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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanzsystems
mit einer Hochfrequenzantennenstruktur und mehreren einzeln ansteuerbaren
Sendekanälen, bei dem zur Erzeugung einer gewünschten
Hochfrequenzfeldverteilung in zumindest einem bestimmten Volumenbereich
innerhalb eines Untersuchungsvolumens des Magnetresonanzsystems über
die Sendekanäle jeweils parallel Hochfrequenzsignale ausgesendet werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzsystem
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 schnell
geschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert,
die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden. Außerdem
werden mit Hochfrequenzantennen Hochfrequenzpulse einer definierten
Feldstärke, das sogenannte „B1-Feld",
in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Mittels dieser Hochfrequenzpulse
werden die Kernspins der Atome im Untersuchungsobjekt derart angeregt,
dass sie um einen so genannten „Anregungsflipwinkel" 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"
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.
Klassische Magnetresonanzsysteme haben im Wesentlichen nur einen
Sendekanal zur Aussendung des B1-Felds,
d. h. es existiert nur eine Sendeleitung, die vom Hochfrequenzverstärker
zur Antennenstruktur führt. Sofern die Antenne, wie z.
B. eine Birdcage-Antenne, so ausgebildet ist, dass ein zirkular
polarisiertes Feld ausgesendet werden kann, wird das über
die vom Hochfrequenzverstärker kommende Hochfrequenzsignal über
einen Hybrid-Baustein in zwei Signale aufgeteilt, die gegeneinander
in ihrer Phase um 90° verschoben sind. Die beiden Signale
werden dann über zwei Sendeleitungen an genau definierten
Anschlusspunkten in die Antennenstruktur eingespeist. Die Verteilung
des B1-Felds ist durch die Aufteilung auf
die beiden Signalpfade mit den Phasen von 0° und 90° fest
eingefroren und kann nicht an die aktuellen Gegebenheiten der anstehenden
Messung angepasst werden. Darüber hinaus können
auch Lokalspulen verwendet werden, die direkt am Körper
des Patienten angeordnet werden. Bisher werden diese Spulen aber
in der Regel nur als Empfangsspulen eingesetzt.
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Die
Erzeugung der Hochfrequenzpulse bzw. Hochfrequenzpulssequenzen zur
Erzeugung des gewünschten B1-Felds
erfolgt zunächst durch Erstellung eines digitalen Signals,
auf dessen Basis dann ein HF-Signal generiert wird. Dies ist in 1 schematisch
dargestellt. Die Erzeugung des digitalen Signals DS erfolgt hier
in einem digitalen Pulsgenerator 3' in einer Kanalsteuereinheit 2'.
Dieses digitale Signal DS weist bereits die gewünschte
Pulsform des zu erzeugenden Hochfrequenzpulses bzw. der Hochfrequenzpulssequenz
auf. In einem Modulator 7' wird das digitale Signal DS
mit der gewünschten HF-Trägerfrequenz HFT gemischt.
Die Trägerfrequenz HFT hängt zum einen vom Magnetfeld
und zum anderen von dem gewünschten Experiment ab, d. h.
davon, welche Kernspins angeregt werden sollen, d. h. ob es sich
beispielsweise um eine H1, F19,
P31, NA23, C13 oder sonstige Anregung handeln soll. Bei
einem 3-Tesla-Grundmagnetfeld und einer in den meisten Fällen
gewünschten H1-Anregung beträgt
die Trägerfrequenz z. B. 123 MHz. Das im Modulator so erzeugte
Hochfrequenzsignal HF weist im Wesentlichen alle Charakteristika
des auszusendenden Hochfrequenzsignals auf, d. h. es hat die exakte
Pulsform und die benötigte Trägerfrequenz. Lediglich
die Leistung des noch unverstärkten Signals ist relativ
gering. Daher wird dieses Signal HF auch häufig als Hochfrequenz-Kleinsignal
bezeichnet.
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Dieses
Hochfrequenz-Kleinsignal HF wird dann über einen Signalpfad
an die Hochfrequenz-Antennenstruktur 10 gesendet, wobei
es in der Regel in einem sog. RFPA (Radio Frequency Power Amplifier =
Hochfrequenzleistungsverstärker) 8' verstärkt
wird. Üblicherweise wird danach zur Überwachung
der eingestrahlten Hochfrequenzleistung, um die Einhaltung der SAR-Grenzwerte
(SAR = Specific Absorption Rate; spezifische Absorptionsrate) sicherzustellen,
in einem Richtkoppler 9R' ein Signalanteil ausgekoppelt
und in einer Hochfrequenzkontrolleinrichtung 9', oft auch
als RFSWD (Radio Frequency Safety Watch Dog = Hochfrequenzsicherheits-Wachhund) bezeichnet, überwacht.
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Aufgrund
von Imperfektionen im Signalpfad, insbesondere im Hochfrequenzleistungsverstärker 8',
aber auch in den Speiseleitungen und weiteren verwendeten Komponenten
im Signalpfad, kommt es zu geringen, aber unvermeidbaren Phasen-
und Amplitudenverzerrungen des Hochfrequenzsignals HF', welches
letztlich in die Antennenstruktur 10 eingespeist wird.
