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Die
Erfindung betrifft eine medizinische Einrichtung mit wenigstens
einem zur Erzeugung von hochintensivem fokussiertem Ultraschall
ausgebildeten Wandler, oft auch mit dem englischen Begriff „Transducer"
bezeichnet, und mit einem Magnetresonanzgerät zur Erstellung
von Magnetresonanzaufnahmen für eine Temperaturüberwachung
sowie einen entsprechenden Wandler und ein Verfahren zur Erstellung
von Magnetresonanzaufnahmen für eine Temperaturüberwachung
eines mit hochintensivem fokussiertem Ultraschall bestrahlten Bereichs.
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Hochintensiver
fokussierter Ultraschall (kurz HIFU – High Intensity Focussed
Ultrasound) wird in der Medizin beispielsweise zur Tumorbehandlung eingesetzt.
Dabei ist es wichtig, begleitend eine Temperaturbeobachtung bzw.
-überwachung durchzuführen, um zu wissen, ob die
erzeugte Temperatur ausreichend ist, um das Tumorgewebe zu zerstören, bzw.
um zu gewährleisten, dass das umliegende Gewebe nicht durch
zu hohe Temperaturen in Mitleidenschaft gezogen und gegebenenfalls
dauerhaft geschädigt wird.
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Für
die Temperaturüberwachung wird derzeit ein Temperatur-Monitoring
mit Hilfe von Magnetresonanz-Phasenbildern durchgeführt.
Die Temperaturüberwachung mittels Magnetresonanztomographie beruht
dabei beispielsweise auf der Protonenresonanzfrequenzverschiebung,
die dadurch entsteht, dass Wasserstoffbindungen im Wasser aufgrund thermischer
Energie abgeschwächt werden. Problematisch ist dabei, dass
dieser Effekt vergleichsweise klein ist, so dass Phasendifferenzbilder
vor und nach dem Erhitzen des Gewebes angefertigt werden müssen.
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Diese
Bilder werden anschließend zur Hervorhebung des Effekts
subtrahiert.
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Aufgrund
von Suszeptibilitätsänderungen, die sich beispielsweise
in der Umgebung des Bildaufnahmebereichs dadurch ergeben, dass der
Wandler oder Transducer für die Erzeugung des zur Behandlung
einzusetzenden hochintensiven fokussierten Ultraschalls mit Luft
gefüllt ist, werden Fehler in der Temperaturmessung verursacht,
wenn sich der Wandler in der Zeit zwischen Aufnahme eines Referenzbildes
und eines „Temperaturbildes" bewegt hat.
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Deshalb
ist es bisher üblich, entweder bei jeder neuen Position
des Wandlers bzw. Transducers zur Erzeugung des Ultraschalls, der
durch ein unter dem Patienten angeordnetes Wasserbad bewegt wird,
erneut ein Referenzbild aufzunehmen, um den neuen Suszeptibilitätsbedingungen
Rechnung zu tragen, oder von vornherein ein Array von mehreren Transducern
zu verwenden, bei dem ohne Positionsänderung der Fokus
variiert werden kann.
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Das
Aufnehmen von neuen Referenzbildern für jede Transducerposition
ist jedoch vergleichsweise zeitaufwändig und verlängert
die Behandlungsdauer des Patienten. Andererseits erfordern die Wandlerarrays
einen erheblichen Konstruktionsaufwand und sind zudem in der Herstellung
mit beachtlichen Kosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine medizinische Einrichtung
mit wenigstens einem zur Erzeugung von hochintensivem fokussiertem
Ultraschall ausgebildeten Wandler und mit einem Magnetresonanzgerät
zur Erstellung von Magnetresonanzaufnahmen für eine begleitende Temperaturüberwachung
anzugeben, die diesbezüglich verbessert ist und insbesondere
eine zuverlässige Temperaturüberwachung ermöglicht.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Einrichtung der vorstehend
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass
dem Wandler zum Ausgleich eines durch die Ausgestaltung des Wandlers
im Hinblick auf eine Wandlerumgebung hervorgerufenen Suszeptibilitätsunterschieds
wenigstens ein Shimelement zugeordnet ist.
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Die
magnetische Suszeptibilität bezeichnet die Fähigkeit
eines Materials zur Magnetisierung in einem externen Magnetfeld,
wie es beispielsweise für die Aufnahme von Magnetresonanzbildern
vorhanden sein muss. Der Wandler, der zur Erzeugung des zur Behandlung
beispielsweise eines Tumors zu verwendenden Ultraschalls dient,
unterscheidet sich von seiner Umgebung in dem Material, aus dem
er besteht, insbesondere im Hinblick darauf, dass Wandler in der
Regel aus Materialien geringer Suszeptibilität bestehen,
meist z. B. aus keramischem Piezomaterial und einem luftgefüllten
Kunststoffgehäuse. Die Umgebung, in der der Wandler sich
befindet, ist demgegenüber in der Regel ein Wasserbad oder eine
Gelmasse und dergleichen, die zur Ankopplung des Ultraschalls an
einen Behandlungsbereich bzw. an einen zu Forschungszwecken zu bestrahlenden Bereich
wie ein Phantom oder dergleichen dienen.
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Demgemäß ruft
die Ausgestaltung des Wandlers Suszeptibilitätsänderungen
bzw. -artefakte bezüglich seiner Umgebung bzw. bezüglich
des Zustands, dass kein Wandler vorhanden wäre, hervor. Deshalb
wird dem Wandler erfindungsgemäß ein Shimelement
zugeordnet.
