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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Manipulation eines
B1-Felds in einem ersten Bereich eines in
einem Untersuchungsvolumen eines Magnetresonanzsystem angeordneten
Untersuchungsobjekts, bei dem im Rahmen einer Justagemessung integral über zumindest
ein bestimmtes Teilvolumen des Untersuchungsvolumens, z. B. über eine
definierte Schicht, ein B1-Messwert ermittelt wird,
der das in dem betreffenden Teilvolumen während der Justagemessung vorliegende,
mittels einer Antennenanordnung des Magnetresonanzsystems erzeugte
mittlere B1-Feld repräsentiert und bei dem auf Basis
des ermittelten B1-Messwerts Hochfrequenzsignal-Sollparameter,
insbesondere eine Amplitude der ausgesendeten Hochfrequenzsignale,
für eine
nachfolgende Magnetresonanzmessung vorgegeben werden. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzsystem sowie ein Hilfs-Spulenelement
zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Bei
der Magnetresonanztomographie, auch Kernspintomographie genannt,
handelt es sich um eine inzwischen weit verbreitete Technik zur
Gewinnung von Bildern vom Körperinneren
eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild
zu gewinnen, muss zunächst
der Körper
bzw. der zu untersuchende Körperteil
des Patienten oder Probanden einem möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeld
ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten des Magnetresonanzsystems
erzeugt wird. Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnellgeschaltete
Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sog. Gradientenspulen
erzeugt werden. Außerdem
werden mit Hochfrequenzantennen Hochfrequenzpulse einer definierten
Feldstärke,
das so genannte „B1-Feld",
in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Mittels dieser Hochfrequenzpulse
werden die Kernseins der Atome im Untersuchungsobjekt derart angeregt,
dass sie um einen so genannten „Anregungsflipwinkel" (auch kurz „Flipwinkel” genannt)
aus ihrer Gleichgewichtslage parallel zum Grundmagnetfeld ausgelenkt
werden. Die Kernspins präzedieren
dann um die Richtung des Grundmagnetfelds. Die dadurch erzeugten
Magnetresonanzsignale werden von Hochfrequenzempfangsantennen aufgenommen.
Die Magnetresonanzbilder des Untersuchungsobjekts werden schließlich auf
Basis der empfangenen Magnetresonanzsignale erstellt.
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Zur
Aussendung der benötigten
Hochfrequenzpulse in den Patientenlagerungsbereich weist der Tomograph üblicherweise
eine fest im Gehäuse installierte
Antennenstruktur auf. Diese Hochfrequenzantenne wird auch als „Body-Coil" oder „Ganzkörperspule" bezeichnet. Sie
besteht z. B. bei der häufig verwendeten „Birdcage-Struktur" aus einer Mehrzahl von
um den Patientenraum angeordneten und parallel zur Hauptfeldrichtung
verlaufenden Leiterstäben, welche
an den Stirnseiten der Spule über
Ringleiter miteinander verbunden sind. Alternativ hierzu gibt es aber
auch andere, fest im Gehäuse
installierte Antennenstrukturen, wie z. B. Sattelspulen. Darüber hinaus können auch
Lokalspulen verwendet werden, die direkt am Körper des Patienten angeordnet
werden. In den meisten Fällen
werden die Lokalspulen aber lediglich als Empfangsspulen eingesetzt.
Das Aussenden der Hochfrequenzpulse zur Anregung der Spins erfolgt
dagegen mit der Ganzkörperspule.
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Vor
der eigentlichen Magnetresonanzaufnahme wird üblicherweise eine Justagemessung,
die sog. „Transmitter
Adjust Messung",
durchgeführt.
In dieser Justagemessung wird in einem Abgleichverfahren der Spannungswert
an der Sendespule gesucht, der eine 90°- bzw. 180°-Auslenkung der Spins ermöglicht.
Bei dieser Messung wird üblicherweise der
integrale Wert über
ein bestimmtes angeregtes Volumen, beispielsweise eine dickere Schicht
innerhalb des Untersuchungsvolumens berücksichtigt. Als B1-Messwert
wird dabei oft der erreichte Flipwinkel α gemessen, wobei es sich dabei,
da die Messung integriert über
das gesamte Volumen durchgeführt wird,
um den mittleren Flipwinkel in diesem Volumen handelt. Dieser mitt lere
Flipwinkel ist unmittelbar in das in das Teilvolumen eingestrahlte
mittlere B1-Feld umrechenbar.
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Insbesondere
bei neuartigen Magnetresonanzsystemen mit Grundmagnetfeldstärken, die gleich
oder höher
als drei Tesla sind und bei denen mit höheren Frequenzen oberhalb von
100 MHz gearbeitet wird, werden im Patienten bei der Einstrahlung
der Hochfrequenzpulse häufig
beträchtliche
Wirbelströme
induziert. Als Folge davon wird das eigentlich homogen eingestrahlte
B1-Feld im Untersuchungsvolumen mehr oder
minder stark verzerrt. In Einzelfällen kann dies dazu führen, dass
eine zuverlässige
Magnetresonanzmessung in bestimmten Körperregionen des Patienten
problematisch ist und unbrauchbare Ergebnisse liefert. Ein typischer
Problemfall ist der Bereich der Wirbelsäule des Patienten. Häufig ist
das in diesem Bereich eingestrahlte B1-Feld
niedriger als in den restlichen Bereichen des Körpers. Eine Aufnahme der Wirbelsäule ohne
eine Feldkorrektur würde
daher zu einer schlechten Ausleuchtung und zu einem niedrigeren
Signal-/Rausch-Verhältnis,
d. h. zu einem verschlechterten Kontrast, führen.
