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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines
Kernspinresonanzsignals in eine Empfangsantenne mit drei voneinander entkoppelten
resonanten Spulenanordnungen, die einen Abbildungsbereich besitzt.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein medizinisches Interventionsinstrument, das mit einer Vorrichtung
zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals in eine
Empfangsantenne verbunden ist.
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Eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
US-PS 4,680,549 bekannt. Darin ist
ausgeführt,
daß ein
Kernspinresonanzsignal aus einem beschränkten Bereich eines abzubildenden
Untersuchungsobjekts deutlich erhöht werden kann, wenn man in
unmittelbarer Nähe
des Bereiches einen gesonderten Spulensatz anordnet. Der Spulensatz kann
mehrere resonante Spulenanordnungen umfassen. Der gesonderte Spulensatz
hat keine elektrische Verbindung zum restlichen Gerät. Die präzedierende
Kernmagnetisierung induziert dann in der resonanten Spulenanordnung
einen Strom, der wiederum in einer Empfangsantenne ein zusätzliches
Signal induziert, das wesentlich größer ist, als das direkt von
der präzedierenden
Kernmagnetisierung in der Empfangsantenne induzierte. Das Signal-Rauschverhältnis in
dem Bereich des Bildes, das dem von der Induktionsspule erfaßten Gebiet
entspricht, verbessert sich beträchtlich.
Um beim Senden mit einer separaten Sendeantenne, d. h. beim Anregen
der Kernspinresonanz, das Anregefeld nicht lokal zu verändern, ist
mit der resonanten Empfangsspulenanordnung eine Verstimmeinrichtung
in Form von zwei antiparallel geschalteten Dioden verbunden.
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Die
Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses des induktiv gekoppelten,
signalverstärkenden
Resonanzkreises oder der resonanten Spulenanordnung hängt von
der Güte
und vom Winkel des Abbildungsbereiches der resonanten Spulenanordnung
mit dem magnetischen Grundfeld ab. Stehen beide parallel zueinander,
ergibt sich keine Verbesserung. Dies ist von Nachteil, wenn z. B.
eine resonante Spulenanordnung an einer Oberfläche des abzubildenden Objekts
angebracht werden soll, wo die Oberfläche nur eine Ausrichtung des
Abbildungsbereiches der resonanten Spulenanordnung parallel zum
Grundmagnetfeld zuläßt.
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Nun
sind andererseits zirkular polarisierende Antennenanordnungen bekannt,
die zwei senkrecht zueinander angeordnete Teilantennenanordnungen umfassen.
Sie besitzen damit auch senkrecht zueinander angeordnete Antennencharakteristiken,
die ihrerseits wiederum senkrecht zum Grundmagnetfeld ausgerichtet
sein müssen.
Beispielsweise umfaßt eine
aus der US-PS 5,602,557 bekannte zirkular polarisierende Antennenanordnung
zwei senkrecht zueinander angeordnete Teilantennenanordnungen, wobei
jede Teilantennenanordnung zwei gegenüberliegend angeordnete sattelförmige Antennenleiter aufweist.
Der Abbildungsbereich befindet sich zwischen den sattelförmigen Antennenleitern.
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Die
US-PS 5,198,768 offenbart ein Antennenarray mit Dipol- und Quadrupolantennen.
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Aus
der
DE 34 29 386 A ist
eine kleine Antenne für
ein Kernspintomographiegerät
bekannt, die über
Kanäle
direkt in Körperorgane,
z.B. ins Gehirn, in die Leber oder in die Niere, eingeführt werden kann.
Sie ist an einem Ende eines dünnen
Kunststoffträgers
aufgebracht.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur induktiven
Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals anzugeben, wobei der signalverstärkende Effekt
unabhängig
von der Ausrichtung der Vorrichtung im Grundmagnetfeld ist.
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Der
Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Interventionsinstrument
anzugeben, das unabhängig
von seiner Ausrichtung mit Hilfe der Kernspinrsonanztechnik gut
lokalisierbar ist.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernresonanzsignals
mit drei voneinander entkoppelten resonanten Spulenanordnungen,
deren Abbildungsbereiche senkrecht aufeinander stehen und sich zumindest
teilweise überlappen.
