eine Ganzkörperanlage mit einem Patiententunnel, in den ein Patient komplett eingebracht werden kann. Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch an anderen Magnetresonanztomographie-Systemen, z. B. mit seitlich offenem, C-förmigen Gehäuse, verwendet werden.
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Das Magnetresonanztomographie-System 1 weist weiterhin eine zentrale Steuereinrichtung 13 auf, die zur Steuerung des MRT-Systems 1 verwendet wird. Diese zentrale Steuereinrichtung 13 umfasst eine Sequenzsteuereinheit 14. Mit dieser wird die Abfolge von Hochfrequenz-Pulsen (HF-Pulsen) und von Gradientenpulsen in Abhängigkeit von einer gewählten Pulssequenz oder einer Abfolge von mehreren Pulssequenzen zur Aufnahme mehrerer Schichten in einem interessierenden Volumenbereich des Untersuchungsobjekts innerhalb einer Messsitzung gesteuert. Eine solche Pulssequenz kann beispielsweise innerhalb eines Mess- oder Steuerprotokolls vorgegeben und parametrisiert sein. Üblicherweise sind verschiedene Steuerprotokolle für unterschiedliche Messungen bzw. Messsitzungen in einem Speicher 19 hinterlegt und können von einem Bediener ausgewählt (und bei Bedarf gegebenenfalls geändert) und dann zur Durchführung der Messung genutzt werden. Im vorliegenden Fall enthält die Steuereinrichtung 13 Pulssequenzen zur Akquisition der Rohdaten.
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Zur Ausgabe der einzelnen HF-Pulse einer Pulssequenz weist die zentrale Steuereinrichtung 13 eine Hochfrequenzsendeeinrichtung 15 auf, die die HF-Pulse erzeugt, verstärkt und über eine geeignete Schnittstelle (nicht im Detail dargestellt) in das HF-Sendeantennensystem 5 einspeist. Zur Steuerung der Gradientenspulen des Gradientensystems 6, um entsprechend der vorgegebenen Pulssequenz PS die Gradientenpulse passend zu schalten, weist die Steuereinrichtung 13 eine Gradientensystemschnittstelle 16 auf. Über diese Gradientensystemschnittstelle 16 könnten die Diffusions-Gradientenpulse und Spoiler-Gradientenpulse appliziert werden. Die Sequenzsteuereinheit 14 kommuniziert in geeigneter Weise, z. B. durch Aussendung von Sequenzsteuerdaten, mit der Hochfrequenzsendeeinrichtung 15 und der Gradientensystemschnittstelle 16 zur Ausführung der Pulssequenz.
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Die Steuereinrichtung 13 weist außerdem eine (ebenfalls in geeigneter Weise mit der Sequenzsteuereinheit 14 kommunizierende) Hochfrequenzempfangseinrichtung 17 auf, um innerhalb der durch die Pulssequenz vorgegebenen Auslesefenster koordiniert mittels des HF-Empfangsantennensystems 7 Magnetresonanz-Signale zu empfangen und so die Rohdaten zu akquirieren.
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Eine Rekonstruktionseinheit 18 übernimmt hier die akquirierten Rohdaten und rekonstruiert daraus Magnetresonanz-Bilddaten. Auch diese Rekonstruktion erfolgt in der Regel auf Basis von Parametern, die in dem jeweiligen Mess- oder Steuerprotokoll vorgegeben sein können. Diese Bilddaten können dann beispielsweise in einem Speicher 19 hinterlegt werden.
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Wie im Detail durch ein Einstrahlen von HF-Pulsen und das Schalten von Gradientenpulsen geeignete Rohdaten akquiriert und daraus MR-Bilder oder Parameter-Karten rekonstruiert werden können, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
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Eine Bedienung der zentralen Steuereinrichtung 13 kann über ein Terminal 11 mit einer Eingabeeinheit 10 und einer Anzeigeeinheit 9 erfolgen, über das somit auch das gesamte Magnetresonanztomographie-System 1 durch eine Bedienperson bedient werden kann. Auf der Anzeigeeinheit 9 können auch Magnetresonanztomographie-Bilder angezeigt werden, und mittels der Eingabeeinheit 10, gegebenenfalls in Kombination mit der Anzeigeeinheit 9, können Messungen geplant und gestartet und insbesondere Steuerprotokolle ausgewählt und gegebenenfalls modifiziert werden.