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Um
die Struktur des eingestrahlten Magnetfelds in geeigneter Weise
in allen Bereichen des Untersuchungsvolumens möglichst detailliert beeinflussen
zu können,
um so insbesondere eine möglichst gute
Homogenität
des B1-Felds in einem Untersuchungsvolumen
zu erzielen, wurden bisher lokale Feldkorrekturen durch den Einsatz
von z. B. dielektrischen Kissen durchgeführt. Die Wirbelsäulenbildgebung
erfolgt jedoch üblicherweise
mit Hilfe einer Lokalspulenanordnung (auch „Spine Coil Array" genannt), die unter
den auf dem Rücken
auf dem Untersuchungstisch liegenden Patienten gelegt wird. Um über diese
Lokalspule ein möglichst
hohes Signal zu empfangen und so ein gutes Signal-/Rausch-Verhältnis zu
erreichen, sollte der Abstand zwischen der Lokalspule und dem Patienten
möglichst
klein sein. Daher ist es ungünstig,
dielektrische Kissen im Bereich der Wirbelsäule anzusetzen, d. h. zwischen
die Lokalspule und den Rücken
des Patienten zu legen, da dadurch der Abstand zwischen Spule und
Patient erhöht
wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur lokalen Manipulation eines B1-Felds
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird hierzu
ein Hilfs-Spulenelement eingesetzt, welches jedoch nicht an dem eigentlich
zu manipulierenden lokalen ersten Bereich angeordnet wird, sondern
stattdessen an einem von diesem ersten Bereich entfernten zweiten
Bereich des Teilvolumens. Dabei wird mit Hilfe des Hilfs-Spulenelements das
B1-Feld zumindest während der Justagemessung innerhalb
des zweiten Bereichs entgegengesetzt zu der im ersten Bereich beabsichtigten
Manipulation beeinflusst. Das heißt, es wird z. B. im zweiten
Bereich das Feld herabgesetzt, um das Feld im ersten Bereich zu
erhöhen
oder umgekehrt.
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Die
Erfindung macht sich dabei zunutze, dass innerhalb des Justageverfahrens
der B1-Messwert, auf dem letztlich die Hochfrequenzsignal-Sollparameter,
wie beispielsweise die Amplitude der ausgesendeten Hochfrequenzpulse
oder sonstige Parameter, die die Feldverteilung beeinflussen, basieren, integrativ über das
gesamte Teilvolumen ermittelt wird. Durch die Manipulation dieses
zweiten Teilbereichs in der entgegengesetzten Richtung wird der B1-Messwert insgesamt in dieser Richtung verfälscht, so
dass entsprechend Hochfrequenzsignal-Sollparameter vorgegeben werden, die
dieser Wirkung entgegensteuern. Somit wird dann bei der Aussendung
der Hochfrequenzsignale in der nachfolgenden Magnetresonanzmessung
auch für
die gewünschte
Wirkung in dem zu manipulierenden ersten Teilbereich gesorgt. Ist
es beispielsweise nötig,
im Rückenbereich
des Patienten nahe der Wirbelsäule
das Feld zu erhöhen,
so wird dafür
gesorgt, dass mit einem auf dem Bauch befindlichen Hilfs-Spulenelement
dort während
der Justagemessung das B1-Feld reduziert wird.
Insgesamt wird daher ein niedriger B1-Messwert gemessen
und somit werden die Hochfrequenzsignal-Sollparameter so festgelegt, dass ein
höheres B1-Feld während
der Magnetresonanzmessung eingestrahlt wird, wodurch auch das B1-Feld im Rückenbereich erhöht wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann also ein bestimmter Bereich beeinflusst werden, ohne dass an
diesem Bereich selbst ein dielektrisches Kissen oder ein sonstiges
Feldkorrekturelement angelegt werden muss, wodurch die zuvor genannten
Nachteile vermieden werden.
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Die
abhängigen
Ansprüche
enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung.
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Bei
einer ersten Variante des Verfahrens wird zur Erhöhung des
B1-Felds im ersten Bereich im oder am zweiten
Bereich ein Hilfs-Spulenelement angeordnet, welches während der
Justagemessung zur Reduzierung des B1-Felds
innerhalb des zweiten Bereichs gezielt destruktiv mitschwingt. Dies
lässt sich dadurch
erreichen, dass das Hilfs-Spulenelement eine Eigenresonanzfrequenz
aufweist, welche etwas unterhalb der Magnetresonanzfrequenz liegt.
Bei einer Spule mit einer Eigenresonanzfrequenz, die tiefer liegt
als die eigentliche Magnetresonanzfrequenz, wirkt der verbleibende
Blindwiderstand induktiv und somit ist die Spule in ihrem Zentrum
und in einem bestimmten Bereich axial zur Spule abschwächend. Vorzugsweise
ist das Hilfs-Spulenelement um bis zu ca. 10 bis 15% nach unten
verstimmt. Bei einer Magnetresonanzfrequenz von 123 MHz bietet sich
beispielsweise ein Hilfs-Spulenelement mit einer Resonanzfrequenz
von 108 MHz an.