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Die
Verwendung von Shimelementen ist an sich bereits bekannt, beispielsweise
aus der Druckschrift „Sample-specific diamagnetic
and paramagnetic passive shimming" von Kevin M. Koch et al. (Journal
of Magnetic Resonance, Volume 182, pages 66–74, 2006).
Hierin wird beschrieben, Inhomogenitäten eines Magnetfeldes über
ein passives Shimmingsystem auszugleichen, wozu zwei Materialien entgegengesetzter
magnetischer Suszeptibilität zum Ausgleich von Inhomogenitäten
des betroffenen Targets verteilt werden. In dem genannten Artikel
geht es darum, anhand eines Prototypen des Shims eine Homogenisierung
des Mäusegehirns bei 9,4 T durchzuführen.
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Die
Verwendung von Shims im Hinblick auf eine Wandlerausgestaltung,
die für eine begleitende Magnetresonanzüberwachung
der Temperatur von Bedeutung ist, ist allerdings nicht bekannt,
und demgemäß ist es auch nicht bekannt, medizinische
HIFU-Einrichtungen derart auszugestalten.
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Erfindungsgemäß wird
also einem Wandler wenigstens ein Shimelement, gegebenenfalls mehrere
Shimelemente, zugeordnet, damit die Temperaturüberwachung
mittels der Magnetresonanztomographie im Hinblick auf möglicherweise
auftretende Fehler verbessert werden kann. Dies betrifft insbesondere
die Fehler, die durch die Luftfüllung des Transducers bedingt
sind, aber auch Fehler, die durch den Transduceraufbau insgesamt
hervorgerufen werden. Während Wasser eine Suszeptibilität
von –8,0 × 10–6 hat,
also diamagnetisch ist, ist Luft paramagnetisch. Die Suszeptibilität
von Luft liegt bei 0,3 × 10–6.
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Dadurch,
dass der Wandler mit einem geeigneten Shim versehen wird bzw. diesem
ein Shim in seiner Umgebung zugeordnet ist, können Unterschiede
bzw. Abweichungen und Artefakte durch Suszeptibilitäten
des Wandlers im Vergleich zu einem umgebenden Wasserbad oder dergleichen
zumindest im Wesentlichen, das heißt, unter Inkaufnahme
nicht zu korrigierender Abweichungen, ausgeglichen werden. Damit
können Fehler in der extrem empfindlichen Temperaturüberwachung,
die auf Differenzbildern beruht, vermieden werden.
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So
wird erfindungsgemäß bei der medizinischen HIFU-Einrichtung
verhindert, dass das Temperaturmonitoring, das eine Empfindlichkeit
von 0,01 ppm/K aufweist, scheinbare Temperaturstörungen bzw.
-änderungen anzeigt. Dass derart fehlerhafte Temperaturmessungen
durchaus von Bedeutung sein können, lässt sich
experimentell nachweisen. Durch Suszeptibilitätsänderungen
durch einen mit Luft gefüllten Transducer können
Störungen hervorgerufen werden, die im Bereich von über
15 K liegen. Damit ist die korrekte Durchführung einer
HIFU-Therapie gefährdet, zumindest, solange nicht jedes
Mal bei einer er neuten Positionierung des Transducers ein neues
Referenzbild aufgenommen wird bzw. ein aufwändiges Trans-ducerarray
verwendet wird.
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Erfindungsgemäß kann
wenigstens ein dem Wandler zugeordnetes Shimelement aus Graphit und/oder
Bismut und/oder einem anderen diamagnetischen Material, dessen Betrag
der Suszeptibilität größer ist als der
des Diamagnetismus von Wasser, ausgebildet sein, insbesondere aus
einem stark diamagnetischen Material verglichen mit der Suszeptibilität
von Wasser.
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Dabei
können dem Wandler Shimelemente aus unterschiedlichen Materialien
zugeordnet sein, um die Suszeptibilitätsänderungen
bzw. die Beeinflussung der Suszeptibilität durch den Wandler
möglichst optimal auszugleichen. Denkbar ist es weiterhin,
dass einzelne Shimelemente aus mehreren Materialien zusammengesetzt
sind, wobei bestimmte Mischungen verwendet werden können
oder auch ein Schichtaufbau beispielsweise bei plattenförmigen Elementen.
Bei der Verwendung von Graphit ist gegebenenfalls auf die richtige
Ausrichtung des Kristallgitters zu achten. Durch eine isostatische
Pressung kann die elektrische Leitfähigkeit reduziert werden. Dies
ist wünschenswert, um Wirbelströme durch Gradientenwechselfelder
zu minimieren, die die Magnetresonanzbildgebung stören
könnten. Bismut ist neben Graphit ein weiteres geeignetes
Shimmaterial, da dieses Material mit einer Suszeptibilität
von –164 × 10–6 stark
diamagnetisch ist. Somit können durch die Wahl geeigneter
Shimelemente in der richtigen Größe die Suszeptibilitätsbeeinträchtigungen
bzw. -beeinflussungen durch den Transducer bzw. die Luft im Innenraum
eines Transducerkörpers zumindest teilweise ausgeglichen
werden.
