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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Gerät
zur Bilderzeugung durch kernmagnetische Resonanz (bekannt als MRI).
Ein solches Gerät
würde zur
Durchführung
eines Eingriffs wie beispielsweise einer Biopsie verwendet.
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Während
die MRI benutzt wird, um einfach die innere Struktur eines menschlichen
Körpers
visuell darzustellen und dadurch zu helfen, den Zustand des Patienten
zu diagnostizieren, ist es ebenfalls möglich, Eingriffe wie eine Biopsie
in solchen Situationen durchzuführen,
in denen der relevante Körperteil
des Patienten zugänglich
ist. Dies könnte
bei Benutzung eines so genannten offenen MRI-Systems der Fall sein,
zum Beispiel eines Systems, das zwei voneinander abgesetzte Spulen
oder einen C-förmigen
Magneten verwendet, oder eines Systems, bei dem die axiale Länge des
Feldmagneten, und damit die für
den Patienten passende Bohrung, kurz genug ist, um einen solchen
Zugang zu ermöglichen.
Im Folgenden werden derartige Systeme als "zugängliche" Systeme bezeichnet.
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Die Kombination aus solchen zugänglichen Systemen
und der kommerziellen Verfügbarkeit MR-kompatibler
Biopsienadeln hat die Möglichkeit eröffnet, den
hervorragenden Weichgewebekontrast der MR-Bildgebung auszunutzen,
um Läsionen
zu visualisieren und so Biopsien zu lenken.
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Um die Biopsienadel genau zu positionieren, wird
ein so genanntes Stereotaxiegerät
eingesetzt, mit dem sich Raumpunkte im Patienten präzise definieren
lassen. Eine Gestell-Stereotaxievorrichtung umfasst beispielsweise
ein physikalisches, dreidimensionales Gestell, das am Patienten,
z. B. an seinem Kopf, befestigt wird, so dass jeder Raumpunkt im
Kopf des Patienten auf den x-, y- und z-Achsen im Verhältnis zum
Gestell präzise
definiert werden kann. Eine gestelllose Stereotaxievorrichtung erzielt
denselben Effekt, verwendet jedoch an Stelle eines physikalischen
Gestells optische oder Ultraschallmittel, um die x-, y- und z-Koordinaten
zu definieren.
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Ein bekannter Ansatz besteht darin,
kleine MR-sichtbare Markierungen auf der anatomischen Oberfläche zu platzieren
und ein Volumenbild der Region aufzunehmen. Der Patient wird aus
der Magnetbohrung herausgezogen. Ein manuell geführtes Biopsienadelgerät mit zwei
Ultraschallsendern, die in einen festen Abstand zur Biopsienadel spitze
angeordnet sind, kann durch eine festgelegte Anordnung von Mikrofonen
im Raum lokalisiert werden, und durch Ausrichtung auf die Justiermarken
können
die MR-Bildinformationen
auf die aktuelle Position des Patienten abgebildet werden und dadurch
die Position und die Ausrichtung der Biopsienadel auf den MR-Bildern
dargestellt werden.
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In einem zugänglichen Magnetsystem kann der
Bediener ein Biopsienadelgerät
tatsächlich
in der Bildgebungsregion handhaben. Indem man beispielsweise ein
optisches gestellloses Stereotaxiegerät verwendet, das auf geeignete
Weise an der Maschine angebracht ist, kann die aktuelle Position
des Geräts
die Position der MR-Bildgebungsschicht
auf dynamische Weise einstellen und damit den Biopsievorgang lenken.
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In der US-amerikanischen Patentschrift US-A-5.356.927
ist die Schaffung einer Zeigevorrichtung vorgeschlagen worden, um
die Position und Ausrichtung einer Ebene anzuzeigen, in der ein
Bild erfasst werden soll. MR-Verfolgungsvorrichtungen, wie beispielsweise
in der Patentschrift US-A-5.271.400 beschrieben, können verwendet werden,
um die Position des Zeigers zu verfolgen.