Das heißt, das tatsächlich in die Antennenstruktur 10 eingespeiste
Hochfrequenzsignal HF' weist nicht mehr exakt die ursprünglich
durch das digitale Signal DS vorgegebenen Charakteristika auf. Die
Veränderungen lassen sich durch die Kennlinien KL des Amplituden-
und Phasengangs über den Signalpfad (bzw. den eingestrahlten,
verzerrend wirkenden Teil des Signalpfads, den RFPA 8')
beschreiben. In 2a ist ein Beispiel für
eine Amplitudenkennlinie dargestellt. Aufgetragen ist hier der Betrag
der Amplitude Aout des Ausgangssignals,
welches den Signalpfad verlässt und in die Antennenstruktur 10 eingespeist
wird, über dem Betrag der Amplitude Ain des Eingangssignals,
welches vom Modulator 7' kommt. Eine ideale Kennlinie KAi würde zu keinen Verzerrungen führen.
Dies wäre eine Diagonale im Diagramm. Tatsächlich
liegt aber eher eine verzerrte reale Kennlinie KAr vor,
wie sie in 2a als Beispiel eingezeichnet
ist. Das heißt, in Abhängigkeit vom Betrag der
Eingangsamplitude Ain kann die Ausgangsamplitude
Aout mal zu hoch und mal zu niedrig sein.
Das Gleiche gilt für den Phasengang, welcher in 2b dargestellt
ist. Hier ist die Phase Φout des
Ausgangssignals hinter dem Signalpfad über der Phase Φin des Eingangssignals vor dem Signalpfad
aufgetragen. Auch hier wäre die Idealkennlinie KΦi wieder eine Diagonale. Tatsächlich
weist die reale Kennlinie KΦr aber
einen anderen Verlauf auf.
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Um
dieses Problem zu lösen, wird bereits seit längerem
eine sog. Kennlinienkorrektur eingesetzt. Dies ist in 3 dargestellt. 3 zeigt
im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie das System in 1.
Jedoch ist hier schematisch dargestellt, dass die Kennlinie KL vermessen
wird und auf Basis dieser Kennlinie in einer Kennlinienkorrektureinheit 4' das
digitale Signal DS so vorverzerrt wird, d. h. daraus ein verzerrtes
digitales Signal DS' erzeugt wird, dass die spätere Verzerrung
des Hochfrequenz-Kleinsignals im Phasengang kompensiert wird und
letztlich an der Antenne ein Hochfrequenzsignal HF' ankommt, welches
genau den Vorgaben des digitalen Signals DS entspricht. Hierzu reicht
es aus, wenn bei der Fertigstellung des Geräts einmalig
beim Hersteller die Kennlinie gemessen wird. Diese wird dann in
einer Datei hinterlegt und kann von der Kennlinienkorrektureinheit
bei jeder Pulserzeugung angewendet werden. Während der
Lebensdauer des Geräts ist daher außer in den
Fällen, in denen Komponenten innerhalb des Signalpfads
ausgetauscht werden, keine Änderung der hinterlegten Kennlinie
nötig.
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Ein
weiteres Problem der Signalverfälschung, welches insbesondere
bei neuartigen Magnetresonanzsystemen mit Grundmagnetfeldstärken größer
als drei Tesla auftritt, besteht darin, dass im Patienten bei der
Einstrahlung der Hochfrequenzpulse beträchtliche Wirbelströme
induziert werden können. Als Folge davon wird das eigentlich
homogen eingestrahlte B1-Feld im Untersuchungsvolumen mehr
oder minder stark verzerrt. Der Einfluss des Patientenkörpers
auf das B1-Feld ist dabei u. a. stark von
der Statur des Patienten und den Anteilen der einzelnen Gewebearten
abhängig. So wird z. B. bei einem sehr korpulenten Patienten
ein zirkular polarisiertes Magnetfeld stark zu einem elliptischen
Feld verzerrt. Bei dünneren Patienten ist diese Verzerrung dagegen
nicht so stark. In Einzelfällen kann dies dazu führen,
dass eine zuverlässige Magnetresonanzmessung in bestimmten
Körperregionen des Patienten problematisch ist und unbrauchbare
Ergebnisse liefert.
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Ein
Lösungsansatz hierzu beruht auf dem Einsatz von sog. Sendearrays
(TX-Arrays) zur Einstellung beliebig geformter B
1-Felder.
Hierbei werden HF-Pulse parallel, d. h. gleichzeitig oder leicht
zeitlich versetzt, über verschiedene Sendekanäle
an die Hochfrequenzantennenstruktur gesendet. Ein Beispiel hierfür
wird in der
DE 101
24 465 A1 erläutert, die eine Antenne mit einer
Vielzahl von separat ansteuerbaren Antennenelementen beschreibt.
Das heißt, jeder Sendekanal weist hier ein separates Antennenelement
auf. Die mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen gesendeten
Hochfrequenzpulse, die von den einzelnen Antennenelementen ausgesendet
werden, überlagern sich dann im Untersuchungsvolumen und
bilden die gewünschte individuell einstellbare B
1-Feldverteilung. Alternativ können aber
auch verschiedene an einer gemeinsamen Antennenstruktur angeschlossene
Zuleitungen über individuell ansteuerbare Sendekanäle
versorgt werden, wobei die Überlage rung der HF-Pulse bereits
innerhalb der Antennenstruktur erfolgt.