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Erfindungsgemäß kann
der Wandler der medizinischen Einrichtung als monofokaler Wandler ausgebildet
sein. Es handelt sich also um einen Festfokus-Wandler, nicht um
ein Wandlerarray, also um eine konstruktiv vergleichsweise einfache
Ausgestaltung. Dies bietet den Vorteil eines geringeren Herstellungsaufwands
für den HIFU-Bestandteil der medizinischen Ein richtung,
wobei die Wartung und die Überprüfung der Funktionsfähigkeit
ebenfalls im Vergleich zu den aufwändigen Transducerarrays
einfacher sind.
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Die
Position des Wandlers kann, vorzugsweise mittels eines beweglichen
Halterungsarms, relativ zu einem mit hochintensivem fokussiertem
Ultraschall zu beschallenden bzw. beschallten Bereich veränderbar
sein, insbesondere zur Beschallung einer Trajektorie (z. B. einer
Linie, eines Kreises, einer Spirale oder eines Polygons). Vorteilhafterweise
ist der Halterungsarm in mehreren Achsen beweglich.
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Durch
eine solche Positionsänderung des Wandlers ist es möglich,
z. B. eine Trajektorien-Behandlung durchzuführen. Der Wandler
wird entlang einer Trajektorie wie einer Linie oder eines Kreises verfahren,
um so beispielsweise größere Bereiche eines Tumors
beschallen zu können. Um die Position des Wandlers zu verändern
bzw. diesen zu verfahren, kann beispielsweise ein Halterungsarm
vorgesehen sein, der gegebenenfalls aus einem Plastikmaterial bzw.
Kunststoff besteht. Dieser Halterungsarm kann mit einem Antriebsmotor
verbunden sein, der eine Bewegung des Arms zumindest entlang einer Translationsrichtung
ermöglicht, gegebenenfalls auch Rotationen erlaubt. Es
ist ebenso möglich, dass ein Antrieb verwendet wird, der
eine translatorische Bewegung in x-, y- und z-Richtung ermöglicht,
um so unterschiedlichste Behandlungsbereiche mit Hilfe des Wandlers
optimal erreichen zu können. Vorteilhaft ist eine Verstellbarkeit
in mehreren Achsen, z. B. in zwei bis fünf Achsen. Die
Steuerung des Halterungsarms kann über eine mit einer entsprechenden Recheneinrichtung,
die hierzu eine Softwaresteuerung aufweist, gekoppelte bzw. eine
solche aufweisende Steuerungseinrichtung erfolgen. Gegebenenfalls
kann die Steuerungseinrichtung mit der Recheneinrichtung identisch
sein.
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Durch
das erfindungsgemäße Shimmen, also die Abschirmung
des Wandlers im Hinblick auf durch diesen bzw. seine Ausgestaltung
hervorgerufene Suszeptibilitätsänderungen oder
-unter schiede, kann dieser problemlos unter dem zu behandelnden Bereich
bzw. bei anderen Anordnungen neben oder über diesem Bereich
verfahren werden, ohne dass das Temperaturmonitoring mittels der
Magnetresonanzaufnahmen gefährdet wäre.
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Erfindungsgemäß kann
die Einrichtung ein Wasserbad aufweisen, in dem der Wandler, insbesondere
bewegbar, zur Ankopplung des Ultraschalls angeordnet ist.
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Die
Ultraschallankopplung geschieht in der Regel über Wasser
bzw. bestimmte Gele. Im Zusammenhang mit einer Therapie mit hochintensivem
fokussiertem Ultraschall ist es vorteilhaft, wenn der Wandler durch
bzw. in einem Wasserbad unter dem Patienten bewegt werden kann.
Hierzu ist zweckmäßigerweise ein geeignetes Behältnis,
gegebenenfalls in eine Patientenliege integriert, vorgesehen, in
dem sich der Wandler und das Wasserbad befinden. Der Transducer
selbst kann beispielsweise an einer armartigen Vorrichtung gehaltert
sein, beispielsweise an einem Plastikarm. Eine derartige Halterung
kann zur Verstellung der Position des Transducers relativ zu einem
zu behandelnden oder zu bestrahlenden Bereich über Stellmotoren
ansteuerbar sein, um so die Transducerposition in einer Ebene und
gegebenenfalls auch in der Höhe zu verändern.
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Das
Magnetresonanzgerät kann derart ausgebildet sein, dass
die Temperaturüberwachung anhand eines einzigen bei einer
möglichen Positionsänderung des Transducers beibehaltenen
Referenzbildes erfolgt. Die Temperaturüberwachung wird
also anhand eines Referenzbildes für mehrere Temperaturbilder
unter möglicher Positionsänderung des Wandlers
durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass nicht für
jede Änderung der Position, also nicht mehrmals im Verlauf
einer Ultraschalluntersuchung oder -behandlung, jedes Mal eine neue
Referenz aufgenommen werden muss, um zu gewährleisten,
dass die Temperaturüberwachung korrekte Werte liefert. Durch
das Shimmen, das die Suszeptibilitätsänderungen
durch die Struktur bzw. den Aufbau des Wandlers ausgleicht, können
scheinbare Temperaturänderungen und dadurch entstehende
Störungen der Temperaturüberwa chung minimiert
werden, so dass bei einem monofokolen Wandler ein einziges Referenzbild
ausreichend ist, ohne dass, selbst bei einer deutlichen Änderung
der Position des Transducers, merkbare Temperaturdifferenzen auftreten.
Das Magnetresonanzgerät weist hierzu eine entsprechende
Steuerungs- und Messdatenverarbeitungseinrichtung auf, die die Überwachung
mit einer Referenz ermöglicht.