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Es wird ein Verfolgungssystem beschrieben, das
MR-Signale verwendet, um die Position und Ausrichtung eines Vorrichtung,
zum Beispiel eines Katheters, im Patienten zu überwachen. Die Vorrichtung hat
mindestens zwei MR-aktive Proben und Empfangsspulen. Durch die MR-aktiven
Proben erzeugte MR-Signale werden beim Vorhandensein von Magnetfeldgradienten
festgestellt und haben damit Frequenzen, die im Wesentlichen proportional
zur Lage der Spulen entlang der Richtung der angewandten Gradienten
sind. Signale werden als Reaktion auf sequentiell angewandte, zueinander
orthogonale Magnetgradienten detektiert, um die Position der Vorrichtung
in verschiedenen Dimensionen zu bestimmen. Die durch das Verfolgungssystem
ermittelte Position der Vorrichtung wird unabhängig erfassten medizinischen
Diagnosebildern überlagert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Schaffung einer Vorrichtung für die Benutzung mit einem Stereotaxiesystem,
wobei das Letztere in der Bildgebungsregion eines MR-Scanners zu
benutzen ist, so dass die Vorrichtung auf sehr einfache und interaktive
Weise unter Verwendung des Magnetgradientensystems als Messsystem
geführt
werden kann, ohne dass zusätzlich
Hardware erforderlich ist. Als Anwendung wird hier speziell an die
Brustbiopsie gedacht, obwohl dieselbe Vorrichtung auch für die Biopsie
in anderen Bereichen benutzt werden könnte, wie beispielsweise Leber
oder Gehirn. Die Erfindung kann auch in Verbindung mit anderen Eingriffsvorrichtungen
als Biopsievorrichtungen benutzt werden, zum Beispiel mit Bildgebungsspulen,
die für
das Einführen in
Körperpassagen
vorgesehen sind, zum Beispiel Endorektal-Spulen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein Verfahren zum Anzeigen der Position und Ausrichtung eines medizinischen
Instruments in Bezug auf den Patienten, wobei das medizinische Instrument über mindestens
zwei positionsdefinierende Elemente verfügt, die jeweils MR-aktive Proben
umfassen, wobei die jeweiligen HF-Empfangsspulen von den Proben gehalten
werden, die Empfangsspulen mit separaten Empfangskanälen einer
Magnetresonanz verarbeitenden Elektronik verbunden sind, und das
Verfahren die Durchführung
eines Zyklus mit den folgenden Schritten umfasst: einen HF-Anregungsimpuls
und Magnetfeldgradienten zuführen,
die Magnetresonanzsignale verarbeiten, um die Positionen der Elemente
zu lokalisieren, einen HF-Anregungsimpuls und Magnetfeldgradienten
zuführen,
um einen Bereich des Patienten in Abhängigkeit von der Lage eines
gewünschten
Teils des medizinischen Instruments abzubilden, und den Bereich
des Patienten mit der momentanen Position des medizinischen Instruments
einem MR-Bild überlagert
anzeigen, das medizinische Instrument bewegen und den Zyklus wiederholen.
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Weiterhin schafft die vorliegende
Erfindung ein Gerät
zum Anzeigen der Position und Ausrichtung eines medizinischen Instruments
in Bezug zum Patienten, wobei das medizinische Instrument über mindestens
zwei positionsdefinierende Elemente verfügt, die jeweils MR-aktive Proben
umfassen, wobei die jeweiligen HF-Empfangsspulen von den Proben
gehalten werden, die Empfangsspulen mit separaten Empfangskanälen einer
Magnetresonanz verarbeitenden Elektronik verbunden sind, die Folgendes
umfasst: HF-Anregungsimpuls-
und Magnetfeldgradientenmittel, um Resonanz anzuregen und festzustellen,
Mittel zur Verarbeitung der Magnetresonanzsignale, um die Positionen
der Elemente zu lokalisieren und einen Bereich des Patienten in
Abhängigkeit
von der Lage eines gewünschten
Teils des medizinischen Instruments abzubilden, und Anzeigemittel,
um den Bereich des Patienten mit der ihm überlagerten momentanen Position
des medizinischen Instruments anzuzeigen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
sind drei positionsdefinierende Elemente so in Bezug zum Gehäuseteil
sowie zueinander angeordnet, dass sie in erregtem Zustand Signale
erzeugen, die es ermöglichen,
die Position und Ausrichtung der Vorrichtung zu bestimmen und/oder
in Bezug auf die x-, y- und z-Achsen zu visualisieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung ist die Flüssigkeit
dotiertes Wasser.
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Gemäß einem dritten Aspekt der
Erfindung beinhaltet jedes Positionierungselement auch einen mit
den Hilfsspulen elektrisch verbundenen Kondensator.
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Gemäß einem vierten Aspekt der
vorliegenden Erfindung besteht der Gehäuseteil aus einem Kunststoffmaterial.
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Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden
Erfindung umfasst jeder Behälter
eine Glasphiole.
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Im Folgenden wird anhand von Beispielen beschrieben,
wie die Erfindung ausgeführt
werden kann, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen
wird.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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2 eine
vergrößerte Detailansicht
eines Teils aus 1; und
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3 eine
schematische Darstellung einer Timing-Sequenz.