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Das erfindungsgemäße Magnetresonanztomographie-System 1 und insbesondere die Steuereinrichtung 13 können darüber hinaus noch eine Vielzahl von weiteren, hier nicht im Einzelnen dargestellten, aber üblicherweise an derartigen Anlagen vorhandenen Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Netzwerkschnittstelle, um das gesamte System mit einem Netzwerk zu verbinden und Rohdaten und/oder Bilddaten bzw. Parameter-karten, aber auch weitere Daten, wie beispielsweise patientenrelevante Daten oder Steuerprotokolle, austauschen zu können.
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Wie durch ein Einstrahlen von HF-Pulsen und die Erzeugung von Gradientenfeldern geeignete Rohdaten akquiriert und daraus Magnetresonanztomographie-Bilder rekonstruiert werden können, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und wird hier nicht näher erläutert.
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2 zeigt Druckverteilungen bei unterschiedlichen Kopfpositionen von oben betrachtet. In der Mitte weist der Kopf gerade nach oben rechts und links davon ist er entsprechend nach rechts bzw. links gedreht (entspricht einem Rollen um die Längsachse). Unter dem Kopf befinden sich drei Drucksensoren D1, D2, D3, deren Sensordaten SD1, SD2, SD3 jeweils unter dem jeweiligen Bild dargestellt sind. Man erhält für jede unterschiedliche Positionierung des Kopfes eine unterschiedliche Druckverteilung, bei der höhere Balken einen größeren Druck anzeigen. Aus der Druckverteilung kann man also ableiten, ob der Kopf gerade nach vorne ausgerichtet ist oder nach links oder rechts gedreht ist.
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3 zeigt Druckverteilungen bei unterschiedlichen Kopfpositionen von der Seite betrachtet. In der Mitte weist der Kopf gerade nach oben rechts und links davon ist er um einen Nickwinkel nach vorne bzw. hinten ausgelenkt. Wie in 2 befinden sich unter dem Kopf drei Drucksensoren D1, D2, D3, deren Sensordaten SD1, SD2, SD3 jeweils unter dem jeweiligen Bild dargestellt sind. Auch hier erhält man eine Druckverteilung, bei der höhere Balken einen größeren Druck anzeigen. Aus der Druckverteilung kann man also ableiten, ob der Kopf gerade nach vorne ausgerichtet ist oder eine Nickbewegung vollführt hat.
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Beispielsweise könnte die Kopfauflage 12 in 1, z.B. ein Kopfkissen in einer Kopfspule zum Komfort des Patienten, mit den Drucksensoren D1, D2, D3 ausgestattet sein. Diese Drucksensoren sollten dabei so angeordnet werden, dass sämtliche Bewegungsfreiheitsgrade, die der menschliche Kopf in der Kopfspule hat, durch diese Sensoren erfasst werden, also z.B. 3 x 3 Drucksensoren D1, D2, D3, um eine Kombination der 2 und 3 zu erhalten. Es kann ausgeschlossen werden, dass im klinischen Betrieb ein Patient versuchen würde das Gewicht des Kopfes während der Untersuchung mit seiner Muskelkraft zu kompensieren. Stattdessen ruht der Kopf in einer entspannten Lage auf der Kopfauflage 12. Es wären dann die in den 2 und 3 gezeigten Kopfbewegungen alleine oder in Kombination zu erwarten, wobei der Kontakt des Kopfes mit dem Kissen nicht unterbrochen wird. Die Druckverteilung des Kopfes auf das Kissen verändert sich dabei entsprechend der aktuellen Lage (also in Kombinationen der Zustände, wie sie in den 2 und 3 dargestellt sind). Aus dieser Druckverteilung kann die Orientierung und die Lage des Kopfes aus den Sensordaten SD1, SD2, SD3 ermittelt werden.