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Der
Wandler kann erfindungsgemäß mit wenigstens einem
Shimelement ausgebildet sein, und/oder es kann wenigstens ein Shimelement
in der Nähe des Wandlers vorgesehen sein. Es bestehen also
grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten
für die Anordnung der Shimelemente. Die erste Möglichkeit
ist die, dass der Transducer direkt ein Shimelement aufweist, das
an diesem oder in diesem angeordnet bzw. befestigt ist. Selbstverständlich
können ebenso eine Mehrzahl oder Vielzahl von Shimelementen
am oder im Transducer angebracht sein.
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Ergänzend
oder alternativ können ein oder mehrere Shimelemente in
der Nähe des Wandlers vorgesehen sein, beispielsweise in
einem bestimmten Umgebungsbereich, wobei mögliche Positionsänderungen
des Wandlers durch eine Verteilung mehrerer Shimelemente bzw. durch
eine bewegbare Anordnung der Shim-elemente selbst berücksichtigt sein
können.
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Der
Wandler kann mit einem Shimelement und/oder mehreren Shimelementen
innerhalb eines Wandlergehäuses und/oder außerhalb,
auch unterhalb, eines Wandlergehäuses ausgebildet sein.
Die Shimelemente können also auf der Innenseite eines dem
Transducer zugeordneten Gehäuses z. B. aus Kunststoff angeordnet
sein bzw. außerhalb dieses Gehäuses befestigt
sein. Bei einer Befestigung bzw. Anordnung außerhalb des
Gehäuses wird in der Regel eine Befestigung auf der Unterseite,
die in der Regel eine größere Fläche
als die gegebenenfalls geneigten Seitenbereiche aufweist, vorgesehen
sein.
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Des
Weiteren kann dem Wandler erfindungsgemäß wenigstens
ein plattenförmig und/oder ein scheibenförmig
ausgebildetes Shim element zugeordnet sein. Dabei ist es möglich,
dass ein einziges Shimelement aus mehreren Platten bzw. Scheiben aufgebaut
ist, die aufeinander gelagert sind bzw. in einer bestimmten Art
und Weise miteinander verbunden sind, beispielsweise verklebt, um
so ein zusammengehörendes Shimelement zu bilden. Selbstverständlich
können ebenso mehrere Platten nebeneinander, gegebenenfalls
mit gewissen Abständen dazwischen, angeordnet sein. Die
Platten oder Scheiben können wiederum direkt am Transducer,
insbesondere an einem Gehäuse, vorgesehen sein, oder in
einem umgebenden Bereich.
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Bei
einem Aufbau aus Graphitplatten ist für die Gewährleistung
der gewünschten magnetischen Eigenschaften die Orientierung
zu beachten und vorzugsweise zur Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit
beziehungsweise zum Vermeiden einer magnetischen Vorzugsrichtung
der Suszeptibilität eine isostatische Pressung vorzunehmen,
so dass durch den starken diamagnetischen Effekt des Graphits der paramagnetische
Effekt der Luft ausgeglichen werden kann.
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Alternativ,
falls überwiegend formorientiertes Material zum Einsatz
kommt, ist darauf zu achten, dass die Achse mit dem starken Diamagnetismus
parallel zur Richtung des Magnetfeldes liegt.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung einen Ultraschallwandler, insbesondere
für eine medizinische Einrichtung wie vorstehend beschrieben,
der zum Ausgleich von durch die Ausgestaltung des Transducers hervorgerufenen
Suszeptibilitätsunterschieden bzw. -änderungen
für die Erstellung von Magnetresonanzaufnahmen mit wenigstens
einem Shimelement ausgebildet ist. Der Wandler weist also erfindungsgemäß ein
an ihm befestigtes bzw. angeordnetes Shimelement oder auch eine
Mehrzahl von Shimelementen auf, die aufgrund ihrer magnetischen
Eigenschaften Störungen des Magnetfelds, beispielsweise durch
die Luft innerhalb des Wandlers, die für die Erstellung
von Magnetresonanzaufnahmen nachteilig sind, ausgleichen. Das Shimelement
kann hierzu mit dem Wandlergehäuse verklebt oder verschraubt
oder in sonstiger Art und Weise kraft- bzw. formschlüssig an
diesem befestigt sein.
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Der
Wandler kann erfindungsgemäß mit wenigstens einem
an einem Boden eines Wandlergehäuses und/oder wenigstens
einem an einer seitlichen Begrenzung eines Wandlergehäuses
angeordneten Shimelement ausgebildet sein, insbesondere mit einem
an der Gehäuseinnenseite und/oder einem an der Gehäuseaußenseite
angeordneten Shimelement. Es können also in einem unteren
Bereich des Wandlergehäuses, das z. B. aus Kunststoff besteht, entweder
innerhalb oder außerhalb, verschiedene Shimelemente, beispielsweise
Platten, vorgesehen sein. Des Weiteren können alternativ
oder ergänzend an Seitenwänden eines Wandlergehäuses
weitere Shimelemente vorgesehen sein. Diese Shimelemente können
wiederum an der Gehäuseinnenseite oder an der Gehäuseaußenseite
bzw. innen und außen vorgesehen sein. Der obere Wandlerbereich
des Transducers besteht in der Regel aus einer Piezokeramik. Allgemein
kann es vorteilhaft sein, wenn insbesondere die Shimelemente an
der Gehäuseaußenseite leicht entfernbar sind,
um so den Shim den jeweiligen Bedingungen bei der Magnetfelderzeugung
anpassen zu können, indem das Shimelement abgenommen wird
bzw. weitere Shimelemente befestigt werden. Shimelemente an der
Gehäuseinnenseite am Boden bzw. im seitlichen Bereich können fest
oder ebenfalls entfernbar ausgebildet sein.
