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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Magnetresonanzbildgebung.
Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit medizinischen
Magnetresonanzbildgebungssystemen.
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Bei
der Magnetresonanzbildgebung (engl.: Magnetic Resonance Imaging,
MRI) wird in einer Untersuchungsregion ein im Wesentlichen gleichförmiges Hauptmagnetfeld
erzeugt. Das Hauptmagnetfeld polarisiert das Nuklearspinsystem einer
in der Untersuchungsregion befindlichen abzubildenden Person. Die
Magnetresonanz wird in Dipolen angeregt, die sich auf das Hauptmagnetfeld
ausrichten, indem Hochfrequenz-Anregungssignale
in die Untersuchungsregion gesendet werden. Speziell kippen Hochfrequenzimpulse,
die über eine
Hochfrequenzspulenbaugruppe ausgesendet werden, die Dipole aus der
Ausrichtung auf das Hauptmagnetfeld heraus und führen dazu, dass ein makroskopischer
Magnetmomentvektor um eine Achse parallel zum Hauptmagnetfeld präzediert.
Das präzedierende
Magnetmoment erzeugt seinerseits ein entsprechendes Hochfrequenz-Magnetsignal,
wenn es relaxiert und in seinen vorherigen Zustand der Ausrichtung
auf das Hauptmagnetfeld zurückkehrt.
Das Hochfrequenz-Magnetresonanzsignal wird durch die Hochfrequenzspulenbaugruppe
empfangen, und aus den empfangenen Signalen wird eine Bilddarstellung
zur Anzeige auf einer von Menschen lesbaren Anzeigevorrichtung rekonstruiert.
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Bei
bestimmten medizinischen MRI-Anwendungen ist es vorteilhaft, Abbildungsabtastungen über ein begrenztes
Sichtfeld und mit einer begrenzten Eindringtiefe für bestimmte
Regionen des untersuchten Patienten durchzuführen. Derartige Regionen können den
Anus oder die Prostata umfassen. Im Allgemeinen werden HF-Empfangsspulen
vom intrakavitären
oder endokavitären
Typ zur Abbildung dieser Regionen verwendet, weil die Nähe der Spulen
bei derartigen Anwendungen einen verbesserten Störabstand über ein begrenztes Sichtfeld
und eine begrenzte Eindringtiefe liefert.
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Zuvor
wurde für
intrakavitäre
oder endokavitäre
HF-Empfangsspulen ein aktives HF-Spulenelement verwendet, das in
einem aufblasbaren, undurchlässigen
Ballon enthalten war. Ein elektrisches Kabel verband die aktive
HF-Spule mit externen elektri schen Schaltungen, die verwendet wurden,
um die Spule mit dem Magnetresonanzbildgebungssystem zu verbinden.
Die Vorrichtung wurde in einen Hohlraum eingeführt, der zu der interessierenden
Region gehörte,
zum Beispiel das Rektum des Patienten, und der Ballon wurde dann
aufgeblasen. Schließlich
wurde die externe elektrische Schnittstelle verwendet, um die Spule
auf das MRI-System abzustimmen und daran anzupassen. Typischerweise
waren derartige endokavitäre
Spulen Einwegartikel und wurden nicht für weitere Abtastungen wieder
verwendet. Zusätzlich
war das aktive HF-Spulenelement nicht starr geformt und als solches
musste jede einzelne Sonde abgestimmt und angepasst werden. Eine
weitere vorherige Form einer endokavitären Sonde war eine begrenzte
Anzahl von Malen wieder verwendbar, bevor sie entsorgt werden musste.
Diese Form nutzte einen zusätzlichen
Latexmantel, der zwischen dem Einsatz bei verschiedenen Patienten
entsorgt werden konnte. Die Vorrichtung wurde jedoch nur eine begrenzte
Anzahl von Malen wieder verwendet.