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Bei
einer alternativen Variante wird zur Reduzierung des B1-Felds im ersten Bereich
im oder am zweiten Bereich ein Hilfs-Spulenelement angeordnet, welches während der
Justagemessung zur Erhöhung des
B1-Felds innerhalb des zweiten Bereichs
gezielt konstruktiv mitschwingt. Hierzu weist das Hilfs-Spulenelement vorzugsweise
eine Eigenresonanzfrequenz auf, welche etwas oberhalb der Magnetresonanzfrequenz,
beispiels weise bis zu ca. 10 bis 15% höher, liegt. Liegt die Eigenresonanzfrequenz
der Spule nämlich
höher als
die Magnetresonanzfrequenz, so ist der verbleibende Blindwiderstand
kapazitiv und die Spule wirkt in ihrem Zentrum bzw. in einem nah
an der Spule befindlichen axialen Bereich verstärkend.
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Lediglich,
wenn die Spule stark verstimmt ist, z. B. sehr viel mehr als 20%
neben der Magnetresonanzfrequenz liegt, hat sie überhaupt keine Wirkung mehr
und ist somit für
die MR-Messung unsichtbar.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante ist das Hilfs-Spulenelement nur
in Sendephasen des Magnetresonanzsystems aktiviert, in denen vom
Magnetresonanzsystem Hochfrequenzpulse ausgesendet werden. In Empfangsphasen,
in denen vom Magnetresonanzsystem die induzierten Magnetresonanzsignale
empfangen werden, ist das Hilfs-Spulenelement dagegen deaktiviert.
Hierdurch kann dafür
gesorgt werden, dass innerhalb der Empfangsphasen, in denen das
Signal ohnehin relativ niedrig ist, durch das Hilfs-Spulenelement
nicht noch zusätzlich
Leistung absorbiert wird.
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Ein
bevorzugtes erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem
weist daher eine Antennenanordnung zur Erzeugung eines B1-Felds in einem in einem Untersuchungsvolumen
des Magnetresonanzsystems angeordneten Untersuchungsobjekt auf sowie
ein Hilfs-Spulenelement
zur lokalen Manipulation eines B1-Felds
in einem Bereich des in dem Untersuchungsvolumen angeordneten Untersuchungsobjekts
und eine Steuereinrichtung, welche so aufgebaut ist, dass im Rahmen
einer Justagemessung integral über
zumindest ein bestimmtes Teilvolumen des Untersuchungsvolumens ein
B1-Messwert ermittelt wird, welcher das
in dem betreffenden Teilvolumen während der Justagemessung vorliegende,
mittels der Antennenanordnung des Magnetresonanzsystems erzeugte
mittlere B1-Feld repräsentiert, und dass auf Basis
des ermittelten B1-Messwerts Hochfrequenzsignal-Sollparameter für eine nachfolgende Magnetresonanzmessung
vorgegeben werden. Dabei sind das Hilfs-Spulenelement und/oder die
Steuereinrichtung so ausgebildet, dass das Hilfs-Spulenelement nur
in Sendephasen des Magnetresonanzsystems aktiviert und in Empfangsphasen
deaktiviert ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante wird hierzu ein erfindungsgemäßes Hilfs-Spulenelement
verwendet, welches eine Schaltungsanordnung aufweist, die das Hilfs-Spulenelement
in den Sendephasen automatisch aktiviert. Mit anderen Worten, die
Aktivierung des Hilfs-Spulenelements in den Sendephasen und die
Deaktivierung des Hilfs-Spulenelements in den Empfangsphasen erfolgen
durch das Hilfs-Spulenelement konstruktiv bedingt vollautomatisch.
Ein entsprechend aufgebautes erfindungsgemäßes Hilfs-Spulenelement zur
lokalen Manipulation eines B1-Felds in einem
Bereich eines in einem Untersuchungsvolumen eines Magnetresonanzsystem angeordneten
Untersuchungsobjekts, welches eine entsprechende Schaltungsanordnung
aufweist, die so ausgebildet ist, dass das Hilfs-Spulenelement automatisch nur in Sendephasen
des Magnetresonanzsystems aktiviert ist und in Empfangsphasen deaktiviert
ist, kann vom Bedienpersonal des Magnetresonanzsystems beispielsweise
einfach an die gewünschte
Stelle an oder auf den Patienten gelegt werden. Weitere Verschaltungsmaßnahmen
mit dem Magnetresonanzsystem bzw. eine Verkabelung mit dem Magnetresonanzsystem
und anschließende
Ansteuerung sind nicht notwendig.
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Bei
einem einfachen Ausführungsbeispiel
eines solchen Hilfs-Spulenelements
weist die Schaltungsanordnung eine Anzahl von in einem Schwingkreis
des Hilfs-Spulenelements eingebauten Schaltelementen auf, welche
im nicht durchgeschalteten Zustand den Schwingkreis unterbrechen
und welche oberhalb einer durch ein angelegtes Hochfrequenzfeld
induzierten Grenzspannung automatisch durchschalten. Beispielsweise
bietet es sich an, eine Schaltungsanordnung mit zwei in einem Schwingkreis
des Hilfs-Spulenelements antiparallel geschalteten Hochfrequenz-Gleichrichterdioden,
vorzugsweise Schottky-Dioden, zu verwenden.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt
die Aktivierung des Hilfs-Spulenelements in den Sendephasen und
die Deaktivierung des Hilfs-Spulenelements in den Empfangsphasen
durch eine aktive Beschaltung des Hilfs-Spulenelements. Hierzu weist
das Hilfs-Spulenelement bevorzugt eine Schaltungsanordnung mit einem
Schalteingang auf, über
welchen das Hilfs-Spulenelement
von der Steuereinrichtung aktivierbar oder deaktivierbar ist. Diese Schaltungsanordnung
kann beispielsweise eine Diode aufweisen, welche einen Schwingkreis
des Hilfs-Spulenelements
unterbricht und welche zur Aktivierung über den Schalteingang durchgeschaltet wird.