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Der
Wandler kann mit wenigstens einem Shimelement aus Graphit und/oder
Bismut und/oder einem anderen diamagnetischen Material ausgebildet
sein. Insbesondere kann der Wandler mit wenigstens einem Shimelement
aus einem stark diamagnetischen Material ausgebildet sein. Die Suszeptibilität des
Materials ist dabei so zu wählen, dass die sich aufgrund
der Ausgestaltung des Wandlers, insbesondere aufgrund einer Luftfüllung
des Wandlers, ergebenden Störungen des Magnetfelds für
die begleitende Temperaturüberwachung während
der Ultraschalltherapie möglichst optimal ausgeglichen
werden. Der Wandler kann vorteilhaft mit wenigstens einem plattenförmigen
und/oder wenigstens einem scheibenförmigen Shimelement
ausgebildet sein.
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Durch
die Wahl von dünnen Platten, von denen gegebenenfalls mehrere
verwendet oder übereinander angeordnet werden können,
ergibt sich die Möglichkeit, den Shim je nach Anwendung
zu optimieren.
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Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erstellung von Magnetresonanzaufnahmen
für eine Temperaturüberwachung eines mit hochintensivem
fokussiertem Ultraschall beschallten bzw. zu beschallenden Bereichs,
insbesondere mittels einer medizinischen Einrichtung bzw. unter
Verwendung eines Wandlers wie vorstehend beschrieben, bei dem für
die Erstellung der Magnetresonanzaufnahmen einem Wandler zur Erzeugung
des hochintensiven fokussierten Ultraschalls wenigstens ein Shimelement
zum Ausgleich einer durch die Ausgestaltung des Wandlers im Hinblick
auf eine Wandlerumgebung hervorgerufenen Suszeptibilitätsänderung
bzw. eines -unterschieds zugeordnet wird. Es geht also beim erfindungsgemäßen
Verfahren darum, scheinbare Temperaturänderungen bzw. Temperaturstörungen
zumindest im Wesentlichen auszugleichen, soweit dies mit einem Shim,
der während der Therapie in der Regel nicht verändert
wird, aber grundsätzlich durchaus auch im Behandlungsablauf angepasst
werden kann, möglich ist. Dabei geht es um Suszeptibilitätsänderungen,
die dadurch bedingt sind, dass sich der Transducer bezüglich
seines Materials von seiner Umgebung unterscheidet.
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Dies
ermöglicht eine zuverlässige Temperaturüberwachung
einer HIFU-Therapie, bei der ein monofokaler Wandler für
die Ultraschallerzeugung verwendet wird und zudem nur ein einziges
Referenzbild, in der Regel zu Beginn der Therapie bzw. dieser direkt
vorausgehend, erstellt werden muss.
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Gegenstand
des Verfahrens ist dabei die Temperaturüberwachung, also
ein Messprozess. Dieser findet lediglich begleitend zu einer Behandlung
mit hochintensivem Ultraschall statt, die selbst nicht Gegenstand
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Die Temperaturüberwachung
durch die Magnetresonanzanlage, also beispielsweise ein Magnetresonanzgerät
einer Einrichtung, wie sie im vorstehenden geschildert wurde, kann
dabei vollautomatisch über eine entsprechend ausgebildete
Recheneinrichtung mit einer Messsoftware erfolgen bzw. durch eine
geeignete qualifizierte Person, z. B. einen Techniker oder Naturwissenschaftler überwacht
durchgeführt werden. Des Weiteren ist es möglich,
dass der mit der Erstellung der Magnetresonanzaufnahmen für
die Temperaturmessung betraute Naturwissenschaftler, beispielsweise
ein Physiker oder eine andere geeignete Person wie ein Arzt, während
der Messung bzw. dieser vorausgehend Parameter für diese
auswählt bzw. eingibt, während die Temperaturüberwachung
ansonsten automatisch abläuft.
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Dadurch,
dass ein Wandler verwendet wird, an dem sich ein Shimelement befindet
bzw. in dessen Umgebung Shimelemente angeordnet sind, können Suszeptibilitätsänderungen
bzw. -abweichungen und -artefakte, die die Temperaturmessung negativ
beeinflussen können, zumindest im Wesentlichen ausgeglichen
werden. Dadurch werden Temperaturstörungen bei den sehr
empfindlichen Phasenbildern der Magnetresonanzmessung vermieden.
Der paramagnetische Effekt, den beispielsweise die Luftfüllung
des Wandlers hervorruft, kann somit kompensiert werden. Durch Graphitelemente
und dergleichen können die induzierten Suszeptibilitätsartefakte minimiert
werden. Der monofokale HIFU-Transducer kann verfahren werden, ohne
dass es nötig ist, neue Referenzbilder aufzunehmen. Aufwändigere
Messungen bzw. Behandlungen wie eine Trajektorien-Behandlung werden
so ohne weitere Probleme möglich. Dabei kann gleichzeitig
auf aufwändige Transducerarrays verzichtet werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den folgenden Ausführungsbeispielen sowie anhand der Figuren.