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4 zeigt diesbezüglich eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Positionierung eines Körperbereichs eines Patienten P in einem Magnetresonanztomographie-Scanner 1, mit einem System 20, wie es z.B. in den folgenden Figuren genauer dargestellt wird.
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In Schritt 1 erfolgt eine Aufnahme von Sensordaten SD1, SD2, SD3 mittels der Sensoren D1, D2, D3, S1, S2, S3 der Sensoranordnung 21 des Systems 20.
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In Schritt 2 erfolgt ein Transfer der Sensordaten SD1, SD2, SD3 über die Datentransfereinrichtung 22, bevorzugt auf optischem Wege, in einen Bereich außerhalb des Magnetresonanztomographie-Scanners.
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In Schritt 3 erfolgt eine Ermittlung der Positionierung eines von den Sensoren D1, D2, D3, S1, S2, S3 vermessenen Körperbereichs aus den Sensordaten SD1, SD2, SD3, wobei die Sensordaten SD1, SD2, SD3 von Drucksensoren bevorzugt mittels eines maschinenlernfähigen Algorithmus verarbeitet werden, der dazu trainiert ist, aus den Sensordaten SD1, SD2, SD3 eine Positionierung eines Körperbereichs zu bestimmen und/oder wobei die Positionierung aus den Sensordaten SD1, SD2, SD3 mittels Trilateration und/oder Triangulation die Positionierung des Körperbereichs ermittelt wird. Diese Ermittlung erfolgt dabei natürlich außerhalb des MRT-Scanners, um die Messung nicht zu stören.
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5 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines bevorzugten Drucksensormoduls 30. 6 zeigt ein Drucksensormodul 30, was das der 5 sein kann, in Seitenansicht. Das Modul umfasst einen Eingangs-Lichtleiter 31 und einen Ausgangs-Lichtleiter 32, welche in zwei Sensorhälften 33 so angeordnet sind, dass ihre Stirnflächen einander zugewandt sind (s. z.B. 6) und sich bei einem auf das Drucksensormodul 30 wirkenden Druck lateral zueinander verschieben. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Sensorhälften 33, die aus einem starren Werkstoff, z.B. Hartplastik, gefertigt sind, mittels wechselseitig angeordneter elastischer Elemente 34, z.B. Elastomereinlagen, auseinandergehalten werden (s. z.B. 6), welche z.B. mit der jeweiligen Sensorhälfte 33 verklebt sind. Eingangs-Lichtleiter 31 und Ausgangs-Lichtleiter 32 sind jeweils starr in einer der Sensorhälften 33 gehalten, z.B. eingeklebt. Das in 5 sichtbare schlitzförmige Loch dient der Führung des Eingangs-Lichtleiters 31.
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Wenn ein äußerer Druck auf das Drucksensormodul 30 wirkt, werden die elastischen Elemente 34 zusammengedrückt. Durch die wechselseitige Anordnung der elastischen Elemente und der starren Anordnung der Lichtleiter 31, 32 in den jeweiligen Sensorhälften 33 werden Eingangs-Lichtleiter 31 und Ausgangs-Lichtleiter 32 dadurch gegeneinander verschoben, so dass sich deren zueinander weisenden Stirnflächen nicht mehr voll überlappen. Ein in den Eingangs-Lichtleiter 31 fallender Lichtstrahl wird dadurch nicht in voller Intensität im Ausgangs-Lichtleiter 32 sichtbar sein.
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Bei der hier dargestellten Sensorkonstruktion wird durch die Form der Sensorhälften 33 ein Verkippen der Sensorflächen unter Druck verhindert. Die beiden Sensorhälften 33 greifen so ineinander, dass nur eine vertikale Relativbewegung möglich ist (s. z.B. 6). Die Flächengröße der elastischen Elemente 34 und deren Elastizität definieren die Empfindlichkeit des Sensors. Mittels Stegen 35 kann die Empfindlichkeit des Sensors bei jeweils gleichen elastischen Elementen 34 angepasst werden (je kleiner der Steg 35 desto empfindlicher der Sensor). Diese Stege 35 können z.B. als Einlagen aus Hartplastik mit variabler Größe implementiert werden, womit die Empfindlichkeit im fertigen Sensor nachträglich verändert werden kann.