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Eine Biopsienadelvorrichtung besteht
im Wesentlichen aus einem Handlesekopf 1 aus einem Kunststoffmaterial,
wie beispielsweise einem Azetal-Homopolymer DEL-RIN (eingetragenes Warenzeichen), das
für die
Aufnahme einer unter 4 angedeuteten Biopsienadel vorgesehen
ist.
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Der Kunststoff-Handlesekopf 1 hat
einen integrierten Griff 2 und einen Gehäuseteil 3,
an dem die Biopsienadel 4 mittels einer Biopsienadelführung 5 auf
bekannte Weise demontierbar befestigt ist.
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Erfindungsgemäß verfügt die bekannte Biopsienadelvorrichtung 1, 2 und 3 über mehrere
(in diesem Fall drei) Positionierungselemente 6a, 6b und 6c,
die sich jeweils in einer Vertiefung des Gehäuseteils 3 befinden,
so dass sie bündig
mit der Außenfläche des
Gehäuseteils 3 abschließen.
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Eines dieser positionsdefinierenden
Elemente 6a wird in 2 in
einer vergrößerten Darstellung gezeigt
und nun ausführlicher
beschrieben.
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Eine im Wesentlichen zylindrische,
etwa vier Millimeter lange Glasphiole 7 enthält dotiertes
Wasser 8, das auf dem Anzeigebildschirm des MRI-Gerätes zu sehen
ist. Um die Glasphiole herum ist eine Hilfsspule 9a gewickelt,
die über
einen von der Glasphiole 7 gehaltenen oder dicht daneben
montierten Kondensator (nicht gezeigt) mit dem MR-Erregungs- und Steuerungssystem
elektrisch verbunden ist.
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Die drei Elemente 6a, 6b und 6c,
die jeweils Spulen 9a, 9b und 9c haben,
sind so positioniert, dass sie es in erregtem Zustand ermöglichen,
die Vorrichtung 1 in die gewünschte Position im Verhältnis zur
x-, y- und z-Achse zu bringen. Da die Positionen der Elemente 6a, 6b und 6c im
Idealfall durch Punkte definiert sein sollten, werden diese Elemente so
klein wie möglich
im Einklang damit gemacht, ein im Bezug auf die Signalstärke der
umgebenden Materie ausreichend starkes Signal zu erzeugen, um sicherzustellen,
dass die Position der drei Elemente auf dem Anzeigebildschirm des
Systems deutlich zu sehen ist.
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Das Wasser 8 ist dotiert,
um eine Relaxationszeit T1 von 30 ms oder
weniger zu erreichen, da die Relaxationszeit von gewöhnlichem
Wasser zu lang ist. Die Relaxationszeit ist die Zeit, die die Wassermoleküle brauchen,
um in ihre ursprüngliche
Ausrichtung zurückzukehren,
nachdem sie vom HF-Feld aus ihrer neutralen Position entlang der
z-Achse in die x/y-Ebene
geschnellt wurden.
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Jede der Spulen 9a, 9b und 9c ist
durch eine aus dünnen
Koaxialkabeln bestehende Leitung 10 an einen Vorverstärker (nicht
gezeigt) und dann an separate Empfangskanäle des MR-Scanners (nicht gezeigt)
angeschlossen.
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Im Folgenden wird nun beschrieben,
wie die Biopsievorrichtung benutzt wird.
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Die Vorrichtung, insbesondere die
Biopsienadel 4, wird in den Bildgebungsbereich des Feldmagneten
des MRI-Gerätes
gehalten. Für
jede der Spulen 9a, 9b und 9c wird eine
einfache, aus vier Gradientenechos bestehende MR-Sequenz verarbeitet, um
dadurch die Position der jeweiligen Wasserprobe 8 innerhalb
der jeweiligen Phiolen 7 sowie relativ zum Magnetgradientensystem
zu bestimmen.
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Das verwendete Verfahren korrgiert
Inhomogenitäten
im Magnetfeld B0. Nichtlinearitäten des Gradientensystems
können
bei der Signalverarbeitung berücksichtigt
werden. Für
die Erzielung einer ausreichenden räumlichen Auflösung sind
lediglich moderate Scannerspezifikationen erforderlich.
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Das Signal in jedem Empfangskanal
stammt vorwiegend von der dotierten Wasserprobe 8, die
in der betreffenden Phiole 7 enthalten ist. Durch diese Anordnung
kann die Position jeder der Hilfsspulen 9a, 9b und 9c innerhalb
eines Zeitraums von 100 ms ermittelt werden, wobei die Positionsgenauigkeit durch
die Größe der Wasserprobe
vorgegeben wird.