Dabei zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße medizinische Einrichtung,
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2 eine
Anordnung eines Wandlers mit Shimelementen bei einer erfindungsgemäßen
medizinischen Einrichtung,
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3A–3D erfindungsgemäße
Wandler und
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4 eine
Ablaufskizze zur Erstellung von Magnetresonanzaufnahmen bei einem
erfindungsgemäßen Verfahren.
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße
medizinische Einrichtung 1 dargestellt. Die medizinische Einrichtung 1 verfügt
neben einem Wandler 2, der hier lediglich skizziert angedeutet
ist, über ein Magnetresonanzgerät 3,
mit dem Magnetresonanzaufnahmen erstellt werden können.
Zweck der Erstellung der Magnetresonanzaufnahmen mit der medizinischen
Einrichtung 1 bzw. deren Magnetresonanzgerät 3 ist
eine Temperaturüberwachung einer Therapie mit hochintensivem
fokussiertem Ultraschall (HIFU-Therapie). Eine solche Therapie wird
beispielsweise durchgeführt, um Tumore durch Erhitzen des Tumorgewebes
zu zerstören.
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Auf
einer Liege 4 wird hierzu ein hier nicht dargestellter
Patient gelagert, der mit dem Ultraschall, der vom Wandler 2 erzeugt
wird, beschallt wird, während begleitend oder gegebenenfalls
zusätzlich kurz vor oder nach der Ultraschallbehandlung
Magnetresonanzaufnahmen mit dem Magnetresonanzgerät 3 erstellt
werden. Die Magnetresonanzaufnahmen können für
eine Bilddarstellung des zu behandelnden Bereichs genutzt werden,
dienen aber in jedem Fall für ein Temperaturmonitoring
der Ultraschallbehandlung. Mit dem Temperaturmonitoring wird sichergestellt,
dass die erzeugte Erwärmung groß genug ist, um
das Tumorgewebe zu zerstören bzw. in der Umgebung nicht
so hoch ist, dass gesundes Gewebe geschädigt wird.
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Die
medizinische Einrichtung 1 verfügt des Weiteren über
eine Steuerungseinrichtung 5, hier eine Recheneinrichtung 5a mit
einem zugeordneten Bildausgabe- und Eingabemittel 5b. Mit
Hilfe der Steuerungseinrichtung 5 wird die Ultraschallerzeugung
für die HIFU-Therapie gesteuert, wobei der Wandler 2 mit Hilfe
von hier nicht dargestellten Aktoren in einem umgebenden Wasserbad 6 verfahren wird,
um den Behandlungsbereich optimal anzusteuern. Des Weiteren wird über
die Steuerungseinrichtung 5 die Erstellung der Magnetresonanzaufnahmen mit
Hilfe des Magnetresonanzgeräts 3 gesteuert.
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Gegebenenfalls
können bei alternativen Ausgestaltungen einer medizinischen
Einrichtung 1 unterschiedliche Steuerungseinrichtungen 5 vorhanden
sein, die jeweils wiederum über Recheneinrichtungen 5a und
Bildausgabe- bzw. Eingabemittel 5b verfügen, insbesondere,
falls während der Behandlung weitere Eingaben durch einen
Bediener erforderlich sind, damit der Arzt die Ultraschallbehandlung überwachen
bzw. durchführen kann, während gleichzeitig ein
Techniker die Temperaturmessung mit Hilfe des Magnetresonanzgeräts 3 begleitet.
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Für
die Temperaturüberwachung mit Hilfe des Magnetresonanzgeräts 3 wird
zunächst ein Referenzbild erstellt, um so anhand von Differenzbildern Temperaturänderungen
erkennen zu können.
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Der
hier dargestellte Wandler 2 ist mit verschiedenen Shimelementen
versehen, durch die Suszeptibilitätsänderungen
bzw. -unterschiede, die durch die Ausgestaltung des Wandlers 2 bedingt sind,
insbesondere dadurch, dass der Wandler 2 im Wesentlichen
mit Luft gefüllt ist, ausgeglichen werden können.
Ein scheinbar paramagnetischer Effekt, der durch die Luftfüllung
des Wandlers im diamagnetischen Wasser entsteht, kann so zumindest
im Wesentlichen ausgeglichen werden.
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Damit
ist es möglich, dass mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 5 der
Wandler 2 während der Ultraschallbehandlung verschoben,
also in seiner Position geändert, werden kann, beispielsweise
um größere Tumorbereiche zu erfassen, ohne dass
für das begleitende Temperaturmonitoring mit Hilfe des
Magnetresonanzgeräts 3 jedes Mal neue Referenzbilder aufgenommen
werden müssen. Insbesondere kann mit der medizinischen
Einrichtung 1 eine Temperaturüberwachung mit einem
einzigen Referenzbild erfolgen. Der Wandler 2 ist ein monofokaler
Wand ler und damit konstruktiv einfacher aufgebaut als die aufwändigen
Wandlerarrays.
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In
der 2 ist eine Anordnung eines Wandlers 7 mit
Shimelementen 8 bei einer erfindungsgemäßen
medizinischen Einrichtung gezeigt. Der Wandler 7 befindet
sich in einem Wasserbad 9, das die Ankopplung des Ultraschalls,
der mit Hilfe des Wandlers 7 erzeugt wird, an einen mit
Ultraschall zu beschallenden Bereich eines Patienten, abgegrenzt durch
die Haut 9b, gewährleistet. Des Weiteren verfügt
der Wandler 7 über ein Gehäuse mit seitlichen Begrenzungen 7a und
einem Boden 7b sowie einem oberen Schallbereich 7c,
bei dem es sich um den eigentlichen Wandlerbereich aus einer Piezokeramik handelt.
