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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur nichtinvasiven Untersuchung
eines im Inneren eines Körpers unter der Körperoberfläche
liegenden Bereiches mit Ultraschallstrahlung, bei dem man Ultraschallstrahlung
durch die Körperoberfläche in das Inneren des
Körpers richtet, die von internen Körperstrukturen
des Körpers reflektierte Ultraschallstrahlung misst und
daraus Rückschlüsse auf die Anordnung der internen
Körperstrukturen zieht.
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Derartige
Verfahren sind weit verbreitet und haben den Vorteil, dass nichtinvasiv
Körperstrukturen im Inneren des Körpers untersucht
werden können, wobei allerdings ein gewisses Problem darin
besteht, dass die Ultraschallstrahlung beim Durchqueren der Gewebestrukturen
in unterschiedlichen Gewebearten unterschiedlich absorbiert und
reflektiert wird und auch eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit
haben kann. Wenn daher die Gewebestrukturen zwischen der Körperoberfläche
und einer zu untersuchenden Körperstruktur, beispielsweise
einer knöchernen Struktur, nicht homogen ausgebildet ist
und wenn deren Zusammensetzung nicht bekannt ist, dann ist es schwierig,
aus den reflektierten Ultraschallstrahlungen und der Laufzeit der
Ultraschallstrahlung zwischen Aussendung und Empfang der reflektierten
Ultraschallstrahlung die Messergebnisse zutreffend zu werten. Um
zuverlässige Messergebnisse über die Lage der
Körperstrukturen zu erhalten, an denen die Ultraschallstrahlung
reflektiert wird, würde man Informationen über
die Art der zwischen Körperoberfläche und zu untersuchender
Körperstruktur liegenden Gewebeschichten, deren Verteilung,
Dicke und Anordnung benötigen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes
Verfahren so auszugestalten, dass die durch die Ultraschalluntersuchung
erzielten Informationen über interne Körperstrukturen
durch Informationen über die Art, Verteilung und/oder Anordnung der
Gewebeschichten im Inneren des Körpers verbessert werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
man durch ein externes, primäres Wechsel-Magnetfeld in
dem zu untersuchenden Bereich Wirbelströme induziert, die
von diesen Wirbelströmen erzeugten sekundären
Magnetfelder außerhalb des Körpers misst, aus
den Messdaten der sekundären Magnetfelder Daten über
die Art des an die Körperoberfläche angrenzenden
Gewebes, dessen Anordnung, Verteilung und/oder Dicke ableitet und diese
Daten bei der Auswertung der Messergebnisse der reflektierten Ultraschallstrahlung
berücksichtigt.
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Das
Ultraschall-Untersuchungsverfahren wird also kombiniert mit einem
weiteren nichtinvasiven Untersuchungsverfahren, bei dem durch in
den Gewebeschichten induzierte Wirbelströme indirekt die
elektrische Leitfähigkeit der unterschiedlichen Gewebebereiche
im Körper bestimmt wird. Diese Leitfähigkeit wiederum
gibt Auskunft über die Natur des Gewebes, über
die Verteilung unterschiedlich gearteten Gewebes, über
die Schichtdicke und/oder die Anordnung bestimmter Gewebeschichten.
Diese Information kann dann unmittelbar dazu verwendet werden, die
Messergebnisse der Ultraschalluntersuchung zu modifizieren und an
die tatsächlichen Gegebenheiten in dem von der Ultraschallstrahlung durchlaufenen
Bereich des Körpers anzupassen.
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Verfahren
zur Untersuchung biologischen Gewebes durch induzierte Wirbelströme
sind an sich bekannt, werden jedoch vorwiegend verwendet, um Aufschluss über
Hautirritationen, den Verlauf einer Wundheilung oder das Vorhandensein
eines Ödems zu geben (Dissertation Dipl.-Ing.
Claudia
H. Riedel "Planare induktive Impedanzmessverfahren in der Medizintechnik",
15. Juli 2004, Fakultät für Elektrotechnik
und Informationstechnik der Universität Fridericiana Karlsruhe).