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Eine
Möglichkeit, auf diese Weise das B
1-Feld
zu modifizieren, ist das sogenannte „statische B
1-Schimmen", in Analogie zum „statischen
Magnetfeldschimmen" des Grundmagneten. Hierbei werden Korrekturen
in das B
1-Feld eingeprägt, indem in
die Sendeleitungen der einzelnen Hochfrequenzkanäle des
Systems Amplituden- und Phasenstellglieder eingebaut werden. Diese
müssen dann jeweils individuell so eingestellt werden,
dass die gewünschte B
1-Verteilung
erreicht wird. Ein entsprechender Ansatz wird in der o. g.
DE 101 24 465 A1 erläutert.
Die Einfügung entsprechend hochpräziser Phasenstellglieder
und Amplitudenstellglieder in jeden einzelnen der Sendekanäle
ist mit hohem Aufwand verbunden. Zusätzlich wird eine Vielzahl
von Zuleitungen benötigt, um die jeweiligen Stellglieder anzusteuern.
Eine andere ebenfalls dort genannte Möglichkeit zur Einstellung
der Korrekturen besteht darin, vorab jeden einzelnen Hochfrequenzpuls
einer Sequenz individuell zu berechnen. Das heißt, jeder der
parallel ausgesendeten Hochfrequenzpulse hat ein anderes Aussehen
bezüglich Amplitude und Phase. Der Sequenzprogrammierer,
welcher vorab für die verschiedensten Messprotokolle die
benötigten Pulssequenzen programmiert, muss daher für
die Anwendung in solchen Systemen nicht nur eine Pulssequenz programmieren,
sondern er muss erheblichen Aufwand darauf verwenden, für
jeden der einzelnen Sendekanäle, beispielsweise acht, sechzehn oder
mehr Sendekanäle, individuelle Hochfrequenzpulse für
jede mögliche Pulssequenz zu erzeugen, um schließlich
das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dies ist ein beträchtlicher
Komplexitätsgrad für den Programmierer. Hinzu
kommt, dass je nach Belastung des MR-Geräts andere Korrekturen
erforderlich sind, d. h. es müssten dann eine Vielzahl
von verschiedenen Hochfrequenzpulssequenzen für eine Vielzahl
von Untersuchungssituationen speziell für das jeweilige
Gerät zur Verfügung gestellt werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur Steuerung eines Magnetresonanzsystems und ein entsprechendes
Magnetresonanzsystem anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 sowie durch ein Magnetresonanzsystem gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren werden für
die verschiedenen Sendekanäle jeweils individuell Korrekturkennlinien
für eine bestimmte Messung unter Berücksichtigung
eines die gewünschte Hochfrequenzverteilung bestimmenden Feldverteilungsparameter
vorgegeben. Das heißt, ein entsprechendes Magnetresonanzsystem
weist eine Korrekturkennlinien-Ermittlungseinrichtung auf, welche
für die verschiedenen Sendekanäle die Korrekturkennlinien
jeweils individuell für eine bestimmte Messung unter Berücksichtigung
eines die gewünschten Hochfrequenzverteilung bestimmenden Feldverteilungsparameters
ermittelt. Diese Korrekturkennlinie wird dann innerhalb der üblichen
Kennlinienkorrektureinrichtung anstelle der bisherig statisch vorgegebenen
Korrekturkennlinie genutzt, um das digitale Signal nicht nur hinsichtlich
einer Kompensation der im betreffenden Hochfrequenzsignalpfad verursachten
Verzerrung des Hochfrequenzsignals, sondern auch hinsichtlich der
Feldverteilungsparameter einzustellen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Aufbau müssen
also einerseits keinerlei zusätzliche Phasenstellglieder
und Amplitudenstellglieder in die einzelnen Sendekanäle
eingebaut werden, andererseits müssen aber auch bei der
Programmierung der verschiedenen Hochfrequenzpulssequenzen die B1-Feldkorrekturen nicht berücksichtigt
werden. Diese können stattdessen in einem anderen Justageschritt,
beispielsweise unmittelbar vor der eigentlichen Messung mit der
tatsächlich vorliegenden Belastung im Untersuchungsraum,
bestimmt werden und dann ohne größeren Aufwand
innerhalb der Kennlinienkorrektur berücksichtigt werden.
Da entsprechende Kennlinienkorrektureinheiten zur Veränderung
des digitalen Signals ja be reits zur Verfügung stehen,
ist die Erfindung auch grundsätzlich ohne großen
Mehraufwand realisierbar. Es müssen lediglich anstelle
einer konstanten für die Lebensdauer des Geräts
festgelegten Kennlinie jeweils passende individuelle Kennlinien
für die einzelnen Messungen und für die einzelnen
Sendekanäle vorgegeben werden.
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Eine
entsprechende Korrekturkennlinien-Ermittlungseinrichtung kann dabei
auch in Form eines Softwaremoduls auf einem Prozessor einer Steuereinrichtung
des Magnetresonanzsystems realisiert werden, so dass auch eine Nachrüstung
von bereits bestehenden Magnetresonanzsystemen einfach möglich
ist. Grundsätzlich kann dabei eine Korrekturkennlinien-Ermittlungseinrichtung
verwendet werden, um die Korrekturkennlinien für alle Sendekanäle individuell
zu berechnen. Insbesondere ist es aber auch möglich, beispielsweise
jedem Sendekanal eine eigene Korrekturkennlinien-Ermittlungseinrichtung
zuzuordnen.