Alternativ kann aber auch durch eine entsprechende Beschaltung über die
Steuereinrichtung die Eigenresonanzfrequenz des Hilfs-Spulenelements so
weit gegenüber
der Magnetresonanzfrequenz verschoben werden, dass das Hilfs-Spulenelement
keine Wirkung mehr hat und unsichtbar ist.
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Der
Einsatz eines solchen aktiv beschalteten Hilfs-Spulenelements hat den Vorteil, dass
das Hilfs-Spulenelement auch so beschaltet werden kann, dass es
nur während
der Justagemessung aktiviert ist und während der eigentlichen Magnetresonanzmessung
permanent deaktiviert ist, sofern dies im Einzelfall gewünscht wird.
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Grundsätzlich kann,
wenn eine Wirkung des Hilfs-Spulenelements
während
der eigentlichen Magnetresonanzmessung nicht gewünscht wird, das Hilfs-Spulenelement
auch nach der Justagemessung und vor der eigentlichen Magnetresonanzmessung wieder
entfernt werden. Dies erfordert aber einen zusätzlichen Arbeitsgang und somit
entsprechenden Zeitaufwand bei der Untersuchung.
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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. Es zeigen:
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1 eine
grob schematische Prinzipdarstellung der Flipwinkelverteilung im
Körper
eines auf einer Wirbelsäulen-Lokalspule
angeordneten Patienten im Querschnitt,
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2 eine
Darstellung der Flipwinkelverteilung in dem Patientenkörper gemäß 1 mit
einem auf dem Bauch aufgelegten Hilfs-Spulenelement,
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3 eine
Darstellung wie in 2, jedoch nach Erhöhung der
Amplitude der ausgesendeten Hochfrequenzpulse,
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4 ein
einfaches Schaltbild für
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hilfs-Spulenelements für eine Anwendung
wie in den 2 und 3,
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5 eine
Darstellung wie in 3, jedoch mit einem Hilfs-Spulenelement,
welches durch eine externe Beschaltung aktivierbar und deaktivierbar
ist,
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6 ein
schematisches Blockschaltbild für ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems
mit einem Hilfs-Spulenelement wie in 5,
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7 ein
Schaltbild für
ein Hilfs-Spulenelement zur Anwendung in einem Aufbau gemäß 5 nach
einem ersten Ausführungsbeispiel,
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8 ein
Schaltbild für
ein Hilfs-Spulenelement zur Anwendung in einem Aufbau gemäß 5 nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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9 zeigt
zwei Magnetresonanz-Vergleichsmessungen an einem Phantom zur Darstellung
der Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im
Folgenden wird das Verfahren an einem typischen Anwendungsbeispiel
erklärt,
in welchem eine Magnetresonanzaufnahme des Wirbelsäulenbereichs
eines Patienten P erzeugt werden soll. 1 zeigt
ein solches typisches Ausführungsbeispiel.
Der Patient P liegt hier mit dem Rücken auf einer Wirbelsäulen-Lokalspule 5.
Innerhalb eines Teilvolumens T, hier eine senkrecht auf der Längsachse
des Patienten stehende (d. h. in der Bildebene liegende) relativ dicke
Schicht, des Patienten P wird bei der Justagemessung ein B1-Feld so eingestellt, dass in diesem Teilvolumen
T vorzugsweise ein mittlerer Flipwinkel von 90° erreicht wird.
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Die
Justagemessung erfolgt dabei in der Weise, dass ein bestimmtes Hochfrequenzfeld
ausgesendet wird, dann die Flipwinkelverteilung in den Teilvolumen
T gemessen wird und so geprüft
wird, ob die Hochfrequenzfeldstärke
ausreicht oder zu niedrig oder zu hoch ist. Es erfolgt dann eine
Einstellung der Sendeparameter, so dass möglichst genau der mittlere
Flipwinkel in dem Teilvolumen T von 90° erreicht wird.
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Durch
die Feldinhomogenitäten
wird jedoch in einem ersten Bereich A1 entlang
der Wirbelsäule des
Patienten direkt oberhalb der Wirbelsäulen-Lokalspule 5 nur
ein Flipwinkel von 70° erreicht,
wogegen lediglich in den restlichen Bereichen des Körpers der
gewünschte
Flipwinkel von 90° erreicht
wird.