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Die
Schallerzeugung mit Hilfe des Wandlers 7 ist durch die
Schallwellen 10a bzw. den Schallkegel 10b angedeutet.
Die Schallerzeugung durch den Wandler 7 ist monofokal,
es gibt also einen einzigen Fokuspunkt 11. Der Kreis um
den Fokuspunkt 11, zu dem der obere Schallbereich 7c einen
Teil der Kreislinie bildet, hat den Radius r. Zur Veränderung
dieses Fokuspunktes 11 ist die Position des Wandlers 7 selbst
zu verändern. Dies geschieht bei der dargestellten Anordnung über
einen Halterungsarm 12, der z. B. aus einem Plastikmaterial
besteht. Der Halterungsarm 12 wird über hier nicht
dargestellte Stellmotoren angesteuert, angedeutet durch den Pfeil 13. Damit
ist es möglich, wie hier durch die Pfeile 14 angedeutet
wird, den Wandler 7 in x-, y- und z-Richtung, also in einer
horizontalen Ebene und auch vertikal zu dieser, zu verfahren. Damit ändert
sich entsprechend die Position des Fokuspunktes 11, angedeutet
durch die Pfeile 15. So können z. B. größere
Bereiche eines Tumors behandelt werden. Bei anderen Ausführungsformen
kann auch eine Rotation des Halterungsarms 12 möglich
sein.
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Der
Wandler 7 selbst besteht aus Materialien, die im Vergleich
zum umgebenden diamagnetischen Wasser nahezu unmagnetisch sind.
Beispielsweise befindet sich im Wandler 7 Luft 16.
Dieser „fehlende Diamagnetismus", der eine Temperaturüberwachung
mit einem hier nicht dargestellten Magnetresonanzgerät
stören würden, unter anderem dahingehend, dass
für eine im Wesentlichen zuverlässige Temperaturüberwachung
bei jeder Änderung der Position des Wandlers 7 durch
ein Verfahren des Halterungsarms 12 ein erneutes Referenzbild
erstellt werden müsste, werden durch die hier plattenförmig ausgebildeten
Shimelemente 8 im Innenbereich des Wandlers 7 im
Wesentlichen ausgeglichen.
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So
können erfindungsgemäß störende
Effekte, die eine scheinbare Temperaturänderung im Bereich
von mehr als 15 K hervorrufen können, minimiert werden,
indem, wie hier gezeigt, Shimelemente 8 beispielsweise
im Innenbereich des Wandlers 7 an den seitlichen Begrenzungen 7a und
am Boden 7b befestigt werden.
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Mit
dem Ultraschall, der mit dem Wandler 7 erzeugt wird, wird
vorliegend ein Behandlungsbereich 10c bestrahlt, wobei
die Position des Wandlers 7 für eine Bestrahlung
eines größeren Bereichs innerhalb des Behandlungsbereichs 10c entsprechend geändert
werden muss. Hierzu wird der Wandler 7 im Wasserbad 9 mit
den Begrenzungen 9a bewegt.
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In
den 3A bis 3D sind
erfindungsgemäße Wandler exemplarisch ohne Anspruch
auf Vollständigkeit dargestellt.
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In
der 3A ist ein Wandler 17 in einer Aufsicht
ohne exemplarisch Anspruch auf Vollständigkeit von unten
zu sehen. Der Wandler 17 weist verschiedene Shimelemente 18 auf,
die als dünne Platten über ein Gehäuse
des Wandlers 17 verteilt sind. Dabei ist vorliegend die
Anordnung so gewählt, dass die Shimelemente 18 eine
zentrale Scheibe als Shimelement 18a aufweisen, die in
einem zentralen Bereich des Wandlers 17 mittig angeordnet
ist. Weitere Shimelemente 18b umgeben als ebenfalls runde Platten,
die jedoch kleiner ausgebildet sind als das Shimelement 18a,
dieses zentrale Shimelement 18a. Die Shimelemente 18b sind
bei einem Wandlergehäuse wie in der 3C,
das einen Bodenbereich mit einer Stufe aufweist, im höher
gelegenen äußeren Bereich angeordnet.
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Bei
einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführung
können die weiteren Shimelemente 18b fehlen. Dann
wird der Shim lediglich durch das Shimelement 18a gebildet.
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Die
Shimelemente 18 des Wandlers 17, dessen weitere
Gehäusebestandteile bzw. dessen Halterung in einem Wasserbad
vorliegend nicht dargestellt sind, ermöglichen den Ausgleich
von Suszeptibilitätsänderungen bzw. -unterschieden,
die durch die Ausgestaltung des Wandlers 17 selbst bedingt
sind. Hierzu bestehen die Shimelemente 18 vorliegend aus
diamagnetischem Graphit, der z. B. zur Vermeidung einer Vorzugsorientierung
der Kristallkörner im Material isostatisch gepresst ist
und eine Plattenstärke im Millimeterbereich aufweist.
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Ein
weiterer Wandler 19 ist in der 3B dargestellt.