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Die
abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung,
wobei das erfindungsgemäße Magnetresonanzsystem
auch analog zu den Merkmalen der abhängigen Ansprüche
des erfindungsgemäßen Verfahrens weitergebildet
sein können und umgekehrt.
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Über
die Kennlinienkorrektureinrichtung können prinzipiell verschiedene
Werte der über die jeweiligen Sendekanäle erzeugten
digitalen Signale, unabhängig von den jeweils über
die anderen Sendekanäle ausgesendeten Signalen, individuell
eingestellt werden. Bevorzugt ist die Kennlinienkorrektureinrichtung
so ausgebildet, dass die für die jeweiligen Sendekanäle
erzeugten digitalen Signale auf Basis der hinsichtlich der Messung
individuell vorgegebenen Korrekturkennlinien jeweils bezüglich
ihres Amplituden-Offsets, d. h. ihrer relativen Amplitude bezüglich
der über die anderen Sendekanäle ausgesendeten
Pulse, und ihres Phasen-Offsets, d. h. hinsichtlich ihrer relativen
Phase bezüglich der Signale auf den anderen Sendekanälen,
eingestellt werden. Durch die geschickte relative Einstellung von
Phase und Amplitude kann erreicht werden, dass sich letztlich bei
einer Überlagerung der verschiedenen Hochfrequenzsignale,
die über die individuellen Sendekanäle in die
Antennenstruktur eingespeist werden, das gewünschte B1-Feld ausbildet.
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Bevorzugt
werden die Korrekturkennlinien dabei individuell für eine
bestimmte Messung so vorgegeben, dass durch die Manipulation der
digitalen Signale in der jeweiligen Kennlinienkorrektureinrichtung
der einzelnen Sendekanäle eine aufgrund einer vorliegenden
Untersuchungssituation im Untersuchungsvolumen verursachte Verzerrung
der Hochfrequenzverteilung bereits eingangsseitig kompensiert wird.
Es ist aber auch möglich, über diese Korrekturkennlinien
nicht nur unerwünschte Verzerrungen in der Hochfrequenzverteilung
zu kompensieren, sondern ggf. auch bewusst ganz individuelle inhomogene
Hochfrequenzfeldverteilungen vorzugeben, wenn dies für
eine bestimmte Messung so gewünscht wird.
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Um
eine beliebige individuelle Einstellung der Hochfrequenzfeldverteilung
zu erreichen, können individuell Feldverteilungsparameter
vorgegeben werden. Hierzu weist die Kennlinienkorrektureinrichtung
vorzugsweise eine Schnittstelle zur Übernahme von für
eine aktuell durchzuführende Magnetresonanzmessung zu berücksichtigenden
Feldverteilungsparametern auf.
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Die
Kennlinienkorrektureinrichtung kann eine Korrekturkennlinien-Berechnungseinheit
aufweisen, welche auf Basis eines aktuellen Feldverteilungsparameters
und auf Basis einer bekannten, in einem Speicher hinterlegten Kennlinie
des betreffenden Signalpfads eine individuelle Korrekturkennlinie für
die aktuell durchzuführende Magnetresonanzmessung ermittelt.
Auf diese Weise wird also sowohl die Korrektur hinsichtlich der
Verzerrung im Signalpfad durchgeführt als auch die aktuell
gewünschte Feldverteilung berücksichtigt.
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Zur
Gewinnung der passenden Feldverteilungsparameter können
beispielsweise für eine aktuell durchzuführende
Magnetreso nanzmessung jeweils zuvor in einer Justagemessung Hochfrequenz-Korrekturwerte
ermittelt werden. Auf deren Basis werden dann die Feldverteilungsparameter
bestimmt und auf Basis dieser Feldverteilungsparameter sowie auf
Basis der bekannten Kennlinien der Signalpfade können dann
die Korrekturlinien für die aktuell durchzuführende
Magnetresonanzmessung ermittelt werden.
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Verfahren
für entsprechende Justagemessungen sind dem Fachmann hinreichend
bekannt. Üblicherweise weisen Magnetresonanzsysteme ohnehin
entsprechende Steuermodule mit geeigneten Korrekturwert-Ermittlungseinheiten
(in Form von Softwaremodulen) auf, um Justagemessungen zur Gewinnung
der Hochfrequenzfeld-Korrekturwerte durchzuführen.
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Es
muss dann lediglich noch durch eine geeignete Berechnungseinheit
für eine Ermittlung der Feldverteilungsparameterwerte auf
Basis der Hochfrequenzfeld-Korrekturwerte gesorgt werden bzw. die Hochfrequenzfeld-Korrekturwerte
müssen der Kennlinienkorrektureinrichtung entsprechend
verändert oder ggf. auch, je nach Ausgestaltung der Korrekturkennlinien-Berechnungseinheit,
unverändert als Feldverteilungsparameter zur Verfügung
gestellt werden.
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Vorzugsweise
können auch Korrekturkennlinien für verschiedene
Messmodi und/oder Untersuchungssituationen vordefiniert und für
eine Nutzung in späteren Messungen gespeichert werden.