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Die
früheren
endokavitären
HF-Spulensonden nutzten externe Abstimm- und Anpassungsschaltungen als Teil
der Schnittstelle zu dem MRI-System. Die elektronischen Abstimmprozeduren
wurden für
jeden einzelnen Patienten durchgeführt, bei dem die Spule benutzt
wurde. Da das aktive HF-Spulenelement nicht innerhalb der Sonde
fixiert war und nicht wiederholt relativ zur abzubildenden Anatomie
fixiert werden konnte, war die Bildleistung nicht wiederholbar.
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In
Proc. ISMRM, 1996, S. 1437 ist eine feste Spulenstruktur für die Magnetresonanzbildgebung
dargestellt. Die Spule besteht aus einem länglichen Sattel mit einer Länge von
60 mm und einem Außendurchmesser
von 7 mm. Die Spule ist mit einer nahtlosen Abdeckung versehen,
die einen Außendurchmesser
von 8 mm aufweist. Die Abdeckung kann zwecks Sterilisierung abgenommen
werden. Sowohl der Spulenkörper als
auch die Abdeckung bestehen aus Acetal-Homopolymer. 1 zeigt
eine intraurethrale Spule mit einer länglichen Abdeckung für die Sattelspule,
einem Abstimm- und Anpassungsnetzwerk innerhalb einer weiteren Abdeckung
mit größerem Durchmesser
aber kürzerer
Länge und
mit einer Erweiterung für
eine Klemme mit einem Durchmesser, der zwischen dem Durchmesser
der Spulenabdeckung und der Abdeckung des Abstimmnetzwerks liegt.
Außerdem
ist ein Kabel zum Vorverstärker
dargestellt.
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In
MRQ 11 (1995), S. 45 bis 56 werden im Kapitel "COILS" zylindrische Empfangsspulen mit Sattelgeometrie
beschrieben, die einen Durchmesser von 9 mm und eine Länge von
50 bis 70 mm aufweisen und auf einen Spulenkörper gewickelt sind. Die Spulen
waren in einem steifen Schutzrohr mit etwas vergrößertem und gerundeten
proximalen Ende untergebracht. Es war eine integrierte 10 mm2 Hybridschaltung vorgesehen, um die Abstimmung
und Anpassung sowie die Entkopplung zu ermöglichen. Die Spulen waren über ein
nicht-magnetisches Koaxialkabel mit einem Vorverstärker verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung betrachtet eine endokavitäre HF-Spulenbaugruppe für ein MRI-Gerät, die die
oben genannten Nachteile überwindet.
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Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung werden im Folgenden ausführlich anhand von Beispielen unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines MRI-Geräts;
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2a eine
Darstellung einer Analsonde gemäß der endokavitären HF-Spulenbaugruppe der
vorliegenden Erfindung;
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2b eine
Darstellung einer Außenabdeckung
der Analsonde gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2c eine
Darstellung eines Innenmantels der Analsonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Darstellung eines Dekontaminierungsgefäßes gemäß der endokavitären HF-Spulenbaugruppe
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Darstellung einer einstellbaren Klemme gemäß der endokavitären HF-Spulenbaugruppe der
vorliegenden Erfindung; und
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5 eine Darstellung der elektronischen
Kopplung zwischen einer Sonde und der Klemme gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bezug
nehmend auf 1 steuert eine Hauptmagnetfeldsteuerung 10 supraleitende
oder widerstandsbehaftete Magneten 12 auf derartige Weise,
dass ein im Wesentlichen gleichförmiges,
zeitlich konstantes Hauptmagnetfeld entlang einer z-Achse durch
eine Untersuchungsregion 14 erzeugt wird. Ein Magnetresonanzechomittel
führt eine
Reihe von Hochfrequenz-(HF) und Magnetfeldgradientenimpulsen zu,
um Magnetspins zu invertieren oder anzuregen, Magnetresonanz zu
induzieren, Magnetresonanz zu refokussieren, Magnetresonanz zu manipulieren,
Magnetresonanz räumlich
oder auf andere Weise zu codieren, Spins zu sättigen und dergleichen, um
Magnetresonanzbildgebungs- und Spektroskopiesequenzen zu erzeugen.