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Um
nun den Flipwinkel im Bereich A1 der Wirbelsäule zu erhöhen, wird
auf den Bauch des Patienten P ein Hilfs-Spulenelement 10 aufgelegt,
welches während
der Aussendung der Hochfrequenzpulse für die Justagemessung destruktiv
mitschwingt. Ein möglicher
Aufbau eines solchen Hilfs-Spulenelements 10 wird
später
anhand von 4 noch erläutert. Dieses Hilfs-Spulenelement 10 sorgt
dafür,
dass in einem axialen Bereich A2 des Hilfs-Spulenelements 10,
d. h. direkt unter dem Hilfs-Spulenelement 10 im Bauchbereich
A2 des Patienten P, der Flipwinkel bei der
Justagemessung ebenfalls erniedrigt wird. Dies ist in 2 dargestellt. Hier
wird mit Hilfe des Hilfs-Spulenelements 10 dafür gesorgt,
dass bei der Justagemessung der Flipwinkel im Bauchbereich A2, welcher vom ersten Bereich A1, in
dem eigentlich das B1-Feld erhöht werden
soll, entfernt ist, auf 50° reduziert
wird.
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Bei
der integrativen Messung des Flipwinkels in dem Teilvolumen T, d.
h. in der quer zur Längsachse
des Patientenkörpers
verlaufenden Schicht, wird somit insgesamt ein niedrigerer mittlerer
Flipwinkel gemessen. Daher wird dafür gesorgt, dass in der nachfolgenden
Magnetresonanzmessung mit stärkeren
Hochfrequenzpulsen gearbeitet wird, um den Flipwinkel entsprechend
zu erhöhen.
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Diese
Situation ist in 3 dargestellt. Wie hier zu sehen
ist, führt
die Anhebung der ausgesendeten B1-Feldstärke dazu,
dass nun in dem interessanten Bereich A1 an
der Wirbelsäule
tatsächlich
ein mittlerer Flipwinkel von 90° erreicht
wird. Im Bauchbereich A2 unterhalb des Hilfs-Spulenelements 10 wird
immer noch ein mittlerer Flipwinkel von 70° erzeugt und im restlichen Bereich
des Teilvolumens T ein mittlerer Flipwinkel von 100°.
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Bei
dieser Messung ist jedoch in erster Linie der Flipwinkel im Wirbelsäulenbereich
A1 relevant, der hier optimal eingestellt
ist. Dabei ist es anders als bei bisherigen Manipulationsverfahren
mit dielektrischen Kissen nicht notwendig, das manipulierende Element
an den zu manipulierenden Bereich A1 anzulegen.
Die Distanz zwischen der Wirbelsäulen-Lokalspule 5 und
dem Körper
des Patienten P muss also nicht erhöht werden, so dass von der
Wirbelsäulen-Lokalspule 5 ein
besseres Signal empfangen werden kann. Stattdessen muss einfach
nur auf den Bauch des Patienten P, welcher frei zugänglich ist, das
Hilfs-Spulenelement 10 aufgelegt werden.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für den Aufbau
eines solchen Hilfs-Spulenelements 10.
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Dieses
Hilfs-Spulenelement 10 besteht im Wesentlichen aus einem
Schwingkreis, welcher aus einer einfachen ringförmigen Leiter aufgebaut ist,
die an vier Seiten durch Kondensatoren 11 unterbrochen ist.
Die Grundform des Leiterrings ist beliebig und kann z. B. kreisförmig oder
wie hier rechteckig sein. Durch geeignete Wahl der Kapazitätswerte
der Kondensatoren 11 und der Abmessungen der Spule kann die
Eigenresonanzfrequenz des Hilfs-Spulenelements 10 so eingestellt
werden, dass diese den für die
gewünschte
Wirkung erforderlichen Wert aufweist. Wie bereits eingangs erläutert, sollte
zur Abschwächung
des B1-Felds die Spule destruktiv mitschwingen,
d. h. eine Eigenresonanzfrequenz aufweisen, die etwas unterhalb
der Magnetresonanzfrequenz liegt. Eine Spule gemäß 4 mit den
Abmessungen b = 30 cm und a = 25 cm sowie mit Kondensatoren 11 in
der Größenordnung
von ca. 33 pF hat z. B. eine Eigenresonanzfrequenz von ca. 108 MHz erreicht.
Dieses Hilfs-Spulenelement 10 ist geeignet, um bei einer
Magnetresonanzfrequenz von 123 MHz das B1-Feld
im axialen Bereich und im Zentrum des Hilfs-Spulenelements 10 relativ gut
abzuschirmen.
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Grundsätzlich können eine
oder mehrere der Kondensatoren 11 auch verstimmbar ausgebildet sein,
um die Eigenresonanzfrequenz des Hilfs-Spulenelements einstellen
zu können.
Das Hilfs-Spulenelement 10 kann, wie herkömmliche
Empfangsspulen, sowohl starr als auch flexibel ausgebildet sein, beispielsweise
indem die ringförmige
Leiterstrecke als Kupferstreifen auf einer flexiblen Folie aufgedruckt
ist.
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Das
in 4 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Hilfs-Spulenelements 10 weist
eine Schaltungsanordnung 12 auf, welche dafür sorgt,
dass das gesamte Hilfs-Spulenelement 10 nur
in den Sendephasen des Magnetresonanzsystems aktiv ist und in den
Empfangsphasen inaktiv ist. Hierzu weist die Schaltungsanordnung 12 zwei
antiparallel geschaltete Hochfrequenz-Gleichrichterdioden 13, 14 auf.