Hierzu kann das Magnetresonanzsystem einen Speicher aufweisen, in
welchem die vordefinierten Korrekturkennlinien für verschiedene
Messmodi und/oder Untersuchungssituationen gespeichert sind. Die
Kennlinienkorrektureinrichtung kann eine Korrekturkennlinien-Auswahleinheit
aufweisen, um beispielsweise auf Basis eines aktuellen Feldverteilungsparameters eine
Korrekturkennlinie für einen individuellen Sendekanal auszuwählen.
Mit Hilfe dieses Verfahrens könnte insbesondere in Standard-Messsituationen der
Berechnungsaufwand zur Gewinnung der aktuell erforderlichen individuellen
Korrekturkennlinien verringert werden.
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Die
Erfindung kann auch vorteilhaft angewendet werden, wenn die Hochfrequenzsignale über die
einzelnen Sendekanäle zur Durchführung einer sog.
Transmit-SENSE-Messung (kurz als TX-SENSE bezeichnet) ausgesendet
werden. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Anwendung von
sog. Sendearrays, welche auf einer Parallelisierung des Sendens
der Hochfrequenzpulse in Analogie zu einer parallelen Empfangsbildgebung
beruht. Bei dem Empfangs-SENSE-Verfahren werden die Feldprofile
der Antennenelemente, d. h. deren Sensitivität (SENSE =
Sensitivity Encoding), zusätzlich benutzt, um das Magnetresonanzsignal
zu kodieren. Diese zusätzliche Information kann genutzt
werden, um die Messzeit zu reduzieren. Beim TX-SENSE wird dagegen der
Anregungsprozess durch eine geschickte Parallelisierung der Hochfrequenzpulse
beschleunigt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus dem Beitrag „Parallel
RF Transmission With Fight Channels at 3 Tesla" von K. Setsompop
et al. in „Magnetic Resonance and Medicine 56: 1163 bis
1171 (2006)" bekannt.
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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 ein
Prinzip-Blockschaltbild eines Hochfrequenz-Sendekanals eines Magnetresonanzsystems
nach dem Stand der Technik (ohne Kennlinienkorrektur),
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2a eine
graphische Darstellung eines Beispiels für einen Amplitudengang
in einem Hochfrequenzverstärker,
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2b eine
graphische Darstellung eines Beispiels für einen Phasengang
in einem Hochfrequenzverstärker,
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3 ein
Prinzip-Blockschaltbild eines Hochfrequenz-Sendekanals eines Magnetresonanzsystems
nach dem Stand der Technik (mit Kennlinienkorrektur),
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4 ein
Prinzip-Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems mit mehreren
Hochfrequenz-Sendekanälen,
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5a und 5b eine
graphische Darstellung eines Beispiels einer Anpassung von Phasen-Korrekturkennlinien
zur Erreichung einer bestimmten B1-Feldverteilung.
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Die 1 bis 3 wurden
bereits eingangs zur Verdeutlichung der bisherigen standardmäßigen Verwendung
der Kennlinienkorrektur in herkömmlichen Magnetresonanzsystemen
eingehend erläutert. Bei diesen herkömmlichen
Magnetresonanzsystemen wird einmal nach Fertigstellung des Magnetresonanzsystems,
allenfalls noch einmal nach einer Reparatur des Geräts,
d. h. nach Austausch bestimmter Komponenten, eine Kennlinie KL des
Hochfrequenz-Sendepfads bzw. des RFPA 8' ausgemessen und
diese Kennlinie KL dann statisch innerhalb einer Steuereinrichtung 2' des
Magnetresonanzsystems hinterlegt. Auf Basis dieser Kennlinie KL
wird dann in einer Kennlinienkorrektureinheit 4' für
eine Verzerrung des digitalen Signals DS gesorgt, so dass die später
durch die spezifische Kennlinie innerhalb des Sendepfads erzeugte
Verzerrung des fertigen Hochfrequenzsignals HF' wieder kompensiert
wird.
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In 4 sind
schematisch zwei Sendekanäle K1,
Kn eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems 1 dargestellt.
Die Darstellung der einzelnen Sendekanäle K1, Kn ist dabei an die Darstellung eines herkömmlichen Sendekanals
gemäß den 1 und 2 angepasst, um einen leichteren Vergleich
zu ermöglichen. Hierbei ist zu beachten, dass in der Regel
ein solches erfindungsgemäßes Sendearray-Magnetresonanzsystem 1 mehr
als zwei Kanäle aufweist. Prinzipiell kann das System 1 mit
beliebig vielen Kanälen ausgestattet werden. Üblich
sind derzeit 8, 16 oder 32 Kanäle. Aus Gründen
der besseren Übersichtlichkeit sind hiervon aber nur zwei
Kanäle K1, Kn dargestellt.
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Jeder
dieser Kanäle K1, Kn weist
eine eigene Kanalsteuereinheit 2 auf, in welcher sich u.
a., wie auch bei den bereits bekannten Systemen, ein Pulsgenerator 3 zur
Erzeugung eines digitalen Signals DS1 und
eine dem Pulsgenerator 3 nachgeschaltete Kennlinienkorrektureinheit 4 befinden.