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Dies ist in 7 dargestellt, die eine optische Druckmessung verdeutlicht. Der Graph zeigt den Zusammenhang zwischen der Verschiebung der Lichtleiter 31, 32 bei einem äußeren Druck (siehe unten angedeutete Module einmal ohne Druck und einmal mit), welche einem von außen wirkenden Druck entspricht, auf der X-Achse und der Intensität eines durch die Lichtleiter 31, 32 strahlenden Lichtstrahls auf der Y-Achse normiert auf die Gesamtintensität. Die Verschiebung der Lichtleiter ist auf der X-Achse mit den Kreisen angezeigt, welche die Relativpositionen runder Lichtleiterenden zueinander darstellen sollen.
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Über große Bereiche verläuft der Graph nahezu proportional. Die maximale Intensität erhält man, wenn die LWL-Stirnseiten axial ohne Versatz ausgerichtet sind (kein Druck). Die minimale Intensität hat man entsprechend beim maximalen Versatz.
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8 zeigt ein bevorzugtes System 20 mit einer bevorzugten Sensoranordnung 21 aus drei Gruppen von Drucksensoren D1, D2, D3, die durchaus Drucksensormodule nach 5 sein können. Die Drucksensoren D1, D2, D3 sind in einer schalenförmigen Halterung 23 angeordnet, die z.B. der Lagerung des Kopfes dienen kann, wie z.B. in 2 und 3 gezeigt. Aus einer Lichtquelle LQ strahlt ein Licht durch eine Beleuchtungs-Lichtleiteranordnung BL, die die Eingangs-Lichtleiter 31 von Drucksensoren D1, D2, D3 sein können oder mit diesen verbunden ist. Nach dem Durchtritt wird das durch die Drucksensoren D1, D2, D3 hindurchgegangene Licht durch eine Signal-Lichtleiteranordnung SL (können die Ausgangs-Lichtleiter 32 sein, oder mit diesen verbunden sein) auf eine Lichtmatrix LM, so dass jeder Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung SL durch einen Lichtpunkt LP der Lichtmatrix LM repräsentiert wird.
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9 zeigt ein bevorzugtes System 20 mit einer brillenförmigen Halterung 23, in die die Sensoranordnung 21 integriert ist. Auf der Nase und Ohren des Patienten ist hier ein Brillengestell ohne Linsen platziert. An diesem Gestell werden verschiedene Sensoren der Sensoranordnung 21 angebracht, z.B. ein 3D-Hallsensor, welcher den Winkel gegen die Z-Achse misst (Gierwinkel). Wegen der Rotationssymmetrie des B0-Feldes in einem MRT-Scanner nach 1 reicht der 3D-Hallsensor dort alleine nicht aus, um alle drei Orientierungswinkel des Kopfes zu erfassen. Mit einem zusätzlichen 2D-Neigunssensor können jedoch der Roll-, und der Nickwinkel gegen die Gravitationsachse gemessen werden.
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Mit anderen Sensoren kann über Trilateration die Kopfposition erfasst werden. Hierfür können Komponenten der Sensoren auch außerhalb platziert werden. Beispielsweise ein Sender in der Halterung 23 (Ultraschallsender oder IR-LED) und Empfänger in einer umgebenden Kopfspule (Ultraschallempfänger oder PSD oder LWL), alternativ können auch umgekehrt die Sender in einer umgebenden Kopfspule und die Empfänger in der Halterung 23 angebracht sein. Wie oben gesagt, kann die Position auch über den Hallsensor und die Gradienten des MRT-Scanners erfasst werden. Über ein Kabel 24 kann die Sensoranordnung 21 mit Strom versorgt werden.
