DE4239048A1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bilderzeugung
mittels magnetischer Resonanzmethoden, die dazu ausgelegt ist,
Abbildungen kleiner Objekte, wie beispielsweise Gelenken,
insbesondere Kiefergelenken zu erstellen. - Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zur Darstellung von kleinen Ob
jekten, insbesondere Kiefergelenken, mit der Vorrichtung.
Bilderzeugende magnetische Resonanzmethoden oder MRI sind ein
schnellwachsendes Diagnosegebiet. Solche Verfahren wurden gegen
Ende der 70iger Jahre entwickelt. Sie erstellen ähnliche
Schnittbilder wie die Röntgen-Tomographie, jedoch mit einem
verbesserten Kontrast und einer verbesserten Auflösung. Der
jährliche Bedarf auf dem Markt liegt gegenwärtig in der
Größenordnung von etwa 1000 Geräteeinheiten. Der bedeutendste
Nachteil ist der hohe Preis. Der Preis einer einzelnen
Einrichtung beträgt üblicherweise 1,5 bis 2 Mio. Dollar und
mehr. Der Hauptgrund dafür ist, daß die verfügbaren
Einrichtungen als Gesamtbildeinrichtungen ausgelegt im Stande
sind, Bilder des gesamten menschlichen Körpers zu produzieren.
Aus diesem Grund wird die teuerste Komponente dieser
Einrichtungen, ein Magnet, groß und technisch aufwendig.
Auf dem Markt besteht ein Interesse an preisgünstigeren Anlagen,
wobei diese Spezialanlagen für die Abbildung nur einiger
definierter Partien des Körpers, wie beispielsweise Fußknöchel,
Knie, Handgelenk, Kiefergelenk, Thorax etc. bestimmt sein könnten.
Auf dem Gebiet der MRI besteht also ein deutlicher Bedarf an
Entwicklungen bezüglich besserer und preisgünstigerer
magnetischer Bilderzeugungssysteme.
Die gegenwärtigen MRI-Einrichtungen verwenden drei Arten von
Magneten: Supraleitende Magnete, Widerstands- und Permanent-
Magnete. Die supraleitenden Magnete erzeugen die besten
Ergebnisse: Ein von diesen erzeugtes Feld ist gleichzeitig stark
(< 1,5 Tesla), stabil und in einem großen Volumen homogen.
Jedoch ist diese Magnetart die teuerste von allen. Der
Permanent-Magnet ist im Stande, das zweitstärkste Feld (< 0,3
bis 0,5 Tesla) zu erzeugen, jedoch sind diese Magneten sehr
schwer und auch verhältnismäßig teuer. Die Widerstands-Magneten
sind die preisgünstigsten, sie erzeugen jedoch die schwächsten
Felder (< 0,1 bis 0,2 Tesla) und haben häufig einen großen
Elektrizitäts- und Kühlwasserbedarf.
In der US-PS 49 06 931 beschreibt R. Sepponen ein Mittel, um den
Preis eines Bilderzeugungs-Magneten zu senken, ohne die
Bildqualität zu beeinträchtigen. Die Bilderzeugung wird mittels
zweier Felder bewirkt: Die erste Stufe ist die Ausrichtung oder
Polarisation der Bildsignale abgebenden Protonen (oder
Atomkerne) mittels eines starken Feldes Bp. Dieser folgt ein
schneller Wechsel dieses Feldes in ein Feld Bo, um die
eigentliche Bilderzeugung zu bewirken. Ein Vorteil der durch
dieses Verfahren bewirkt wird ist, daß das Bilderzeugungsfeld Bo
ziemlich schwach gehalten werden kann, beispielsweise 0,02 bis
0,04 Tesla, ohne wirklich etwas des Signales zu verlieren. Ein
schwaches Feld kann beispielsweise mittels eines Wider
stands-Magneten zu niedrigen Kosten erzeugt und gleichzeitig
ausreichend homogen und stabil gemacht werden.