Bei den Kanalsteuereinheiten 2 kann es sich beispielsweise
um die sog. PCI-TX-Karte (PCI: Peripheral Component Interconnect
= ein Bus-Standard, der u. a. für solche Sende-Module verwendet
wird) in einem sogenannten AMC-Steuerungsrechner (AMC = Advanced Measurement
Control) handeln. Das am Ausgang hinter der Kennlinienkorrektureinheit 4 ausgegebene digitale
Signal DS1' ist dann entsprechend der vorgegebenen
Korrektur-Kennlinie KK1, KKn modifiziert worden
und wird auf den Eingang eines digitalen Modulators 7 gegeben,
in dem das digitale Signal DS1', DSn' mit einer HF-Trägerfrequenz HFT1, HFTn gemischt
wird. Dabei ist es bei solchen Vielkanalarrays möglich,
nicht nur Pulse mit der gleichen Trägerfrequenz auszusenden,
sondern es können grundsätzlich auch Pulse mit
unterschiedlichen Trägerfrequenzen ausgesendet werden,
um beispielsweise parallel unterschiedliche Arten von Atomen bzw.
Metaboliten anzuregen.
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Am
Ausgang des Modulators 7 liegt dann jeweils das Hochfrequenz-Kleinsignal
HF1, HFn an. Dieses
wird in einem nachfolgenden Hochfrequenzverstärker (RFPA) 8 verstärkt
und dann über Speiseleitungen in die Antennenanordnung 10 eingespeist. In
dem dargestellten Fall handelt es sich um eine Art Birdcage-Antenne 10,
welche ein Untersuchungsvolumen U einschließt. Zur Überwachung
der Einhaltung der SAR-Grenzwerte wird in den Speiseleitungen hinter
dem RFPA 8 mit einem Richtkoppler 9R ein geringer
Teil der Hochfrequenzenergie ausgekoppelt und in einer Hochfrequenzleistungs-Kontrolleinheit 9 (hier
ein RFSWD) die Leistung überwacht. In Fällen,
in denen eine Überschreitung der zulässigen SAR
droht, wird durch RFSWD 9 die Aussendung der Hochfrequenzpulse
gestoppt oder reduziert.
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In
dem jeweiligen Signalpfad PF1, PF2, d. h. innerhalb des Hochfrequenzverstärkers 8 und
der nachfolgenden Speiseleitun gen mit dem Richtkoppler 9R,
werden die jeweiligen Hochfrequenzsignale HF1,
HFn nicht nur durch den Hochfrequenzstärker 8 verstärkt,
sondern es wird zwangsläufig auch sowohl die Amplitude
als auch die Phase aufgrund von Imperfektheiten der verwendeten
Komponenten ein wenig verändert. Daher werden die Kennlinien
KL1, KLn der jeweiligen
Signalpfade PF1, PFn bei
der Inbetriebnahme des Geräts bzw. nach einer Reparatur
mit einem Austausch wesentlicher Komponenten innerhalb eines der
Signalpfade PF1, PFn,
gemessen und in der Kennlinienkorrektur 4 innerhalb der
Steuereinrichtung 2 berücksichtigt. Die Kennlinien
KL1, KLn der einzelnen
Signalpfade PF1, PFn werden
hierzu jeweils in einer Speichereinheit 6 der Steuereinrichtung 2 des
jeweiligen Sendekanals K1, Kn hinterlegt.
Dabei kann, wie in 4 dargestellt, die Kennlinie
KL1, KLn z. B. direkt
vom Eingang des Verstärkers 8 bis kurz vor dem
Anschluss der Antennenanordnung 10 gemessen werden. Grundsätzlich
reicht es aber auch aus, wenn die Kennlinien der wesentlichen Komponenten,
beispielsweise die Kennlinien der Hochfrequenzleistungsverstärker 8,
hierzu herangezogen werden, da die weiteren Komponenten, beispielsweise
der Richtkoppler 9R, in vielen Fällen nur eine
untergeordnete Rolle bei der Verzerrung der HF-Signale spielen.
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Bei
einem solchen Magnetresonanzsystem 1 mit einem Sendekanalarray
ist es erforderlich, dass die einzelnen Kanalsteuereinheiten 2 untereinander synchronisiert
arbeiten, d. h. es muss dafür gesorgt werden, dass synchronisiert
die jeweils gewünschten Pulssequenzen in den Pulsgeneratoren 3 erzeugt werden
und mit passenden Phasen und Amplituden zueinander über
die Signalpfade PF1, PFn in
die Antennenstruktur 10 eingespeist werden.
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Hierzu
müssen von einer Pulssteuereinheit 12 oder dergleichen
die jeweiligen zu generierenden Pulsformen den Pulsgeneratoren 3 der
einzelnen Sendekanäle K1, Kn vorgegeben werden. Welche Pulse auszusenden
sind, hängt von der jeweiligen Messung ab, welche durch
ein Messprotokoll MP definiert wird, das beispielsweise von einem
Steuerrechner (Host) vorgegeben bzw. über diesen von einem
Bediener ausgewählt wird.