Diese schalten erst oberhalb einer bestimmten anliegenden Spannung,
d. h. oberhalb einer bestimmten Grenzfeldstärke des Sendefelds durch. Je
nach Wahl der Dioden kann die Durchschalt spannung zwischen 0,3 und
0,7 Volt liegen. Bei Schottky-Dioden
liegt sie beispielsweise bei ca. 0,3 Volt.
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Somit
ist automatisch dafür
gesorgt, dass nur dann, wenn innerhalb der Sendephasen ein relativ starkes
Hochfrequenzfeld ausgesendet wird, diese Dioden 13, 14 durchschalten
und somit der Schwingkreis geschlossen und das Hilfs-Spulenelement 10 aktiv
ist. In den Empfangsphasen, in denen ja kein Hochfrequenzsignal
ausgesendet wird, sondern stattdessen das induzierte Magnetresonanzsignal empfangen
werden soll, sind diese Dioden 13, 14 dagegen
nicht durchgeschaltet, da das induzierte Magnetresonanzsignal viel
zu schwach ist. Da das Hilfs-Spulenelement 10 im
Empfangsfall nicht aktiv ist, kann es folglich die Magnetresonanzsignale
nicht abschwächen.
Bei dem Hilfs-Spulenelement 10 gemäß 4 wird also
konstruktiv bedingt automatisch erreicht, dass das Hilfs-Spulenelement 10 nur
im Sendefall aktiv ist.
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5 zeigt
eine weitere Variante mit einem Hilfs-Spulenelement 20, 20', welches über einen Spulenstecker 24 vom
Magnetresonanzsystem bzw. einer Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems
angesteuert werden kann, um das betreffende Hilfs-Spulenelement 20, 20' zu aktivieren
oder zu deaktivieren.
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Ein
einfaches Prinzipblockschaltbild eines entsprechenden Magnetresonanzsystems 1 ist
in 6 dargestellt. Kernstück dieses Magnetresonanzsystems 1 ist
ein Tomograph 2, auch Scanner 2 genannt, in welchem
ein Patient P auf einer Liege 4 in einem ringförmigen Untersuchungsvolumen
U positioniert ist. Innerhalb des Tomographen 2 befindet sich
eine Hochfrequenz-Antennenanordnung 3, beispielsweise eine
Birdcage-Antenne,
zur Aussendung der Magnetresonanz-Hochfrequenzpulse, d. h. zur Aussendung
des B1-Felds. Es handelt sich hierbei um
einen handelsüblichen
Tomographen 2.
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Angesteuert
wird der Tomograph 2 von einer Steuereinrichtung 30.
An die Steuereinrichtung 30 ist über eine Terminal- Schnittstelle 31 ein
Terminal 40 (bzw. eine Bedienerkonsole) angeschlossen, über das
ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und damit den Tomographen 2 bedienen
kann. Die Steuereinrichtung 30 ist über eine Tomographen-Steuerschnittstelle 32 und
eine Bildakquisitions-Schnittstelle 33 mit dem Tomographen 2 verbunden. Über die
Tomographen-Steuerschnittstelle 32 werden die entsprechenden
Steuerbefehle an den Tomographen 2 ausgegeben, damit die
gewünschten
Pulssequenzen – d.
h. die Hochfrequenzpulse und die Gradientenpulse für die (nicht
dargestellten) Gradientenspulen zur Erzeugung der gewünschten
Magnetfelder – ausgesendet
werden. Über
die Bilddaten-Akquisitionsschnittstelle 33 werden
die Rohdaten akquiriert, d. h. die empfangenen Magnetresonanzsignale
ausgelesen.
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Sowohl
die Steuereinrichtung 30 als auch das Terminal 40 können auch
integraler Bestandteil des Tomographen 2 sein.
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Die
Steuereinrichtung 30 weist außerdem einen Massenspeicher 34 auf,
in dem beispielsweise erzeugte Bilddaten hinterlegt werden können und Messprotokolle
abgespeichert sein können.
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Das
gesamte Magnetresonanzsystem 1 weist darüber hinaus
auch alle weiteren üblichen Komponenten
bzw. Merkmale auf, wie z. B. Schnittstellen zum Anschluss an ein
Kommunikationsnetz, das beispielsweise mit einem Bildinformationssystem (PACS,
Picture Archiving and Communication System) verbunden ist oder Anschlussmöglichkeiten
für externe
Datenspeichern bietet. Diese Komponenten sind jedoch der besseren Übersichtlichkeit
wegen in 6 nicht alle dargestellt.
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Ein
zentraler Punkt in der Steuereinrichtung 30 ist ein Prozessor 35,
in dem verschiedene Steuerkomponenten in Form von Software realisiert
sind. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass eine solche
Steuereinrichtung 30 selbstverständlich auch eine Vielzahl von
miteinander vernetzten Prozessoren aufweisen kann, auf denen die
verschiedenen Steuerungskomponenten (z. B. in Form von Programmmodulen)
realisiert sind.
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Eine
solche Komponente ist die Mess-/Steuereinheit 30, mit welcher
der Benutzer über
das Terminal 40 kommunizieren kann. Diese Mess-/Steuereinheit 30 steuert
den Tomographen 2 über
die Steuerschnittstelle 32 an und sorgt so – basierend
auf den in den Messprotokollen hinterlegten und ggf. vom Bediener
veränderten
bzw. vorgegebenen Parameterwerten – für die Aussendung der gewünschten
Hochfrequenzpulssequenzen durch die Hochfrequenzantennenanordnung 3 und
weiterhin dafür,
dass die Gradienten in geeigneter Weise geschaltet werden, um die
gewünschten
Messungen durchzuführen.