Andererseits kann das Polarisationsfeld Bp ebenfalls zu einem
niedrigen Preis erzeugt werden, weil dessen Homogenität und
Stabilität nicht besonders gut sein müssen. Das Bp-Feld muß
ziemlich schnell abgeschaltet werden, in ungefähr 0,1 Sekunden,
wie es von Macovski dargestellt wurde (A. Macovski et al.:
Department of Electrical Engineering, Standford University,
Standford, USA). Das Bp-Feld kann durch die Verwendung einer
anderen Magnetspule als der zur Erzeugung des Bo-Feldes erstellt
werden, wodurch dessen Erzeugung preisgünstig ist, da der
Bp-Magnet keine besonders gute Homogenität und Stabilität
aufweisen muß.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, eine Vorrichtung für die Bilderzeugung mittels
magnetischer Resonanz zu schaffen, die zur Darstellung kleiner
Objekte geeignet ist, deren Bauteile preisgünstig sind und deren
Magnetfelder sich nicht gegenseitig beeinflussen; ferner soll
ein Verfahren zur Darstellung von kleinen Objekten, insbesondere
Kiefergelenken, mit der Vorrichtung entwickelt werden.
Als technische Lösung wird gemäß der Erfindung
vorrichtungsmäßig vorgeschlagen, daß die Atomkerne, Protonen
oder paramagnetischen Elektronen eines darzustellenden Objektes
zyklisch mittels eines Permanentmagneten polarisiert werden, der
nach dem Polarisationsprozeß in eine solche Entfernung von dem
polarisierten Objekt verschoben wird, daß dieser keine
wesentliche Wirkung auf die nachfolgend ausgeführte
Signalerfassung zur Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz
hat.
Als verfahrensmäßige Lösung wird mit der Erfindung
vorgeschlagen, daß ein das darzustellende Objekt polarisierender
Permanent-Magnet in einem Rohr pneumatisch, mechanisch oder
vorzugsweise mittels eines magnetischen Impulses vorwärts und
rückwärts auf das darzustellende Objekt zu oder von diesem fort
bewegt wird, dieser Impuls zu Beginn eines Abbildungsprozesses
für etwa eine Sekunde von einer Spule in der Nähe des
darzustellenden Objektes abgegeben wird, wodurch die Protonen
des darzustellenden Objektes vorübergehend polarisiert werden,
der Permanent-Magnet daraufhin schnell aus der Nähe des darzu
stellenden Objektes zu einem entfernten Teil des Rohres hin
fortbewegt wird und anschließend in üblicher Weise sofort ein
Magnetresonanzbild des darzustellenden Bereiches dadurch erzeugt
wird, daß entweder das Feld des Permanent-Magneten oder des
Widerstands-Magneten verwendet werden, während ein Bo-Feld und
zeitabhängige Magnetfeldgradienten durch ein Gradienten-Spulen
system erhalten werden und ein Spulensystem die notwendigen
Rf-Signale und Empfängersignale liefert, die zu einem Computer
übermittelt werden, der die Bilderstellung und den Abbildungs
prozeß steuert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Arbeitsweise wird
detaillierter anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße MRI-Vorrichtung bestehend
aus einem in einem Rohr bewegbaren
Permanent-Magneten, einen Widerstands- oder
Permanent-Magneten, einem
Gradienten-Spulensystem, einem Spulensystem zur
Erzeugung der magnetischen Kraft zum Verschieben
des Permanent-Magneten, einem
Rf-Sender-Empfänger, einem Spulensystem, einer
darzustellenden Partie eines Patienten sowie
einer Regeleinheit zur Steuerung der
Vorrichtung;
Fig. 2 den mittleren Durchmesser eines ringförmigen
Permanent-Magneten, die Breite des Magneten, die
Entfernung einer darzustellenden Partie von dem
Magneten sowie einen dadurch mit der Mittellinie
des ringförmigen Magneten und der Dicke des
ringförmigen Magneten gebildeten Winkel;
Fig. 3 einen Verschiebemechanismus für den Magneten, der
durch einen pneumatischen Druck oder Hydraulik
flüssigkeitsdruck, aufgebracht durch die von der
Regeleinheit gesteuerte Tätigkeit eines Ventiles,
in dem Rohr von einer äußersten Position zu einer
anderen bewegbar ist und
Fig. 4 einen Verschiebemechanismus für den Magneten, der
durch die Tätigkeit eines Elektromotors, der von
einer Regeleinheit, einem Schwungrad und einer
Kurbelwelle gesteuert wird, in dem Rohr von einer
äußersten Position zu einer anderen bewegbar ist.