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10 zeigt eine solche bevorzugte Sensoranordnung 21 in Form einer Flachbaugruppe umfassend drei Sensoren S1, S2, S3, z.B. ein Hallsensor, ein Neigungssensor für 2 Achsen und ein Ultraschallsensor. Mit den Sensoren ist ein Mikrocontroller 25 verbunden, der die Sensorsignale in Daten konvertiert und über eine Datentransfereinrichtung 22 aus dem MRT-Scanner transferiert, wo sie dann verarbeitet werden können.
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Die Datentransfereinrichtung 22 umfasst hier eine optische Transfervorrichtung 27 mit einem optischen Sender 27a, der hier mittels Lichtsignalen einer IR-Diode 29 betrieben wird und einem optischen Empfänger 27b sowie eine Funkvorrichtung 28 mit einem Funksender 28a und einem Funkempfänger 28b. Die Elemente der Datentransfereinrichtung 22 können von einem Akkumulator 26 gespeist über ein Kabel 24 mit Strom versorgt werden (z.B. einer Gleichspannung von 3V, was die MR-Bildgebung nicht stört) und erhalten ihre Informationen über Datenleitungen 24a, z.B. Lichtleiter oder Kabel. Die Sensordaten SD können z.B. in Form von bekannten SPI- oder I2C-Übertragungen transferiert werden.
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Die Sensordaten können z.B. zu einer Steuereinrichtung 13 des MRT-Scanners 2 transferiert werden. Für MR-Kompatibilität soll die Datenübertragung zum MRT-Scanner 2 bevorzugt optisch erfolgen und die Flachbaugruppe mit dem Mikrocontroller 25 und den Sensoren S1, S2, S3 abgeschirmt werden (z.B. mit Kupferblech). Die Datentransfereinrichtung 22 sollte also optimaler Weise alleine die optische Transfervorrichtung 27 aufweisen.
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Eine optische Übertragung wird bevorzugt realisiert, wie in 11 dargestellt. Der Mikrokontroller 25 steuert die IR-Diode 29 an (z.B. nach dem TOS-Link- oder IR-Link Protokoll).
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An diese LED ist ein Lichtwellenleiter als Datenleitung 24a gekoppelt. Das andere Ende des Lichtwellenleiters wird über einen Stecker mit dem MRT-Scanner verbunden. Das kann entweder ein Stecker in der Patientenliege 8, ein Stecker in der Kopfspule oder ein Stecker im Kopfhörer sein. Sollte das Licht umgelenkt werden müssen, kann dies mit einem Spiegel erfolgen. In dem optischen Sender 27a ist hier eine Linse eingezeichnet, welche zur Kollimation des Lichtstrahls genutzt wird. Auf der Rückwand des Raumes ist ein optischer Empfänger 27a, z.B. ein IR-Empfänger (Photodiode) angebracht. Dieser empfängt die Sensordaten SD über das kollimierte IR-Licht und sendet es dann z.B. an eine Steuereinrichtung 13 eines MRT-Systems 1 weiter. Auf diese Weise bleibt die Datenübertragung zwischen der Sensoranordnung 21 und der Wand des Scannerraums durchgehend optisch und somit MR kompatibel.
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12 zeigt skizzenhaft eine weitere bevorzugte Möglichkeit für eine optische Datenübertragung. Eine Kollimation von Licht ist hier nicht unbedingt notwendig. Licht wird in einem großen Öffnungswinkel von einem optischen Sender 27a in das Bore eines MRT-Scanners 2 ausgestrahlt und durch mehrere optische Empfänger 27b (z.B. Photodioden) im Bore aufgefangen.
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13 zeigt ein bevorzugtes optisches Positionssensormodul 40, und 14 dieses optische Positionssensormodul 40 noch einmal aus einer anderen Perspektive.