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Anhand der Positionen der Hilfsspulen 9a, 9b und 9c ist
es möglich,
Lage und Ausrichtung der Biopsienadelspitze 4 relativ zum
Magnetgradientensystem zu berechnen. Dies würde unter Verwendung bekannter
Softwareroutinen erfolgen.
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Um beispielsweise eine Brustbiopsie
durchzuführen,
kann der Patient in die Dekubitusposition gebracht werden, wobei
die Brust auf einer geeigneten Oberflächenempfangsspule ruhig gestellt
wird, die in einem dritten Kanal des MR-Scanners installiert ist.
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Eine anfängliche kontrastangereicherte, T1-gewichtete Abtastung schafft eine Visualisierung der
Läsion,
und folglich kann die Zielposition der Scannersoftware zugeführt werden.
Der Scanner arbeitet daraufhin in einem kontinuierlichen Schleifenmodus,
bei dem eine Vorabtastung die Daten des ersten und zweiten Kanals
zur Lokalisierung der Nadel 4 verarbeitet, gefolgt von einer Einzelabtastung mit
einem schnellen, T1-gewichteten Gradientenechobild über den
dritten Kanal, wobei Position und Ausrichtung anhand der aktuellen
Nadelposition bestimmt werden. Der Bediener justiert die Nadelposition,
und die Schleife wird wiederholt.
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Mann kann sich eine ganze Reihe von
Zielstrategien vorstellen, die alle mittels einfacher Softwareroutinen
realisiert werden können.
Eine mögliche
Strategie wäre,
die Schichtausrichtung axial zur Nadelrichtung einzurichten, so
dass sie zentriert entlang der Linie der Nadelrichtung und durch
die Zielposition verläuft.
Eine solche Einzelschichtabtastung kann von einem MR-System mit
einer Gradientenleistung von 10 mT·m–1 Amplitude
und 10 mT·m–1·ms–1 Anstiegsgeschwindigkeit
in wenigen Sekunden erfasst werden.
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Um sicherzustellen, dass der Handlesekopf während der
Vorabtastung und der Bildabtastung ruhig gehalten wird, kann eine
mechanische Halterung benutzt werden.
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Das aktuelle Bild wird an der Scanneranzeigekonsole
aktualisiert und über
Filterleitungen an eine LCD-Anzeige weitergeleitet, die in einem
HF-abgeschirmten Gehäuse
in einer für
den Bediener günstigen
Sichtposition montiert ist. Der Vorgang setzt sich von der anfänglichen
Justierung der Nadelrichtung auf der Brustoberfläche bis zur Lokalisierung der
Nadelspitze innerhalb der Läsion
fort, wobei alles auf den MR-Bildern zu sehen ist.
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Bezug nehmend auf 3 ist es erwünscht, zwischen den Positionen
der Positionierungselemente und der Abbildung des Patienten so rasch
wie möglich
abzuwechseln. In jedem Fall wird für die Erregung dieselbe Körperspule
verwendet. Dadurch entsteht ein Konflikt, weil es erforderlich ist,
die Rotation der Bulk-Magnetisierung des Abtastbereichs während der
Erregung der positionsdefinierenden Elemente (oder Justiermarken)
zu minimieren, um keine Bildgebungsoptionen zu beeinträchtigen. Durch
diese Anforderung wird der von den Justierspulen erreichbare Rauschabstand
reduziert. Dieses Problem wird gelöst, indem man als Justierspulen 9a abgestimmte
Resonanzspulen anordnet, die mit der Frequenz der HF-Erregung in
Resonanz schwingen. Die Justierspulen fungieren dann als lokale
Flussverstärker.
Das bedeutet, dass wenn die Körperspule
einen HF-Erregungsimpuls
von 1° erzeugt,
während die
Körpermagnetisierung
nur einer Rotation von 1° unterliegt,
die Justierproben eine Rotation erfahren, die ein Mehrfaches dieses
Werts beträgt,
bei einem entsprechenden Anstieg des Rauschabstands.
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Da die Bulk-Magnetisierung durch
das Auffinden der Justiermarken nicht wesentlich gestört wird,
ist kein langer Zeitraum zur Wiederherstellung der Körpermagnetisierung
erforderlich (bei einem großen
Flip-Winkel könnte
dies eine Viertel Sekunde sein). Die beiden Blöcke der Justiermarkenabbildung und
der Patientenabbildung können
sich daher rasch abwechseln, was insbesondere dann von Bedeutung ist,
wenn die Position des medizinischen Instruments fortwährend geändert werden
muss.