Eine Kombination eines solchen Verfahrens mit einer Ultraschalluntersuchung ergibt
nun ein kombiniertes Verfahren, bei dem man die gewebespezifischen
Daten im Untersuchungsbereich, der von der Ultraschallstrahlung
durchlaufen wird, nichtinvasiv erfassen und verwenden kann, um die
Messdaten der Ultraschallstrahlung anzupassen an die individuelle
Gewebeausbildung im Bereich zwischen Körperoberfläche
und untersuchter interner Körperstruktur, so dass auf diese
Weise die Ultraschalluntersuchungen auch bei unterschiedlich ausgebildeten,
die interne Körperstruktur bedeckenden Gewebeschichten
eine deutlich erhöhte Aussagekraft erhalten.
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Günstig
ist es, wenn man bei der Messung des sekundären Magnetfeldes
die Einwirkung des primären Wechsel-Magnetfeldes auf die
Messeinrichtung des sekundären Magnetfeldes kompensiert. Dadurch
lässt sich die Messgenauigkeit ganz erheblich erhöhen,
da die Größe des von den Wirbelströmen
erzeugten sekundären Magnetfeldes wesentlich kleiner ist
als die Größe des primären Wechsel-Magnetfeldes,
je nach Abstand und Ausgestaltung der verwendeten Apparaturen kann
das sekundäre Magnetfeld in der Größenordnung
zwischen 10–2 und 10–6 des
primären Wechsel-Magnetfeldes liegen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
man primäre Wechsel-Magnetfelder mit unterschiedlichen
Frequenzen verwen det, beispielsweise mit Frequenzen von 500 kHz
und 1 MHz, wobei grundsätzlich Frequenzen im Bereich zwischen
20 kHz und 10 MHz Verwendung finden können. Der Vorteil
der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen liegt darin, dass die
Induktion der Wirbelströme unter dem Einfluss des primären
Wechsel-Magnetfeldes und damit auch die Erzeugung des sekundären
Magnetfeldes bei unterschiedlichen Gewebearten abhängig
von der Frequenz unterschiedlich groß sind, das heißt
unterschiedliche Gewebearten tragen bei unterschiedlichen Frequenzen
verschieden stark zur Erzeugung der Wirbelströme und damit
des sekundären Magnetfeldes bei. Dies ermöglicht
es, durch die Messung mit mehreren Frequenzen Auskunft über
die Natur der Gewebeschichten zu erhalten, in denen die Wirbelströme
erzeugt werden.
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Es
ist günstig, wenn man Erfahrungswerte für die
Größe der induzierten Wirbelströme für
verschiedene Gewebearten in einem Datenspeicher speichert und wenn
man diese Werte zur Bestimmung der Art des an der Körperoberfläche
angrenzenden Gewebes, dessen Anordnung, Verteilung und/oder Dicke
aufgrund der sekundären Magnetfelder verwendet.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Untersuchung
eines im Inneren eines Körpers unter der Körperoberfläche
liegenden Bereiches mit Ultraschallstrahlung mit einem Ultraschallstrahlung
durch die Körperoberfläche in das Innere des Körpers
richtenden Ultraschallsender, einem die von internen Körperstrukturen
reflektierte Ultraschallstrahlung messenden Ultraschallempfänger
und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die so programmiert
ist, dass sie aus den Messdaten der reflektierten Ultraschallstrahlung
die Anordnung der internen Körperstrukturen bestimmt.
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Ausgehend
von einer solchen Vorrichtung liegt der Erfindung auch die Aufgabe
zugrunde, eine solche Vorrichtung so weiterzubilden, dass auch bei unterschiedlichen
Gewebestrukturen zwischen der Körperoberfläche
und der zu untersuchenden internen Körperstruktur präzise
Ergebnisse erzielt werden können.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
sie zusätzlich einen Erreger für ein externes,
primäres Wechsel-Magnetfeld umfasst, durch welches in dem
zu untersuchenden Bereich Wirbelströme induzierbar sind,
sowie einen Empfänger, der von diesen Wirbelströmen
erzeugte sekundäre Magnetfelder außerhalb des
Körpers misst, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung
so programmiert ist, dass sie aus den Messdaten der sekundären
Magnetfelder Daten über die Art des an die Körperoberfläche
angrenzenden Gewebes, dessen Anordnung, Verteilung und/oder Dicke
ableitet und diese Daten bei der Auswertung der Messergebnisse der
reflektierten Ultraschallstrahlung berücksichtigt.