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Eine in eine Halterung 23, z.B. die oben erwähnte Brille verbauten IR-LED als Lichtquelle LQ projizieren über eine Zylinderlinse eine Lichtlinie LL auf die innere Wand der Kopfspule 12. Es kann dabei an jeder Seite des Kopfes ein solches Positionssensormodul 40 vorhanden sein. Der Schnittpunkt der Lichtlinie LL mit dieser Wand wird über eine Signal-Lichtleiteranordnung SL erfasst. Diese liegen hier parallel zueinander, dicht gepackt und in Z-Richtung versetzt angeordnet. Die Enden sind bevorzugt schräg um 45 Grad abgeschnitten und poliert und weisen zu der Lichtquelle LQ. So kann das meiste Licht in denjenigen Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung SL eingekoppelt werden, dessen schräges Ende gerade vom Lichtstrahl der LED getroffen wird. Mit dieser Anordnung kann ein erfasstes Signal rein optisch generiert und übertragen werden. Die Lichtquelle LQ bleibt permanent eingeschaltet (nicht zu verwechseln mit der IR-Diode 29 für eine Übertragung der Orientierungsdaten wie in den 10 und 11 gezeigt).
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Da die Enden der Lichtleiter der Signal-Lichtleiteranordnung SL an der Innenwand der Kopfspule 12 versetzt angebracht sind, wird stets nur ein Lichtleiter (ggf. auch zuweilen zwei benachbarte Lichtleiter) von der Lichtlinie LL beleuchtet, wenn der Kopf eine bestimmte Ausrichtung (Orientierung) in der Z-Richtung hat. Kennt man den beleuchteten Lichtleiter, kann man nun Rückschlüsse auf die Orientierung des Kopfes ziehen, da die Position der Halterung 23 und damit auch der Lichtquelle LQ bekannt ist.
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15 zeigt die Lichtleitung bei einem bevorzugten optischen Positionssensormodul 40. Die Lichtquelle LQ befindet sich hier unter der Signal-Lichtleiteranordnung SL und ist aus der Perspektive nicht sichtbar. Jedoch ist hier die Lichtlinie LL gut zu erkennen, die auf die Enden der Signal-Lichtleiteranordnung SL trifft.
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Die Signal-Lichtleiteranordnung SL leitet das Licht an Lichtpunkte LP weiter, die in Form einer Lichtmatrix LM angeordnet sein können (s. folgende Figuren) und sich bevorzugt an der Rückwand der Kopfspule 12 befinden. Zur Erzeugung der Lichtpunkte LP (oder „Lichtpixel“) wird das Licht aus dem Lichtleiter L der Signal-Lichtleiteranordnung SL ausgekoppelt, dann zunächst durch ein Diffusor 42 homogenisiert und aufgefächert und trifft dann auf einen halbtransparenten Projektionsschirm 43.
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16 zeigt eine Kopfspule 12 mit einer bevorzugten Signalfläche LM in Form einer Lichtmatrix LM.
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17 zeigt eine genauere Darstellung der Lichtmatrix LM aus 16 umfassend zwei Matrixbereiche mit jeweils 36 Lichtpunkten LP.
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18 zeigt eine Kopfspule 12 mit einer bevorzugten Signalfläche LM in Form einer Lichtmatrix LM und einem bevorzugten optischen Positionssensormodul 40 dessen Signal-Lichtleiteranordnung SL die Sensordaten SD in Form von Lichtpunkten LP auf die Lichtmatrix LM leiten.
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19 zeigt skizzenhaft eine bevorzugte optische Datenübertragung mit einer Lichtmatrix LM, welche als optischer Sender 27a fungiert. Lichtsignale von optischen Sensoren, z.B. optischen Drucksensormodulen 30 oder optischen Positionssensormodulen 40 wie oben beschrieben werden mittels einer Signal-Lichtleiteranordnung SL (hier nicht dargestellt) auf die Lichtmatrix LM geleitet. Dort sind die in Form von Lichtpunkten LP sichtbar und werden mittels einer Kamera, die hier als optischer Empfänger 27a dient, aufgenommen. Die Erfassung der Lichtsignale der Lichtmatrix LM erfolgt also im Raum über eine Videokamera außerhalb des Bores des MRT-Scanners. Die gesuchte Position des Körperbereichs wird danach anhand der Lichtverteilung in der Lichtmatrix LM ermittelt.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen System 20 sowie bei dem dargestellten Magnetresonanztomographie-System 1 lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einheit“ und „Modul“ nicht aus, dass die betreffenden Komponenten aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