Hierdurch wird unabhängig
von der Ausrichtung der Vorrichtung stets ein verstärktes Signal
von der Vorrichtung in die Empfangsantenne eingekoppelt. Idealerweise
ist dieses Signal sogar noch größer als
das einer senkrecht zum Grundmagnetfeld induktiv gekoppelten resonanten
Einzelspulenanordnung, weil nun stets die zirkulare Polarisation
der Kernmagnetisierung ausgenutzt wird.
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Im
einfachsten Fall kann ein Triplett aus resonanten Dipol- oder Ringspulen
zur Anwendung gelangen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Spulen
um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind und ihre Symmetrieachsen senkrecht
zueinander stehen. Ausschließlich über die
geometrische Anordnung ist damit erreicht, daß die Spulenanordnungen voneinder
entkoppelt sind.
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Ist
daran gedacht, eine Anordnung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals
in einer Empfangsantenne auf einer Oberfläche eines abzubildenden Objekts
zu applizieren, wäre
bei der ausschließlichen
Verwendung von resonanten Dipolspulen mit einer schlechten Ankopplung
der von der Oberfläche
wegstehenden Dipolspulen an das Objekt und damit nur mit einer geringen
Signalverstärkung
zu rechnen. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt die Anordnung zur induktiven
Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals mindestens eine resonante
Quadrupolspule, z. B. in Form einer Schmetterlingsspule oder achtförmigen Spule. Wegen
des mit zunehmendem Abstand rasch abklingenden Quadrupolfeldes der
Schmetterlingsspule würde
bei größerem Abstand
zur Empfangsantenne jedoch keine bemerkenswerte Signalverstärkung erzielt.
Daher ist mit der resonanten Quadrupolspule eine senkrecht dazu
angeordnete resonante Dipolspule gekoppelt. Das magnetische Quadrupolfeld
der Schmetterlingsspule durchströmt
dann die weitere resonante Dipolspule und induziert hierin einen Strom,
dessen Magnetfeld dann die induktive Kopplung der Quadrupolspule
an die Empfangsantenne vermittelt.
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Bei
magnetresonanztomographisch geführten
Eingriffen besteht oft der Wunsch, die Lage eines Interventionsinstruments,
z. B. einer Biopsieanordnung, eines Endoskops oder auch eines Zeigers,
mit dem auf eine abzubildende Stelle am Untersuchungsobjekt gedeutet
wird, in einem Tomogramm anzuzeigen. Auch ist es oft von Vorteil,
wenn mit dem Interventionsinstrument direkt am Ort des Instrumentes
endoskopische Kernresonanzbilder angefertigt werden können. In
jedem Fall ist es wichtig, daß diese
Anzeige unabhängig
von der Ausrichtung des interventionellen Instruments ist.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, an einen invasiven Teil
eines medizinischen Interventionsinstruments eine Vorrichtung zur
induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals anzuordnen,
die drei orthogonale und sich zumindest teilweise überlappende
Abbildungsbereiche besitzt.
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So
wird bei einer wichtigen Anwendung die Vorrichtung zur induktiven
Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals an einen Katheter oder
an ein Inverventionsinstrument befestigt und erlaubt so die Verfolgung
(Lokalisation und Navigation) des Instruments im Körper mit
Hilfe der Kernspinresonanztechnik. Als sichtbare Markierung des
Orts in der Anwendung mit einem Katheter kann entweder durch die Vorrichtung
strömendes
Blut dienen oder auch eine in die Markierungsspulen eingebrachte
Probe mit Protonen, z.B. paramagnetisch dotierten Wassers. Dabei
kann mit einer im Vergleich zur Bildgebung verminderten Sendeleistung
gearbeitet werden, weil das von einer Sendeantenne abgestrahlte
Anregungsfeld durch die resonanten Spulenanordnungen verstärkt wird.
Weil die verminderte Sendeleistung nun nicht ausreicht, das Untersuchungsobjekt
zur Kernresonanz anzuregen, tritt als Empfangssignal nur das induktiv
in die Empfangsspule eingekoppelte Signal der Markierungsspulen
in Erscheinung. Aus drei in orthogonalen magnetischen Gradientenfeldern
aufgenommenen Empfangssignalen kann man die Position der Markierungsspulen
ableiten und z.B. in ein zuvor aufgenommenes Bild eintragen. Das
Signal der Markierungsspulen kann jedoch auch zur Abbildung des
die Markierunsspulen umgebenden Bereichs genutzt werden.