Genauer gesagt führen
Gradientenimpulsverstärker 20 ausgewählten oder
Paaren von Ganzkörpergradientenspulen 22 Stromimpulse
zu, um Magnet feldgradienten entlang der x-, y- und z-Achse der Untersuchungsregion 14 zu schaffen.
Ein digitaler Hochfrequenzsender 24 sendet Hochfrequenzimpulse
oder Impulspakete an eine Ganzkörper-HF-Spule 26,
um HF-Impulse in die Untersuchungsregion zu senden. Ein typischer
Hochfrequenzimpuls besteht aus einem Paket von unmittelbar aneinander
angrenzenden Impulssegmenten von kurzer Dauer, die mit einander
und mit beliebigen zugeführten
Gradienten eine ausgewählte
Magnetresonanzmanipulation erreichen. Die HF-Impulse werden verwendet,
um in ausgewählten
Bereichen der Untersuchungsregion zu sättigen, Resonanz anzuregen,
Magnetisierung zu invertieren, Resonanz zu refokussieren oder Resonanz
zu manipulieren. Bei Ganzkörperanwendungen
werden die Resonanzsignale üblicherweise
von der Ganzkörper-HF-Spule 26 aufgenommen.
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Zum
Erzeugen von Bildern einer begrenzten Region der Person werden üblicherweise
lokale Spulen angrenzend an die ausgewählte Region angeordnet. Es
kann zum Beispiel eine rein für
den Empfang vorgesehene lokale Hochfrequenzspule benutzt werden,
um Resonanzsignale zu empfangen, die durch Körperspulen-HF-Übertragungen
eingeführt
werden, beispielsweise eine endokavitäre HF-Spulenbaugruppensonde 30. Die
resultierenden Hochfrequenzsignale werden durch die Ganzkörper-HF-Spule 26 oder
andere spezialisierte HF-Spulen aufgenommen und durch einen Empfänger 32 demoduliert,
der vorzugsweise einen Vorverstärker (nicht
abgebildet) enthält.
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Eine
Sequenzsteuerschaltung 40 steuert die Gradientenimpulsverstärker 20 und
den Sender 24, um eine beliebige von einer Vielzahl von
Mehrfachechosequenzen zu erzeugen, zum Beispiel Echoplanarbildgebung,
Echovolumenbildgebung, Gradienten- und Spinechobildgebung, Fast-Spinechobildgebung
und dergleichen. Für
die ausgewählte
Sequenz empfängt
der Empfänger 32 im
Anschluss an jeden HF-Anregungsimpuls eine Vielzahl von Datenlinien
in schneller Folge. Ein Analog/Digital-Umsetzer 42 wandelt
jede Datenlinie in ein digitales Format um. Der Analog/Digital-Umsetzer
ist bei digitalen Empfängern
zwischen der Hochfrequenz-Empfangsspule und dem Empfänger angeordnet
und bei analogen Empfängern
stromabwärts
vom Empfänger.
Letztendlich werden die empfangenen Hochfrequenzsignale demoduliert
und durch einen Rekonstruktionsprozessor 50, der eine zweidimensionale
Fourier-Transformation oder einen anderen geeigneten Rekonstruktionsalgorithmus
anwendet, zu einer Bilddarstellung rekonstruiert. Das Bild kann
eine planare Schicht durch den Patienten darstellen, eine Anordnung
von parallelen Schichten, ein dreidimensionales Volumen oder dergleichen.
Das Bild wird dann in einem Bildspeicher 52 gespeichert,
von wo es durch eine Anzeigevorrichtung, zum Beispiel einen Videomonitor 54,
abgerufen werden kann, der eine von Menschen lesbare Anzeige des
resultierenden Bildes liefert.