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Die über die
Bildakquisitions-Schnittstelle 33 ankommenden Messdaten
werden auf eine weitere auf dem Prozessor 35 realisierte
Komponente, eine Bildrekonstruktionseinheit 38, geleitet,
welche die akquirierten Rohdaten entsprechend bearbeitet. Die Bildrekonstruktionseinheit 38 führt eine
Fouriertransformation der Rohdaten durch und sorgt damit für eine Rekonstruktion
von Bildern. Die Bilder können dann
weiter aufbereitet und dem Bediener z. B. über das Terminal 40 angezeigt
werden oder auch in dem Massenspeicher 34 hinterlegt werden.
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Das
Magnetresonanzsystem 1 weist hier als weitere Komponente
innerhalb der Steuerungseinrichtung 30 – ebenfalls in Form von Software
auf dem Prozessor 35 – eine
Justagesteuerungseinheit 37 auf. Diese ist hier als Teilmodul
der Mess-/Steuereinheit 30 dargestellt.
Diese Justagesteuereinheit 37 sorgt dafür, dass geeignete Hochfrequenzpulssequenzen
im Rahmen einer Justagemessung ausgesendet werden, um bestimmte
Teilvolumen T in Form von Schichten im Körper des Patienten P anzuregen. Diese
dabei erzeugten Rohdaten werden beispielsweise über die Antennenanordnung 3 empfangen und über die
Bildakquisitions-Schnittstelle 33 ausgelesen. Innerhalb
einer Flipwinkel-Messeinheit 39 der Bildrekonstruktionseinheit 38 kann
dann der mittlere Flipwinkel innerhalb der jeweiligen Teilvolumina
T ermittelt werden und beispielsweise auch in ein mittleres B1-Feld umgerechnet werden. Dieser Wert wird dann
als B1-Messwert M der Mess-/Steuereinheit 30 für die Bestimmung
der Sendeparameter, wie z. B. die auszusendende Hochfrequenzfeldstärke, für die nachfolgende
Magnetresonanzmessung zur Verfügung
gestellt.
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In
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur lokalen
Erhöhung
des B1-Felds im Wirbelsäulenbereich A1 (wie
dies in 5 dargestellt ist) mit Hilfe
eines Hilfs-Spulenelements 20, 20' das B1-Feld im Bauchbereich A2 des
Patienten reduziert. Das Hilfs-Spulenelement 20, 20' wird dabei
mit Hilfe eines geeigneten Signals, welches über die Steuerschnittstelle 32 ausgesendet
wird, aktiviert oder deaktiviert. Dabei erfolgt eine Aktivierung
jeweils während
der Sendephasen und eine Deaktivierung während der Empfangsphasen. Zusätzlich kann
bei diesem Aufbau auch dafür
gesorgt werden, dass das Hilfs-Spulenelement 20, 20' nur während der
Justagemessung, nicht aber während
der nachfolgenden Magnetresonanzmessung aktiviert ist. Es wird aber ausdrücklich darauf
hingewiesen, dass das Magnetresonanzsystem anstelle eines über die
Steuereinrichtung 30 aktivierbaren Hilfs-Spulenelements 20, 20' genauso gut
mit einem sich selbst in den Empfangsphasen deaktivierenden und
in den Sendephasen aktivierenden Hilfs-Spulenelement 10 ausgestattet
sein kann. Die Funktionsweise dieses Hilfs-Spulenelements wurde
bereits anhand der 1 bis 4 hinreichend
erläutert.
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7 zeigt
ein Schaltbild für
eine bevorzugte Variante eines über
eine Steuereinrichtung 30 gezielt aktivierbaren und deaktivierbaren
Hilfs-Spulenelements 20. Das Hilfs-Spulenelement 20 kann im Prinzip
genauso aufgebaut sein wie das Hilfs-Spulenelement 10 gemäß 4,
d. h. als ringförmige
Leiterbahn mit mehreren Kondensatorelementen 21. Ebenso
können
die Abmessungen des ringförmigen Leiters
und die Werte der Kondensatoren 21 gleich sein. Lediglich
die Schaltungsanordnung 22 zur Aktivierung und Deaktivierung
ist anders ausgebildet als bei dem Hilfs-Spulenelement 10 gemäß 4.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 weist
diese Schaltungsanordnung 22 eine einzelne PIN-Diode 23 auf,
welche ge zielt über
Anschlüsse
in einem Spulenstecker 24 beschaltet wird. Wird an die
Anschlüsse eine
Sperrspannung von ca. 200 V in Sperrrichtung der PIN-Diode 23 angelegt,
so wird die PIN-Diode 23 komplett
gesperrt und somit das Hilfs-Spulenelement 20 deaktiviert.
Dies kann auch im Sendefall erfolgen. Wird dagegen an die PIN-Diode über die
Anschlüsse im
Spulenstecker 24 in passender Richtung ein Gleichstrom
von ca. 100 mA geleitet, so wird die PIN-Diode 23 durchgeschaltet
und das Hilfs-Spulenelement 20 ist aktiviert. Dies erfolgt
sinnvollerweise nur im Sendefall. Die zusätzlichen Spulen 27, 28 sind Drosselspulen
und können
eine Größenordnung
von ca. 10 μH
aufweisen. Parallel zur zu schaltenden PIN-Diode 23 ist
ein Kondensator 29 in der Größenordnung von 1 nF angeordnet.