In Anbetracht des Energieverbrauchs erscheint es ökonomischer,
das Bp-Feld durch die Verwendung eines Permanent-Magneten zu
erzeugen, welcher überhaupt keine Energie verbraucht. Dies ist
mit der vorliegenden Erfindung möglich. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine in dieser
Abbildung dargestellte Vorrichtung ist zur Bilderzeugung kleiner
Objekte ausgelegt, insbesondere der Abbildung eines
Kiefergelenks. Ein Widerstands-Magnet 1, der beispielsweise ein
Spulen-Paar wie ein Helmholtz-Spulen-Paar sein kann, oder ein
Permanent-Magnet werden verwendet, um ein vertikales, homogenes
Bo-Feld in dem darzustellenden Bereich 3 zu erzeugen, der durch
die gestrichelte Linie genau bestimmt ist. Der Magnet wird von
einer Gleichstromquelle versorgt, die in einem Elektronikgehäuse
2 eingeschlossen ist. Ein Gradienten-Spulen-System 4 wird in
üblicher Weise verwendet, um die zeitabhängigen Gradienten zu
erzeugen, die für die Bilderzeugung erforderlich sind. Das
Gradienten-Spulensystem 4 wird von drei computergesteuerten
Stromquellen versorgt (in 2 enthalten).
Die Protonen-Resonanz wird mit einem Spulensystem 5 erregt und
aufgezeichnet, das mit einem Rf-Sender-Empfänger verbunden ist,
welcher wiederum mit einem Computer 2 verbunden ist, der die
Bilderzeugung steuert. Dies alles sind Bauteile und Funktionen,
die von gegenwärtigen Einrichtungen bekannt sind.
Um mehr Signale zu erzeugen, ist die Vorrichtung mit den
folgenden Bauteilen und Funktionen ausgestattet, die die Neuheit
der Erfindung begründen. Dies sind ein Polarisations-Permanent-
Magnet 6 sowie Mittel um diesen Magneten 6 nahe an den
abzubildenden Bereich 3 heran- und von diesem fortzutragen. In
diesem Fall bestehen diese Mittel aus einem pneumatischen (Fig.
3) oder einem mechanischen (Fig. 4) System oder vorzugsweise
einem Spulensystem 7, das durch die Zwischenschaltung einer
steuerbaren Stromquelle so computergesteuert ist, daß das
Spulensystem 7 eine magnetische Kraft in dem Magneten 6 erzeugt
(wie in einem Linearmotor), sowie aus einem Rohr 8, in dem sich
der Magnet 6 vorwärts und rückwärts bewegen kann. Die andere
äußerste Position des Magneten 6 ist in der Abbildung Fig. 1 mit
einer gestrichelten Linie dargestellt. Die eigentliche Bewegung
kann beispielsweise auch pneumatisch (Fig. 3) oder mechanisch
(Fig. 4) erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Die Spule 7 wird verwendet um den Magneten 6 zu Beginn eines
Bilderzeugungsverfahrens für etwa eine Sekunde in die Nähe des
abzubildenden Objektes 3 zu bewegen, um die Protonen in dem
abzubildenden Objekt 3 zu polarisieren. Daran anschließend wird
innerhalb etwa 1/10 Sekunde der Permanent-Magnet 6 schnell fort
bewegt, wonach der darzustellende Bereich 3 in bekannter Weise
durch die Verwendung eines Magnetfeldes, wie das Bo-Feld eines
Magneten 1 schnell in eine MRI-Bilddarstellung umgewandelt wird
und dieser Magnet 1 ein Solenoid oder Permanent-Magnet sein
kann. Alternativ ist es möglich, einige Bildinformationen zu
sammeln und die abwechselnde Bewegung des Polarisations-Magneten
6 einige Male zu wiederholen und nach jeder Bewegung die
Bildinformationen zu sammeln, bis sie ausreichend für eine
vollständige Rekonstruktion eines Bildes sind.