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Bezug
nehmend auf 2a–c wird eine endokavitäre HF-Spulenbaugruppe
benutzt, um durch relaxierende Magnetdipole erzeugte Hochfrequenzsignale
aufzunehmen. Die endokavitäre
HF-Spulenbaugruppe umfasst eine wieder verwendbare Sonde 30,
die so in einen Hohlraum der untersuchten Person eingeführt wird,
dass sie an die interessierende Region angrenzt, zum Beispiel den
Anus. Die Nähe
der Spule zu der interessierenden Region sorgt für einen relativ hohen Störabstand.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die wieder verwendbare Sonde 30 aus einer hohlen Außenabdeckung 60 mit
einem geschlossenen distalen Ende 62 und einem offenen
proximalen Ende 64 konstruiert, wobei das geschlossene
distale Ende 62 so geformt ist, dass es in den Hohlraum
der untersuchten Person passt. Die Außenfläche des proximalen Endes 64 der
Außenabdeckung 60 ist
mit einer Reihe von Rillen 66 versehen. Die Rillen 66 laufen
komplett um die Außenfläche der
Außenabdeckung 60 herum.
Außerdem
sind flache vertiefte Rechtecke 68 in die Außenfläche des
proximalen Endes 64 der Außenabdeckung 60 geschnitten.
Vorzugsweise ist die Außenabdeckung 60 aus ABS-Kunststoff
medizinischer Güte
konstruiert. Das ABS-Material
ist angemessenerweise flammhemmend und speziell für den begrenzten
Kontakt mit Schleimhaut oder Blutbarrieren vorgesehen. Ein Innenmantel 70, vorzugsweise
ebenfalls aus ABS-Material von medizinischer Güte hergestellt, ist so geformt,
dass er in der hohlen Außenabdeckung 60 sitzt.
In gefrästen
Rillen entlang des Innenmantels 70 am Ende im distalen
Ende 62 der Außenabdeckung 60 ist
ein aktives HF-Spulenelement 72 angeordnet. Das Ende des
Innenmantels, das sich im proximalen Ende 64 der Außenabdeckung 60 befindet,
enthält
eine Abstimm- und Anpassungsschaltung, die auf einer Leiterplatte 74 angeordnet
ist. Die Leiterplatte 74 ist an dem aktiven HF-Spulenelement 72 angebracht.
Die auf der Leiterplatte 74 montierten elektronischen Bauelemente,
aus denen die Abstimm- und Anpassungsschaltung besteht, sind vorzugsweise
nicht oder nur minimal magnetisch. Das Layout der Leiterplatte zur
Platzierung der elektronischen Bauelemente und der Abstand der Leiterplatte 74 zum
aktiven Spulenelement 72 wurden speziell so entworfen,
dass Bildanomalien, die durch den Magnetgehalt der verwendeten elektronischen
Bauelemente verursacht werden, reduziert oder eliminiert werden.
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Ein
speziell konstruiertes HF-Kabel 80 verbindet den Ausgang
der Abstimm- und Anpassungsschaltung mit dem Vorverstärker des
MRI-Systems. Vorzugsweise wurde das Kabel 80 aus einer
nicht-magnetischen Ausführung
eines Standard- RG174-Kabels
konstruiert. Auf die äußere Kabelisolierung
wurde ein Außenmantel
aus ungiftigem PVC aufgeformt. Der PVC-Mantel sorgt für einen
geeigneten ungiftigen Kontakt mit einem Patienten und schafft auch
einen Isolierabstand für
das elektrische Feld zwischen dem Patienten und der elektrischen
Außenabschirmung
des Kabels und verhindert damit HF-Verbrennungen.
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Eine
aufgeformte Form (Schlussbildung) 90 dichtet das offene
proximate Ende der hohlen Außenabdeckung
ab. Vorzugsweise besteht die aufgeformte Form 90 aus PVC-Kunststoff
und kann geformt oder mittels eines beliebigen anderen geeigneten
Verfahrens hergestellt werden. Die aufgeformte Form 90 wird
auf der Außenfläche des
proximalen Endes 64 angebracht und bedeckt die Rillen 66 sowie
die flachen vertieften Rechtecke 68. Das HF-Kabel 80 verläuft von
der Abstimm- und Anpassungsschaltung aus dem offenen proximalen Ende 64 durch
die aufgeformte Form 90 und bildet hiermit eine fluiddichte
Abdichtung. Da ein Teil der aufgeformten Form 90 in die
auf der Außenfläche der
hohlen Außenabdeckung 60 gebildeten
Umfangsrillen 66 eingebettet ist, wird eine dichte mechanische
Abdichtung dazwischen geschaffen, die gegen das Eindringen von Fluid
angemessen beständig
ist. Die Übergangsfläche zwischen
der aufgeformten Form 90 und dem HF-Kabel 80 ist
aufgrund der dazwischen geschaffenen chemischen PVC-zu-PVC-Abdichtung angemessen
beständig gegen
das Eindringen von Fluid. Da außerdem
die aufgeformte Form 90 um die flachen vertieften Rechtecke 68 herum
gebildet ist, wird sich die aufgeformte Form 90 nicht relativ
zur Außenabdeckung 60 drehen.