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Bei
einer solchen Vorrichtung werden die durch die Ultraschallstrahlung
ermittelten Daten automatisch entsprechend den Daten modifiziert,
die sich aufgrund der unterschiedlichen Gewebestruktur zwischen
der Körperoberfläche und der zu untersuchenden
internen Körperstruktur ergeben, so dass man unabhängig
beispielsweise von der Verteilung von Haut-, Fett- und Muskelgewebe
im untersuchten Bereich zutreffende Angaben über die Geometrie
der durch die Ultraschallstrahlung untersuchten internen Körperstruktur
erhält.
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Günstig
ist es, wenn der Erreger des primären Wechsel-Magnetfeldes
und der Empfänger des sekundären Magnetfeldes
in einem Magnetmesskopf angeord net sind. In diesem Falle kann der
Benutzer mit diesem Magnetmesskopf berührungslos und nichtinvasiv
die Natur der Gewebeschichten angrenzend an die Körperoberfläche
untersuchen, wobei diese Daten in der Datenverarbeitungseinrichtung zur
Modifizierung der Ultraschalldaten verarbeitet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann dieser Magnetmesskopf
auch mit dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger
in einem gemeinsamen Messkopf vereinigt sein, in dem die Messung
entweder nacheinander oder simultan erfolgt.
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Günstig
ist es, wenn der Erreger des primären Wechsel-Magnetfeldes
und der Empfänger der sekundären Magnetfelder
derart ausgebildet sind, dass ein von dem vom Erreger abgestrahlten
primären Wechsel-Magnetfeld an den Empfänger des
sekundären Magnetfeldes erzeugtes Messsignal kompensiert
wird. Dies kann beispielsweise durch eine senkrechte Anordnung von
Empfängerspulen relativ zu den Sendespulen erfolgen oder
durch die Anordnung von mehreren Empfängerspulen, die so
geschaltet sind, dass die in ihnen durch das primäre Wechsel-Magnetfeld
erzeugten Signale sich kompensieren, während dies bei den
sekundären Magnetfeldsignalen nicht der Fall ist.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Erreger primäre Wechsel-Magnetfelder
mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, beispielsweise mit Frequenzen von
etwa 500 kHz und von etwa 1 MHz.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass der Datenverarbeitungseinrichtung ein Datenspeicher zugeordnet
ist, der Erfahrungswerte für die Größe
induzierter Wirbelströme für verschiedene Gewebe arten
speichert und, dass die Datenverarbeitungseinrichtung derart programmiert
ist, dass sie diese Werte zur Bestimmung der Art des an die Körperoberfläche
angrenzenden Gewebes, dessen Anordnung, Verteilung und/oder Dicke
aufgrund der sekundären Magnetfelder verwendet.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Gesamtansicht eines Patienten mit einer Untersuchungseinrichtung mit
einem Ultraschallkopf und einem Impedanzmesskopf sowie einer den
Messköpfen zugeordneten Datenverarbeitungseinrichtung und
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2:
eine schematische Ansicht eines Impedanzmesskopfes neben einem zu
untersuchenden Bereich des Körpers mit unterschiedlichen
Gewebearten.
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Zur
Untersuchung eines Patienten 1, der beispielsweise auf
einem Operationstisch 2 gelagert sein kann, wird eine Messeinrichtung 3 verwendet, die
einen Ultraschallmesskopf 4 und einen Impedanzmesskopf 5 umfasst.
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind der
Ultraschallmesskopf 4 und der Impedanzmesskopf 5 als
unabhängig voneinander bewegbare Bauteile ausgebildet,
es könnte aber auch vorgesehen sein, dass der Ultraschallmesskopf 4 und
der Impedanzmesskopf 5 in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet sind, so dass ein kombinierter Messkopf für
Ultraschallmessung und für Impedanzmessung gebildet wird.
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Sowohl
der Ultraschallmesskopf 4 als auch der Impedanzmesskopf 5 sind über
je eine Datenleitung 6 beziehungsweise 7 mit einer
Datenverarbeitungseinrichtung 8 verbunden, außerdem
steht der Impedanzmesskopf 5 mit einem Hochfrequenzgenerator 9 über
eine Erregerleitung 11 in Verbindung, dieser HF-Generator 9 ist
außerdem über eine Steuerleitung 10 mit
der Datenverarbeitungseinrichtung 8 verbunden.