Dieser Wandler 19 weist ein Gehäuse 20 aus
Kunststoff mit seitlichen Begrenzungen 20a sowie einen
Boden 20b auf. Im Innenbereich des Gehäuses 20 ist
am Boden 20b ein Shimelement 21 angeordnet, bei
dem es sich um eine Bismutscheibe handelt, die aufgrund ihrer diamagnetischen
Eigenschaften die paramagnetischen Effekte, die durch die Luft 22 hervorgerufen
werden, die sich im Wandlergehäuse 20 befindet,
ausgleichen kann.
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Beim
Wandler 23 der 3C, der
ebenfalls ein Gehäuse 24 aus Kunststoff und einen
piezokeramischen Wandlerbereich aufweist, sind eine Mehrzahl von
Shimelementen 25 vorgesehen, die auf der Außen-
und der Innenseite des Gehäuses 24 angeordnet
sind. Die Shimelemente 25 sind teilweise aus Schichten
aufgebaut, es werden also mehrere Shimplatten, je nachdem, welcher
Shim für die jeweilige Temperaturüberwachung bei
der Ultraschalltherapie optimal ist, verwendet. Zur Anpassung können
die Shimelemente 25, insbesondere im Außenbereich des
Gehäuses 24, entfernt werden. Dies wird über eine
nicht gezeigte formschlüssige Halterung ermöglicht.
Das Gehäuse 24 weist bei senkrechten seitlichen
Begrenzungen einen abgestuften Bodenbereich auf, wobei sich hier
auf jeder Ebene Shimelemente 25 befinden.
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Beim
Wandler 26 der 3D befindet
sich ein Shimelement 27 in der näheren Umgebung
des Wandlergehäuses 28, ohne direkt an diesem
befestigt zu sein. Damit ist es gegebenenfalls möglich,
den Wandler 26 und das Shimelement 27 unabhängig voneinander
zu bewegen, um die Einstellung des Shims zu optimieren. Das Shimelement 27 weist
dennoch eine derartige räumliche Nähe zum Wandler 26 auf,
das die Störungen des Magnetfelds bzw. die Störungen
der Homogenität des Magnetfelds, die durch den Wandler 26 hervorgerufen
werden, durch das Shimelement 27 geeignet ausgeglichen
werden können. Eine vorhandene Halterung für das
Shimelement 27 ist nicht dargestellt.
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In
der 4 ist eine Ablaufskizze zur Erstellung von Magnetresonanzaufnahmen
bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
Demnach wird gemäß einem Schritt a der Wandler
für die Erzeugung des hochintensiven fokussierten Ultraschalls
geeignet positioniert, ebenso mit dem Wandler die Shimelemente oder
Shimelemente in der Umgebung des Transducers.
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Im
Schritt b wird in der Folge ein Referenzbild für die Temperaturüberwachung
mit einem sich an einer ersten Position des befindenden Transducer aufgenommen.
Danach wird beschallt und ein erstes Magnetresonanzphasenbild aufgenommen,
um eine Temperaturbestimmung des zu behandelnden Bereichs anhand
der subtrahierten Bildaufnahmen zu ermöglichen.
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Die
Ultraschallbehandlung wird gemäß dem Schritt c
fortgesetzt, wobei das Temperaturmonitoring ebenfalls weiter durchgeführt
wird. Im Rahmen der Behandlung erfolgt eine erneute Positionierung des
Wandlers, der hierzu mit Hilfe geeigneter Stellmotoren oder auch
manuell in einem umgebenden Wasserbad verfahren werden kann.
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Anschließend
oder gleichzeitig wird wiederum zur Temperaturüberwachung
gemäß dem Schritt d ein Magnetresonanz-Phasenbild
aufgenommen, das, basierend auf dem Referenzbild, das im Schritt b
erstellt wurde, eine Temperaturbildberechnung erlaubt.
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Trotz
der Umpositionierung des Wandlers muss kein neues Referenzbild aufgenommen
werden, da neben dem Wandler auch das Shimelement umpositioniert
wurde bzw. in der Umgebung des Wandlers weiterhin ein Shimelement
derart vorhanden ist, dass Suszeptibilitätsartefakte minimiert
werden.
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So
wird erfindungsgemäß ein Ausgleich von Suszeptibilitäten
durch Verwendung von Materialien sehr unterschiedlicher Suszeptibilitäten,
insbesondere paramagnetischer und stark diamagnetischer Materialien,
bei einer begleitenden Temperaturmessung während einer
Ultraschallbehandlung durchgeführt. Es wird also ein derartiges
Shimverfahren, das auf unterschiedlichen Suszeptibilitäten
beruht, vorteilhaft für die Temperaturüberwachung
im Zusammenhang mit Wandlern, die zur Ultraschallerzeugung dienen, verwendet.
Auf aufwändige Wandlerarrays kann ebenso verzichtet werden
wie auf die Erstellung eines erneuten Referenzbilds bei jeder Änderung
der Position des monofokalen Wandlers.
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Wird
der Transducer erneut umpositioniert, also erneut der Schritt c
durchlaufen, so wird gemäß dem Schritt d wiederum
ein MR-Phasenbild erstellt, ohne dass ein neues Referenzbild aufgenommen wird.
Dieses Temperaturbild zeigt aufgrund des Shims keine nennenswerten
Störungen der Temperatur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Sample-specific
diamagnetic and paramagnetic passive shimming" von Kevin M. Koch
et al. (Journal of Magnetic Resonance, Volume 182, pages 66–74,
2006) [0012]