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Bezug
nehmend auf 3 enthält die endokavitäre HF-Spulenbaugruppe
ein Dekontaminierungsgefäß 140 zum
Desinfizieren der Außenabdeckung
der Sonden. Das Dekontaminierungsgefäß 140 ist kompatibel mit
allen Ausführungsformen
der Sonden. Eine obere Lippe 142 ist so oben an dem Gefäß angebracht,
dass die aufgeformte Form 90 darauf aufliegt. Die obere
Lippe 142 kann so konstruiert werden, dass sie an die aufgeformten
Form 90 angepasst ist, indem sie die gleiche Formgebung
hat. Die obere Lippe 142 hält die Sonde in einer vorgeschriebenen
Höhe, so
dass die Außenabdeckung
vollständig
in ein Dekontaminierungsfluid eingetaucht wird, das sich in einem
Behälter 144 des
Dekontaminierungsgefäßes 140 befindet.
Bei dem Desinfektionsfluid kann es sich um Glutaraldehyd, Alkohol,
Wasserstoffperoxid oder ähnliche
Desinfektionsmittel handeln. Der rechteckige Hals 146 macht
es möglich,
dass die Außenabdeckung
der Sonden 30 in das Desinfektionsfluid reicht, verhindert
aber, dass die aufgeformte Form 90 hindurch kommt. Zur
Abdichtung des Dekontaminierungsgefäßes 140, wenn es nicht
benutzt wird, ist eine Kappe 148 vorgesehen. Das Dekontaminierungsgefäß 140 verfügt außerdem über eine Überlaufrinne 150,
die verhindert, dass das Dekontaminierungsfluid über den vorgegebenen Pegel
ansteigt. Das bedeutet, wenn der Pegel des Dekontaminierungsfluid
beim Einführen
der Sonde 30 zu hoch ansteigt, weil die Sonde 30 das
Fluid verdrängt,
läuft es
durch die Überlaufrinne 150 aus
statt über
den vorgegebenen Pegel anzusteigen. Dadurch wird verhindert, dass
das Dekontaminierungsfluid mit der aufgeformten Form 90 oder
dem speziell konstruierten HF-Kabel 80 in Berührung kommt,
so dass die PVC-Kunststoffteile nicht dem Dekontaminierungsfluid
ausgesetzt werden, das diese beschädigen könnte, und außerdem die
Abdichtungen zwischen der aufgeformten Form 90 und der
Außenabdeckung
sowie die Abdichtung zwischen der aufgeformten Form 90 und
dem speziell konstruierten HF-Kabel 80 gegen mögliches
Eindringen von Fluid geschützt
werden.
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Bezug
nehmend auf 4 wird eine einstellbare Klemme 160 mit
Backen 162, die vorgesehen sind, um die aufgeformte Form 90 selektiv
zu greifen, benutzt, um die Sonde 30 in einer festen Beziehung
innerhalb des Hohlraums der untersuchten Person zu halten. Die einstellbaren
Klemmbacken 162 werden durch Drehen einer Mutter 164 selektiv
eingerückt.
Die Backen sind entsprechend der Gestalt der aufgeformten Form 90 geformt,
um bei der Positionierung der Sonde 30 maximale Freiheit
zu gewähren.