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Der
Datenverarbeitungseinrichtung 8 ist eine Anzeigeeinheit 12 zugeordnet,
beispielsweise ein konventioneller Flachbildschirm.
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Der
Ultraschallmesskopf 4 ist konventionell aufgebaut und nimmt
in der Regel eine größere Anzahl von in der Zeichnung
nicht dargestellten Ultraschallsendern auf, die in Form eines Arrays
oder einer Matrix angeordnet sind und die bei Anlage des Ultraschallmesskopfes 4 an
der Körperoberfläche 13 des Patienten
Ultraschallstrahlung in das Inneren des Patienten 1 richten.
Diese Ultraschallstrahlung dringt dabei in den Körper ein
und durchläuft die an der Eintrittsstelle angeordneten
Gewebestrukturen. Wie aus der Darstellung der 2 ersichtlich
ist, sind diese Gewebestrukturen nicht homogen aufgebaut, sondern
sie setzen sich zusammen aus der Haut 14 und aus weiteren
Gewebearten, die in der Darstellung der 2 vereinfachend
als verschiedene Schichten dargestellt sind, nämlich eine
Fettschicht 15 und eine Muskelschicht 16. Außerdem
befinden sich im Körper knöcherne Strukturen 17,
an denen die Ultraschallstrahlung üblicherweise reflektiert
wird, während sie die Haut, die Fettschicht und die Muskelschicht
im Wesentlichen ungeschwächt durchdringen.
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Die
an der knöchernen Struktur 17 reflektierte Ultraschallstrahlung
wird anschließend wieder nach außen gestrahlt
und dort vom Ultraschallmesskopf 4 und in diesem angeordneten
Ultraschallempfängern empfangen. Zwischen dem Aussenden
und dem Empfangen von Ultraschallimpulsen vergeht eine bestimmte
Zeit, diese hängt ab von dem Abstand der reflektierenden
Schicht, also der knöchernen Struktur 17, vom
Ultraschallmesskopf, wird aber auch beeinflusst durch die Natur
der Gewebeschichten zwischen dem Ultraschallmesskopf 4 und
der knöchernen Struktur 17, da die Schallausbreitungsgeschwindigkeit
in der Haut, in der Fettschicht und in der Muskelschicht unterschiedlich
ist – und natürlich auch in anderen Gewebearten,
beispielsweise Körperflüssigkeit, Blut, etc.,
die hier aus Vereinfachungsgründen nicht ausdrücklich
erwähnt werden.
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Ohne
Kenntnis des Aufbaus dieser Gewebeschichten ergeben sich also Ungenauigkeiten
bei der Ultraschallmessung, so dass die Datenverarbeitungseinrichtung 8 auf
der Anzeigeeinheit 12 die Lage der untersuchten knöchernen
Strukturen 17 mit einer gewissen Ungenauigkeit angeben
muss.
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In
dem Impedanzmesskopf 5 befindet sich ein Erreger 18,
beispielsweise eine größere, flache Spule, die
mit dem Ausgang des HF-Generators 9 verbunden ist und die
von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen werden kann,
den der HF-Generator 9 zur Verfügung stellt. Durch
diesen Stromfluss erzeugt der Erreger 18 ein entsprechend hochfrequentes
primäres Wechsel-Magnetfeld.
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Außerdem
befinden sich in dem Impedanzmesskopf 5 zwei Empfängerspulen 19, 20,
die in gleichen Abständen oberhalb beziehungsweise unterhalb
des Erregers 18 angeordnet sind und zu diesem parallel
verlaufen. Diese Empfängerspulen 19, 20 sind
beispielsweise gegensinnig gewickelt, so dass die von dem Erreger 18 in
den Empfängerspulen 19, 20 induzierten
Signale sich kompensieren.
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Wenn
der Impedanzmesskopf 5 in der aus 2 ersichtlichen
Weise unmittelbar über der Körperoberfläche 13 angeordnet
wird, dringt das primäre Wechsel-Magnetfeld ein in die
Haut 14, die Fettschicht 15, die Muskelschicht 16 und
die knöcherne Struktur 17. In diesem Bereich induziert
das hochfrequente Wechsel-Magnetfeld Wirbelströme, wobei sich
in der Praxis herausstellt, dass die Stärke der induzierten
Wirbelströme stark abhängt von der Art des jeweiligen
Gewebes: In der Haut werden relativ kleine Wirbelströme
induziert, in der knöchernen Substanz fast gar keine, während
in der Fettschicht 15 und in der Muskelschicht 16 deutlich
höhere Wirbelströme induziert werden, in der Muskelschicht 16 sind
die induzierten Wirbelströme noch einmal deutlich größer
als in der Fettschicht 15.