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Im Wesentlichen besteht die Sequenz
aus zwei Blöcken,
die kontinuierlich wiederholt werden. Der erste Block ist eine Positionsverfolgungs-Datenerfassung,
bestehend aus vier Gradientenechos, wobei die Gradientenprofile
auf alle drei Achsen, jedoch mit vier unterschiedlichen Polaritätskombinationen angewandt
werden. Ein derartiges Verfahren ist in der Patentschrift US-A-5.271.400
beschrieben. Für jedes
Echo werden 250 Abtastwerte gesammelt, wobei das Betrachtungsfeld
auf 40 cm eingestellt wird, um das Abbildungsvolumen des Scanners
abzudecken. Die gesamte Positionsverfolgungs-Datenerfassung ist in 60 ms abgeschlossen.
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Bevor der zweite Abbildungsblock
beginnt, wird die Positionsberechnung durchgeführt. Wie man sich erinnern
wird, sind drei Justierspulen 9a mit einem separaten Kanal
der Verarbeitungselektronik verbunden, und ein vierter Kanal der
Verarbeitungselektronik ist mit der Hauptempfangsspule verbunden, die
zur Abbildung des Patienten benutzt wird. Die Daten der Bildgebungsspule
werden nach der Positionsverfolgungssequenz verworfen, und die drei
verbleibenden, mit den Justierspulen verbundenen Kanäle werden
separat verarbeitet, wobei die Position des maximalen Signals in
der Fourier-Tranformation jedes
Echos einer Hadamard-Transformation unterzogen wird. Bei diesem
Verfahren werden die Auswirkungen der B0-Inhomogenität eliminiert,
wodurch man die Position jeder Justiermarke relativ zum Zentrum
des Scanner-Gradientensystems mit einer Genauigkeit erhält, die
von der Größe der Justierproben, der
Auflösung
der Datenerfassung und der Linearität des Gradientensystems bestimmt
wird. Durch einfache Berechnung werden die aktuellen Positionen
der Justiermarken sowohl in eine Reihe obliquer, auf die Gra dientenprofile
der Bildgebung anzuwendende Koeffizienten als auch in Informationen über die Schichtposition
umgewandelt.
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Der zweite Block ist die Bilddatenerfassung. Für das Laden
der oben berechneten neuen Bildausrichtungsparameter sind 20 ms
zugelassen. In der Anwendung hier wird eine 128 × 128 turboFLASH-Einzelschicht-Datenerfassung
verwendet, mit der Möglichkeit,
einen die Magnetisierung vorbereitenden Inversionsimpuls hinzuzufügen, und
mit einer Gesamterfassungszeit von ca. 1 s. Das Bild wird direkt
an der Scanner-Workstation rekonstruiert und angezeigt. Diese Anzeige
wird über
75-Ohm-gefilterte Leitungen an eine LCD-Anzeige weitergeleitet,
die an der Magnetseite platziert ist. Eine ausreichende Verzögerung ermöglicht es
dem Bediener, das aktuelle Bild zu überprüfen und die Vorrichtung neu
zu positionieren, bevor der Zyklus wiederholt wird.
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Um die Suche von der aktuellen Sondenposition
aus zu ermöglichen,
lässt sich
die standardmäßige Schichtposition,
die von der Sondenposition bestimmt wird, von der Workstation-Konsole
aus versetzen und drehen. Beispielsweise kann man in einer Biopsie-Anwendung
die Abtastebene axial zur Nadel drehen und sie dann schrittweise
von der aktuellen Position der Nadelspitze vorwärts bewegen, bis die Zielanatomie
identifiziert werden kann.
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Die Erfindung eignet sich für Biopsievorrichtungen,
wie beispielsweise zur Abbildung der Prostata, oder für Bildgebungsspulen,
die in Körperpassagen
eingeführt
werden können,
wie beispielsweise Endorektal-Spulen.
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Die MR-aktive Probe kann eine Flüssigkeit oder
ein polymeres Dermal-Polster-Material
(Spenco Healthcare International Limited, UK) sein, platziert in einer
Elektromagnetspule mit acht Wicklungen, einem Innendurchmesser von
ca. 1,9 mm und einer von Länge
3 mm, die einen Silberdraht mit 0,25 mm Außendurchmesser verwendet. Die
Anordnung war auf einer Leiterplatte von 4 × 10 mm befestigt, die auf 21,34
MHz abgestimmt und für
eine verlustarme Signalübertragung
an 50 Ohm angepasst war.
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TEXT IN DER ZEICHNUNG
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3
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- Auffinden der Justiermarken
- Verarbeiten
- Abbilden
- Bewegen