Bezug nehmend auf 5 enthält die Sonde
in einer bevorzugten Ausführungsform
kein speziell konstruiertes HF-Kabel. Stattdessen dichtet die aufgeformte
Form 90 das offene Ende der hohlen Außenabdeckung komplett ab. Ein
elektrisches Bauteil, zum Beispiel eine induktive Spule, in der
aufgeformten Form 90 ist mit der Abstimm- und Anpassungsschaltung verbunden,
die ihrerseits mit dem aktiven HF-Spulenelement 72 der
Sonde 30 verbunden ist. Das elektrische Bauteil 170 in
der aufgeformten Form 90 ist elektronisch mit den elektrischen
Bauteilen 172, zum Beispiel induktiven Spulen, gekoppelt,
die innerhalb der Backen 162 der einstellbaren Klemme 160 untergebracht
sind. Die elektrischen Bauteile 172 in den Backen 162 der
einstellbaren Klemme 160 sind wiederum über ein Kabel 172 mit
einem Vorverstärker
des MRI-Geräts
verbunden. Auf diese Weise wird die Sonde mit dem Vorverstärker des
MRI-Geräts
verbunden, ohne dass externe HF-Kabel verwendet werden.
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Obwohl
die abgebildete aufgeformte Form 90 als sphärisch dargestellt
ist, kann die aufgeformte Form 90 eine andere geeignete
Gestalt haben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform zum Beispiel nimmt
die aufgeformte Form 90 die Gestalt eines Polyeders an.
Jede Seite des Polyeders ist mit einer geeigneten Markierung gekennzeichnet.
Auf diese Weise kann die aufgeformte Form 90 zum Indexieren
der relativen Ausrichtung der darin starr in Bezug auf den Patienten
befestigten Sonde 30 und des aktiven HF-Spulenelements 72 genutzt
werden. Bei einer anderen altnativen Ausführungsform kann die Sonde 30 Materialien
in ihrer Konstruktion enthalten, die ein begrenztes nuklearmagnetisches
Resonanzsignal aussenden. Auch dies erlaubt die Bestimmung der relativen
Position und Ausrichtung der Sonde 30 in dem Körper der
Person in Bezug auf die abzubildende Anatomie.
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Ein
vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache,
dass die Sonde 30 abgedichtet ist, um das Eindringen von
Fluid zu verhindern.
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Obwohl
das speziell konstruierte HF-Kabel 80 so beschrieben wurde,
dass es die Abstimm- und Anpassungsschaltung der Sonde 30 mit
dem Vorverstärker
des Magnetresonanzbildgebungssystems verbindet, ist der Vorverstärker bei
einer bevorzugten Ausführungsform
in die Sonde 30 integriert und auf der gleichen Leiterplatte 74 montiert
wie die Abstimm- und Anpassungsschaltung.
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Ein
Vorteil der beschriebenen endokavitären Spulen besteht darin, dass
die Sonden wieder verwendbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass sie so hergestellt werden können, dass sie die erforderlichen elektrischen
und mechanischen Normen wie UL 544 und IEC 601 erfüllen. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anordnung des aktiven HF-Spulenelements
in Bezug auf die abzubildende Anatomie fixiert werden kann. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die externen Schaltungen zur
Durchführung
der Abstimmungs- und Anpassungsjustierungen pro Patient eliminiert
werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Reduzierung von Bewegungsartefakten,
indem die Sonde während
der Durchführung
der Abtastung in einer festen Position festgeklemmt wird. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass das Eindringen von Fluid in das Innere
der wieder verwendbaren Sonde verhindert wird. Ein weiterer Vorteil
besteht in dem Schutz der Personen gegen HF-Verbrennungen. Text
in der Zeichnung Figur
1
| Magnetic
field control | Magnetfeldsteuerung |
| Sequence
control | Sequenzsteuerung |
| Gradient
amplifiers | Gradientenverstärker |
| transmitter | Sender |
| receiver | Empfänger |
| A/D | Analog/Digital-Umsetzer |
| 2DFT | 2D-Fourier-Transformation |
| Image
memory | Bildspeicher |