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Diese
induzierten Wirbelströme sind ein Maß für
die Leitfähigkeit der Gewebestrukturen und damit für
die Impedanz dieser Gewebestrukturen. Die induzierten Wirbelströme
sind ebenfalls hochfrequente Wechselströme und erzeugen
daher ihrerseits ein magnetischen Wechselfeld, nachstehend als sekundäres
Magnetfeld bezeichnet. Dieses sekundäre Magnetfeld kann
von den Empfängerspulen 19, 20 aufgefangen
werden, in diesen wird dadurch eine Wechselspannung induziert, die
proportional zu den auftretenden Wirbelströmen ist. Da
die Empfängerspulen 19, 20 von der Körperoberfläche 13 einen
unterschiedlichen Abstand haben, ist die in diesen Empfängerspulen 19, 20 durch
die sekundären Magnetfelder induzierte Spannung bei den
beiden Emp fängerspulen 19, 20 verschieden,
es ergibt sich also ein Differenzsignal, welches dem sekundären
Magnetfeld proportional ist. Dieses Magnetfeld-Messsignal wird über
die Datenleitung 7 der Datenverarbeitungseinrichtung 8 zugeführt,
die auch die Messsignale des Ultraschallmesskopfes 4 über
die Datenleitung 6 erhält.
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Je
nach Verteilung der Haut 14, der Fettschicht 15 und
der Muskelschicht 16 und der Dicke dieser Schichten ergeben
sich natürlich unterschiedliche Werte für die
induzierten Wirbelströme und damit auch unterschiedliche
Signale an den Empfängerspulen 19 und 20.
Damit ist das von den Empfängerspulen 19 und 20 gelieferte
Signal ein Signal, welches durch diese Verteilung und Dicke beeinflusst wird
und damit auch über diese Verteilung und Dicke Auskunft
gibt.
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Eine
zusätzliche Auskunft lässt sich dadurch erhalten,
dass der Hochfrequenzgenerator 9 mit verschiedenen Frequenzen
arbeitet, beispielsweise abwechselnd mit einer Frequenz von 500
kHz und 1 MHz. Es hat sich herausgestellt, dass die Erzeugung der
Wirbelströme in den einzelnen Gewebeschichten bei unterschiedlichen
Frequenzen ein unterschiedliches Verhältnis einnimmt, das
heißt durch Messung bei unterschiedlichen Frequenzen lassen
sich zusätzliche Informationen über die Verteilung
der unterschiedlichen Gewebearten in dem untersuchen Körperbereich
erhalten.
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Die
auf diese Weise gewonnenen Daten können in der Datenverarbeitungseinrichtung 8 mit
Erfahrungswerten verglichen werden, die in einem Datenspeicher 21 der
Datenverarbeitungseinrichtung 8 gespeichert sind und die
es ermöglichen, durch Vergleich der Erfahrungswerte mit
den Messwerten über die Verteilung der Gewebeschichten,
deren Dicke und Anordnung im durchstrahl ten Körperbereich
Information zu erhalten. Diese Information kann von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 verwendet
werden, um die Ultraschallsignale des Ultraschallmesskopfes 4 zu
modifizieren, so dass auch bei unterschiedlicher Verteilung von
Haut, Fettschicht 15 und Muskelschicht 16 und
bei unterschiedlicher Dicke dieser Gewebeschichten eine zuverlässige
Angabe über die geometrische Anordnung der knöchernen Struktur 17 getroffen
werden kann.
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Es
genügt dazu, entweder nacheinander an der entsprechenden
Körperstelle mit dem Ultraschallmesskopf 4 und
mit dem Impedanzmesskopf 5 eine Messung durchzuführen.
Insbesondere bei einem Messkopf, der den Ultraschallmesskopf 4 und den
Impedanzmesskopf 5 in einem Gehäuse vereinigt,
könnten diese Messungen auch gleichzeitig erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Claudia H.
Riedel "Planare induktive Impedanzmessverfahren in der Medizintechnik",
15. Juli 2004 [0006]