Nachfolgend wird die vorteilhafte Arbeitsweise der Erfindung
beschrieben:
In Anbetracht der Arbeitsweise ist es wesentlich, daß der
Polarisations-Magnet 6 mit einer ausreichenden Geschwindigkeit
verschoben werden kann und nicht auf das Erfassen der Bilddaten
einwirkt. Bezüglich der Verwendbarkeit ist es wesentlich, daß
das Polarisations-Feld eine ausreichende Stärke, beispielsweise
< 0,1 Tesla, aufweist, deren Erfassen relativ einfach ist, um
ein kontinuierliches Feld einzurichten.
Zuerst wird das mittels eines Polarisations-Magneten 6 erzeugte
Feld ausgewertet. Das ausgewählte Magnetmaterial ist NdFeB,
dessen Masse beispielsweise 2 kg oder dessen Volumen 270 cm3
beträgt. Wäre der Magnet 6 kugelförmig so hätte er einen Radius
von 4 cm. Wird der Magnet 6 horizontal magnetisiert, erzeugt er
an der Verlängerung des horizontalen Radius ein paralleles Feld,
B = JV/(2 π r3)
in einer Entfernung r von dessen Mittelpunkt. Hierbei ist J eine
zu 1,2 Tesla gleichwertige Materialkonstante und V ist das
Volumen der Kugel. Wenn B in Tesla und r in Zentimeter angegeben
wird, kann eine Formel für die ausgewählte Materialmenge
erstellt werden:
B = 0,8 (4/r)3.
Wenn der Magnet 6 weit von dem darzustellenden Objekt 3 entfernt
ist, paßt diese Formel tatsächlich ungeachtet der Form des
Magneten 6 sehr genau, so lange die Materialmasse dieselbe ist.
Andererseits muß die genaue Form des Magneten 6 berücksichtigt
werden, wenn der Magnet 6 nahe bei dem Objekt 3 ist. Fig. 2
zeigt eine anwendbare Form, nämlich einen ringförmigen Magneten
6 mit einem mittleren Durchmesser d≈8 cm. Somit wird das Feld
in einer Entfernung von r = 4 cm, das ist annähernd die
Entfernung, eines darzustellenden Objektes aus folgenden zwei
Gründen schwächer:
Vor allen Dingen nimmt die Entfernung zu einem darzustellenden
Objekt 3 um den Faktor 1/cos α zu. Daraus folgt, daß sich das
Feld um den Faktor (cos α)3 abschwächt. Zweitens ist nur die
horizontale Feldkomponente wirksam, was alleine schon eine
Schwächung um den Faktor (cos α) bewirkt. Alles in allem
beträgt der übliche Faktor hier (cos α) = 1/4. Somit hat sich
in diesem speziellen Fall die Feldstärke von 0,8 Tesla
abgeschwächt und beträgt nun
B = 0,8/4 = 0,2 T.
Demgemäß können gewünschte Feldstärken in der Nähe eines
darzustellenden Objektes 3 erzeugt werden. Die hier gewählte
Geometrie des Magneten 6 wird bevorzugt, weil die Feldstärke in
dem darzustellenden Objekt 3 sich nicht sehr schnell in
Abhängigkeit von der Entfernung ändert.
Als nächstes wird der Einfluß des Polarisations-Magneten 6 auf
den Abbildungsumfang zur Zeit der Bilddatensammlung untersucht,
beispielsweise wenn der Magnet 6 zurückgezogen worden ist. In
diesem Fall ist die störende Feldkomponente parallel zum
Bo-Feld, z. B. vertikal. Beim Fortbewegen von der Achse des
Polarisations-Magneten 6 in eine Entfernung von Δ Z beträgt der
Einfluß auf das Bo-Feld
Somit erzeugt dies einen Gradienten dessen Betrag in diesem Fall
beträgt.