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Im
vorliegenden Fall erfolgt die Synchronisierung durch eine Master-Steuereinheit 11,
in der sich beispielsweise die Pulssteuereinheit 12 als
ein Modul befindet. Grundsätzlich ist es auch möglich und
bei bestimmten Ausführungsbeispielen sogar bevorzugt, dass
eine der Kanalsteuereinheiten 2 als Master (Master-PCI-TX)
dient und die anderen Kanalsteuereinheiten 2 (Slave-PCI-TX)
in einem „Slave"-Modus laufen und ihre Synchronisationsbefehle von
dieser „Master"-Kanalsteuereinheit 2 erhalten. Für
die vorliegende Erfindung ist es aber weitgehend unerheblich, ob
die Synchronisation durch eine zusätzliche Master-Steuereinheit 11 oder
durch eine der Kanalsteuereinheiten 2 erfolgt.
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In
dem in 4 dargestellten Fall sollen über beide
Sendekanäle K1, Kn jeweils
Pulse mit gleicher Pulsform ausgesendet werden, wobei lediglich
eine Amplituden- und Phasenverschiebung dahingehend erfolgen soll,
dass eine bestimmte Feldverteilung innerhalb des Untersuchungsvolumens
U der Antennenstruktur 10 erreicht werden soll. Beispielsweise soll
im konkreten Fall das über den unten dargestellten Sendekanal
Kn ausgesendete Hochfrequenzsignal HFn' eine größere Amplitude
aufweisen als das über den oben dargestellten Sendekanal
K1 ausgesendete Hochfrequenzsignal HF1'. Eine Phasenverschiebung ist in 4 nicht
dargestellt, kann aber ebenfalls erfolgen. Im Übrigen sind
die Signale HF1' und HFn'
identisch.
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Welche
Amplitudenverhältnisse und Phasenverhältnisse
die jeweiligen Signale aufweisen müssen, um eine bestimmte,
gewünschte B1-Feldverteilung im
Untersuchungsvolumen U zu erreichen, kann beispielsweise mit Hilfe
von Justagemessungen festgestellt werden, in denen gemessen wird, welche
Auswirkungen beispielsweise eine durch den Patienten im Untersuchungsvolumen
U der Antenne erzeugte Last hinsichtlich der B1-Feldverteilung
hat. In dieser Justagemessung werden dann Korrekturwerte KW ermittelt,
die beispielsweise hier der Mas ter-Steuereinheit 11 zur
Verfügung gestellt werden können. Diese berechnet
dann in einer B1-Feldverteilungs-Vorgabeeinheit 13 Feldverteilungsparameter VP1 und VPn, die den
Kanalsteuereinheiten 2 jeweils zur Verfügung gestellt
werden und welche die Vorgaben für die relativen Phasen
und relativen Amplituden der über die jeweiligen Sendekanäle
K1, Kn auszusendenden
Hochfrequenzpulse HF1', HFn'
(unabhängig von der durch die Pulssteuereinheit 12 vorgegebenen
Form) machen. Die Feldverteilungsparameter VP1,
VPn werden innerhalb der Kanalsteuereinheiten 2 jeweils
einer Kennlinienermittlungseinheit 5 zugeführt.
Diese Kennlinienermittlungseinheit 5 weist eine Kennlinien-Berechnungseinheit 5B auf,
welche auf Basis der bereits für die jeweiligen Signalpfade
PF1, PFn des betreffenden
Sendekanals K1, Kn ermittelten Kennlinien
KL1, KLn und auf
Basis der Feldverteilungsparameter VP1,
VPn eine geeignete Korrekturkennlinie KK1, KKn ermittelt,
die dann der Kennlinienkorrektureinheit 4 zur Verfügung
gestellt wird. Dies geschieht in der Regel vor der Messung und gilt
dann für die gesamte weitere Messung.
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Alternativ
können auch für bestimmte Untersuchungssituationen
bzw. für bestimmte Feldverteilungsparameter VP1,
VPn, welche ja in gewisser Weise die Untersuchungssituation
repräsentieren, fertige Kennlinien KK1,i,
KKn,i zuvor berechnet und in einem Speicher 6 hinterlegt
worden sein, wobei diese individuellen Korrekturkennlinien KK1,i, KKn,i jeweils
schon die durch den Signalpfad PF1, PFn vorgegebene, bei der Korrektur ebenfalls
zu berücksichtigende Kennlinie KL1,
KLn enthalten.
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Es
kann dann beispielsweise von einer Kennlinienauswahleinheit 5A der
Kennlinienermittlungseinheit 5 auf Basis der empfangenen
Feldverteilungsparameter VP1, VPn einfach die passende fertige Korrekturkennlinie
KK1,i, KKn,i ausgewählt
werden und diese als aktuelle Korrekturkennlinie KK1, KKn der Kennlinienkorrektureinheit 4 zur
Verfügung gestellt werden.
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Es
wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass es auch ausreicht, anstatt in jeder Sendekanalsteuerein heit 2 eine
eigene Kennlinienermittlungseinheit einzurichten, eine zentrale
Kennlinienermittlungseinrichtung in einer Master-Steuereinheit bzw.
in einer als Master dienenden Kanalsteuereinheit oder in einem Host-Rechner
oder dergleichen zur Verfügung zu stellen, welche jeweils
vor der Messung die Kennlinien für die einzelnen Kennlinienkorrektureinheiten 4 der
verschiedenen Sendekanäle K1, Kn berechnet und diese dann an die Kanalsteuereinheiten 2 übergibt.