Die Drosseln 27, 28 und der Kondensator 29 dienen
als Hochfrequenzblock, damit die Hochfrequenzsignale nicht über den Spulenstecker 24 zur
Steuereinrichtung 30 gelangen.
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Bild
8 zeigt eine weitere Variante für
ein über die
Steuereinrichtung 30 schaltbares Hilfs-Spulenelement 20'. Hier ist die
Schaltungsanordnung 22' parallel
zu einem der Kondensatoren 21 im Schwingkreis des Hilfs-Spulenelements 20' angeordnet.
Dabei sind eine Diode 25 und eine Spule 26 in
der Größenordnung
von 10 nF in Reihe parallel zum Kondensator 21 geschaltet.
Die Größenordnung
der Kondensatoren liegt hier, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7,
wieder bei ca. 33 pF, ebenso entsprechen die Abmessungen denen des
Hilfs-Spulenelements
nach 4, um wieder eine Eigenresonanzfrequenz von 108
MHz zu erreichen.
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Auch
hier ist die Diode 25, welche ebenfalls eine PIN-Diode 25 sein
kann, über
zwei Drosseln 27, 28 und einen weiteren Kondensator 29,
welcher parallel zur Diode 25 liegt, an einen Spulenstecker 24 angeschlossen.
Wird in diesem Fall die Diode 25 durchgeschaltet, so entsteht
durch die Spule 26 und den parallel geschalteten Kondensator 21 ein
zum eigentlichen Schwingkreis des Hilfs-Spulenelements 20' paralleler
Schwingkreis, welcher dafür
sorgt, dass die Eigenresonanz des Hilfs-Spulenelements 20' sehr engbandig
und stark verstimmt wird.
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Das
heißt,
bei Durchschaltung der Diode 25 wird das Hilfs-Spulenelement auf
diese Weise durch Verstimmung der Eigenresonanzfrequenz um ein ganz
erhebliches Maß deaktiviert.
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9 zeigt
zum Vergleich zwei Magnetresonanzbilder an einem Phantom, an denen
erkennbar ist, wie das erfindungsgemäße Verfahren wirkt. Das rechte
Bild zeigt dabei einen Querschnitt durch ein zylinderartiges, auf
zwei Seiten abgeflachtes Phantom. Dargestellt ist dabei der erreichte
Flipwinkel bei Einstrahlung eines ohne das Phantom an sich homogenen
B1-Felds
durch die Ganzkörperspule.
Die Hochfrequenzspannung lag dabei bei 259 V und die ausgesendete
Hochfrequenzleistung bei 1.210 Watt. Wie sich hier zeigt, ist im
unteren Bereich A1 und im oberen Bereich
A2 das tatsächliche B1-Feld
erheblich erniedrigt. Daher wird hier ein stark reduzierter Flipwinkel
von nur ca. 45° gemessen,
wobei im mittleren Bereich ein Flipwinkel von ca. 90° erreicht
wird.
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Im
linken Bild zeigt sich die Einstellung nach Verwendung eines Hilfs-Spulenelements 10 während der
Justagemessung. Hier wird durch die abschwächende Wirkung des Hilfs-Spulenelements 10 der Flipwinkel
im oberen Bereich A2 unmittelbar am Hilfs-Spulenelement 10 zwar
reduziert. Andererseits wird dafür
gesorgt, dass im unteren Bereich A1 der Flipwinkel
erheblich erhöht
werden kann, um in diesem Bereich eine Messung durchführen zu
können.
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Dieses
Beispiel zeigt, dass mit sehr einfachen Mitteln auch das B1-Feld lokal an Orten manipuliert werden
kann, an denen selber kein Korrekturelement wie beispielsweise ein
dielektrisches Kissen angeordnet werden kann. Dabei ist ein Eingriff
in das Magnetresonanzsystem bzw. in die Steuerung des Magnetresonanzsystems
nicht zwingend notwendig, wenn, wie in 9 dargestellt,
ein Hilfs-Spulenelement 10 verwendet wird, welches sich
in den Empfangsphasen selbständig
deaktiviert und nur in den Sendephasen aktiviert.
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Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend
detailliert beschriebenen Verfahren sowie den dargestellten Systemen
und Hilfs-Spulenelementen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche
vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen. So ist die Erfindung nicht
auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt,
dass im Wirbelsäulenbereich
das B1-Feld zu niedrig ist und mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erhöht
werden soll, sondern es ist in gleicher Weise das B1-Feld
in jedem beliebigen Bereich innerhalb des Körpers des Patienten manipulierbar,
wobei nicht nur das B1-Feld heraufgesetzt,
sondern in analoger Weise z. B. auch herabgesetzt werden kann.
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Insbesondere
wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch den Fall umfasst,
dass anstelle nur eines Hilfs-Spulenelements
mehrere Hilfs-Spulenelemente gleichzeitig eingesetzt werden, sofern dies
gewünscht
ist. Beispielsweise bietet sich dies an, wenn eine komplette Aufnahme
entlang der ganzen Wirbelsäule
angefertigt werden soll. In diesem Fall können mehrere Hilfs-Spulenelemente
in Längsrichtung
des Patienten nebeneinander auf den Körper des Patienten aufgelegt
werden.