Bei einem gewählten Abstand re = 50 cm beträgt das Ergebnis:
Üblicherweise betragen Abbildungsgradienten 10-4 bis 10-5 T/cm,
so daß dieser Gradient leicht mittels eines abbildenden
Gradienten-Spulen-System kompensiert werden kann. Der Einfluß
höhergradiger Feldgradienten ist vernachläßigbar.
Abschließend muß eine notwendige Kraft abgeschätzt werden, um
den Magneten 6 innerhalb von 0,1 Sekunden über 50 cm zu bewegen.
Gemäß einer Annahme wird der Magnet 6 zuerst für 0,05 Sekunden
mit einer konstanten Kraft beschleunigt und dann durch eine
gleiche, entgegengesetzte Kraft abgebremst.
Die benötigte Geschwindigkeit nach 0,05 Sekunden beträgt
2 × 0,25 m / 0,05 s = 10 m/s.
2 × 0,25 m / 0,05 s = 10 m/s.
Die benötigte Beschleunigung beträgt somit
10 m/s/0,05 s = 200 m/s2.
Die notwendige Kraft bei einer Masse von 2 kg beträgt somit
400 N, welches sehr angemessen erscheint. In der Praxis ist es
vorzuziehen, die Kraft sanft zu steigern, wodurch deren Maximum
zu einem gewissen Grade ansteigt, was jedoch keine Probleme
verursacht. Nötigenfalls kann das Spulensystem in horizontaler
Ebene bewegbar und mit einer Masse von beispielsweise 20 kg
beladen sein. Somit ist die Kraft von 400 N an die Masse von 20
kg anzupassen, um während der Bewegung des
Polarisations-Magneten 6 die Spule einige Zentimeter rückwärts
und vorwärts zu bewegen, ohne daß der Rest der Vorrichtung
irgendeiner Kraft ausgesetzt ist.
Die für die Bewegung des Polarisations-Magneten 6 erforderliche
Energie beträgt unter dem Vorbehalt, daß die Bewegung einmal pro
Sekunde eingeleitet wird und die Energie zum Abbremsen verloren
geht,
400 N × 0,25 m/1 s = 100 W.
Dieser Betrag ist sehr niedrig. Ein ein entsprechendes Feld
produzierender Elektromagnet benötigt ungefähr 5 mal so viel
Energie, wobei dieser darüber hinaus ein Kühlproblem verursacht.
Zusätzlich werden während der Bilderzeugung in einem erfindungs
gemäß bewegbaren Magneten 6 keine störenden Wirbelströme
erzeugt.
Die Erfindung kann ferner dadurch weiterentwickelt werden, daß
dem Spulenelement 7 zusätzlich zum Verschieben des Magneten 6
eine andere Aufgabe zugewiesen wird. Während der Polarisations
stufe kann ein an das darzustellende Objekt 3 angepaßtes Bp-Feld
durch aufrechterhalten des Stromes in dem Spulenelement 7 sogar
weiter verstärkt werden, was leicht auszuführen ist, um die
Spule 7 zu beidem zu befähigen, den Magneten 6 zu verschieben
und zu dem Polarisations-Feld beizutragen. Die Polarisations
stufe ist demgemäß dadurch beendet, daß der Strom in dem Spulen
element 7 oder, wenn dieses aus mehreren Windungen besteht,
einem Abschnitt davon kurzzeitig umgeschaltet wird.