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Wie
bereits erwähnt, ist die Wirkung dieses Verfahrens in 4 nur
anhand der Amplituden dargestellt. So sehen hier die digitalen Signale
DS1, DSn hinter
dem Pulsgenerator 3 noch identisch aus. Da aber letztlich
die Hochfrequenzsignale HF1', HFn', welche in die Antennenstruktur 10 eingespeist
werden sollen, unterschiedliche Amplituden aufweisen sollen, werden
die digitalen Signale DS1, DSn in
der Kennlinienkorrektureinheit 4 nicht nur zur Kompensation
der physikalischen Kennlinien KL1, KLn der jeweiligen Signalpfade PF1,
PFn vorverzerrt, sondern auch mit einer
unterschiedlichen Amplitude verstärkt, so dass hinter der
Kennlinienkorrektur bereits unterschiedliche digitale Signale DS1', DSn' vorliegen.
Dies führt nach dem Mischen in den Modulatoren 7 zu
entsprechend unterschiedlichen Kleinsignalen HF1,
HFn, so dass nach der Verstärkung
durch die Hochfrequenzverstärker 8 die gewünschten
Hochfrequenzsignale HF1', HFn'
mit unterschiedlichen Amplituden vorliegen.
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Die 5a und 5b zeigen
Diagramme für ein Beispiel einer solchen Kennlinienanpassung bezüglich
der Phasen. Aufgetragen ist dabei die Phase Φ über
einer gemessenen Spannung (in Volt). In 5 sind
die acht Original-Hochfrequenzkennlinien eines 8-Kanal-Sendearrays
dargestellt, die relativ nahe beieinander liegen. 5b zeigt
die Kennlinien nach einer möglichen Modifikation. Die ursprünglichen
Kennlinien aus 5a sind in 5b noch
einmal als mittlere gestrichelten Linien zum Vergleich dargestellt.
Die durchgezogenen Linien sind jeweils die Phasen der acht HF-Kennlinien
L1 bis L8 nach der Modifizierung,
wobei die Modifizierung hier so erfolgt, dass eine homogene Anregung
innerhalb eines Untersuchungsvolumens U einer Birdcage-Antennenanordnung
erreicht wird. Eine solch homogene Anregung wird auch als CP-Mode
(Circular Phase) bezeichnet. Dies entspricht einem Phasenunterschied der
acht Kanäle von jeweils 360°/8 = 45°.
Eine solche – wie in 5 dargestellte – Phasenveränderung
der Signale kann hier erfindungsgemäß innerhalb
der Kennlinienkorrektureinheit 4 erfolgen. Da mit diesem Verfahren
mit Hilfe der Kennlinienkorrektureinheit 4 auf einfache
Weise die Ansteuerparameter der Kanäle beliebig eingestellt
werden können, sind auch andere optimierte Anregungen möglich.
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So
ist z. B. eine bereits eingangs genannte optimierte homogene Anregung
möglich, bei der die oben anhand von 5 erläuterte übliche
CP-Anregung in Abhängigkeit von bestimmten patientenabhängigen
Parametern modifiziert wird, um eine noch bessere Homogenität
zu erreichen.
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Eine
weitere Möglichkeit ist die Einstellung eines SAR-optimierten
Modes. Dabei werden die Parameter für die Kennlinien so
gewählt, dass die im Patienten absorbierte Leistung minimiert
wird. Die Parameter sind dabei im Allgemeinen abhängig
vom Patienten und der Untersuchungsregion und müssen vor
der eigentlichen Messung ermittelt bzw. berechnet werden.
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Um
beispielsweise einen sog. Gradientenmode (auch „Mode +2"
genannt) einzustellen, muss nur dafür gesorgt werden, dass
zwischen den acht Kanälen jeweils eine Phasendifferenz
von 90° eingestellt wird. Damit wird ein Hochfrequenzfeld
erzeugt, das im Zentrum des Untersuchungsvolumens eine Nullstelle
hat und nach außen hin zunimmt.
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Ebenso
denkbar ist eine spezielle Einstellung zur Erzielung einer lokal
begrenzten Anregung. Wenn beispielsweise ein bestimmter Körperteil,
z. B. eine Schulter, untersucht werden soll, kann die Ansteuerung
der einzelnen Sendekanäle so erfolgen, dass nur die Volumenelemente
im Bereich der Schulter senden, da nur dort ein Hochfrequenzsignal
benötigt wird.
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Dies
kann auf einfache Weise realisiert werden, indem die Kennlinienkorrektureinheiten 4 so
eingestellt werden, dass die Amplitude der digitalen Signale DS1, DSn auf den Kanälen,
die nicht senden sollen, auf Null gesetzt wird. Der Vorteil einer
solchen lokalen Anregung liegt auf der Hand, da weniger nicht benötigte
Leistung in den Patienten eingestrahlt wird und somit die SAR reduziert
werden kann.
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Es
wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass
es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren
sowie bei dem dargestellten Magnetresonanzsystem lediglich um Ausführungsbeispiele
handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert
werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10124465
A1 [0009, 0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Parallel
RF Transmission With Fight Channels at 3 Tesla" von K. Setsompop
et al. in „Magnetic Resonance and Medicine 56: 1163 bis
1171 (2006)" [0025]