Claims (8)
1. Vorrichtung für die Bilderzeugung mittels magnetischer
Resonanzmethoden, die dazu ausgelegt ist, Abbildungen
kleiner Objekte wie beispielsweise Gelenken, insbesondere
Kiefergelenken, zu erstellen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kerne, Protonen oder paramagnetischen Elektronen
eines darzustellenden Objektes (3) zyklisch mittels eines
Permanent-Magneten (6) polarisiert werden, der nach dem
Polarisationsprozeß in eine solche Entfernung von dem
polarisierten Objekt verschoben wird, daß dieser keine
wesentliche Wirkung auf die nachfolgend ausgeführte Signal
erfassung zur Bilderzeugung durch magnetische Resonanz
methoden hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
polarisierende Permanent-Magnet (6) frei auf das
darzustellende Objekt (3) zu oder von diesem fort hin- und
herbewegbar in einem Permanent-Magneten-Tragerohr (8)
angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6)
mittels eines magnetischen Impulses in dem Tragerohr (8)
vorwärts und rückwärts verschoben wird, welcher von einer
Spule (7) abgegeben wird, die von einer Regeleinheit (2)
gesteuert wird.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6)
mittels Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit in dem Tragerohr
(8) vorwärts und rückwärts verschoben wird, die von der
Regeleinheit (2) gesteuert wird.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6)
mechanisch durch den Antrieb eines Elektromotors (9) in dem
Tragerohr (8) vorwärts und rückwärts verschoben wird, der
von der Regeleinheit (2), einem Schwungrad (10) und einer
Kurbelwelle (11) gesteuert wird.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß am Permanent-Magneten-Tragerohr (8) eine
Permanent-Magneten- oder Widerstand-Magneten-Spule (1)
angeordnet ist, die für bilderzeugende magnetische Resonanz
methoden erforderlich ist und das sogenannte
Helmholtz-Spulenpaar, welches ein homogenes Magnetfeld (Bo)
in dem darzustellenden Bereich (3) erzeugt, ein
Gradienten-Spulensystem (4) zum Erzeugen eines für die
Bilderstellung notwendigen, zeitabhängigen Magnetfeld
gradienten, einem Spulensystem (5) zur Erzeugung eines
elektromagnetischen Radiofrequenz-Erregungssignals, das mit
den Atomkernen oder paramagnetischen Elektronen eines
darzustellenden Objektes (3) im Zusammenhang steht, und zum
Anzeigen einer Antwort auf diese Signale in den Atomkernen
oder Elektronen, sowie einer Regeleinheit (2) zum Steuern
der Einrichtungen (1, 4 und 5), um diese mit der notwendigen
elektrischen Energie zu versorgen und die von diesen
Einrichtungen kommenden Informationen zu empfangen, um ein
Bild oder eine andere Darstellung davon zu erstellen.
7. Verfahren zur Darstellung von kleinen Objekten, insbesondere
Kiefergelenken, mit einer Vorrichtung zur Bilderzeugung
mittels magnetischer Resonanz nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein das darzustellende Objekt (3) polarisierender
Permanent-Magnet (6) in einem Rohr (8) pneumatisch,
mechanisch oder vorzugsweise mittels eines magnetischen
Impulses vorwärts und rückwärts auf das darzustellende
Objekt (3) zu oder von diesem fortbewegt wird, und der
Impuls zu Beginn eines Abbildungsprozesses für etwa eine
Sekunde von einer Spule (7) in der Nähe des darzustellenden
Objektes (3) abgegeben wird, wodurch die Protonen des
darzustellenden Objektes (3) vorübergehend polarisiert
werden und daraufhin der Permanent-Magnet (6) schnell aus
der Nähe des darzustellenden Objektes (3) zu einem
entfernten Ende des Rohres (8) hin fortbewegt wird und
anschließend in üblicher Weise sofort ein Magnetresonanz
bild des darzustellenden Bereiches (3) dadurch erzeugt
wird, daß entweder das Feld des Permanent-Magneten (1) oder
des Widerstands-Magneten (1) verwendet wird, während ein
Bo-Feld und ein zeitabhängiger Magnetfeldgradient durch ein
Gradienten-Spulensystem (4) erhalten werden und ein Spulen
system (5) die notwendigen Rf-Signale und Empfängersignale
liefert, die zu einem Computer (2) übermittelt werden, der
die Bilddarstellung und den Abbildungsprozeß steuert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
während der Polarisationsstufe Spulenelemente (7) das
Polarisationfeld (Bp) in einem darzustellenden Bereich (3)
verstärken.
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