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Soll
gleichzeitig beim Tracking und Navigieren des Instruments eine Bildgebung
mit der normalen Empfangsspule erfolgen, sind gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die resonanten Spulenanordnungen
jeweils mit einer Verstimmeinrichtung verbunden. Die Verstimmeinrichtungen
verstimmen die ansonsten resonanten Spulenanordnungen bei aktivierter
Sendeantenne, wodurch das Sendefeld im Bereich der resonanten Spulenanordnungen nicht
verstärkt
wird. Deshalb kann mit der normalen Sendeleistung gearbeitet werden,
und in der Empfangsspule überlagern
sich dann das aus dem Untersuchungsobjekt stammende Kernresonanzsignal, das
zur Bildgebung verwendet wird und das von den resonanten, am Interventionsinstrument
angebrachten, Spulen herrührende,
was im Bild zu einer signalverstärkten
Darstellung des Abbildungsbereiches der am Interventionsinstrument
angebrachten Spulen führt.
Würden
hingegen diese Spulen nicht mit einer Verstimmungsvorrichtung versehen
sein, wäre
beim Senden die Sendefeldstärke
zu groß,
so daß die Kernmagnetisierung
nicht im optimalen Winkel aus der Gleichgewichtslage gekippt wird,
also nur ein ungenügendes
Signal liefern würde.
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Sofern
die Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals
als Lokalisationshilfe eines Interventionsinstruments oder ähnliches
eingesetzt wird, ist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung im gemeinsamen Abbildungsbereich
der Empfangsspulenanordnungen eine als Markierung dienende Probe
mit Kernspinresonanzsignal liefernder Materie angeordnet.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1 in einer schematischen
perspektivischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung
zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals in einer
Empfangsantenne mit einem Triplett von drei orthogonalen resonanten
Dipolspulen mit gemeinsamen Zentrum,
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2 in einer schematischen
Darstellung eine resonante Quadrupolspule, die mit einer resonanten
Dipolspule gekoppelt ist,
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3 in einer schematischen
Darstellung eine weitere Ausführungsform
einer Vorrichtung zur induktiven Ein kopplung eines Kernspinresonanzsignals
mit einer resonanten Dipolspule und zwei orthogonalen resonanten
Quadrupolspulenmit dazugehörigen
Dipolspulen und
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4 in einer schematischen
Darstellung eine dritte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals
mit einer resonanten Dipolspule und zwei auf einer Zylindermantelfläche orthogonal
zueinander angeordneten resonanten.
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Die
in 1 dargestellte erste
Ausführungsform
der Vorrichtung zur induktiven Ankopplung eines Kernspinresonanzsignals
ist z. B. als Lokalantenne in einem diagnostischen Magnetresonanzgerät in einer
beliebigen Ausrichtung bezüglich
des Grundmagnetfeldes einsetzbar. Dabei besitzt die Vorrichtung
keine galvanische Verbindung zum Empfangsteil des Magnetresonanzgerätes, die
Signalübertragung
erfolgt mittels magnetischer Kopplung zur im Magnetresonanzgerät eingebauten
Empfangsantenne. Durch die induktiv gekoppelte Lokalantenne wird der
lokale Signalbeitrag in der Empfangsspule um einen Faktor verstärkt, der
etwa der Güte
der Lokalantenne entspricht.
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Die
Vorrichtung besteht aus einem Triplett von resonanten Dipol- oder
Ringspulen 2, 4, 6, die senkrecht zueinander
angeordnet sind. Die Dipolspulen 2, 4, 6 sind
jeweils mit Hilfe eines eingefügten Kondensators 8 bzw. 10 bzw. 12 auf
die Arbeitsfrequenz des Magnetresonanzgerätes, beispielsweise der Protonenresonanzfrequenz,
abgestimmt. Die resonanten Spulenanordnungen besitzen hier gleiche rechteckige
Geometrie. Sie sind zentrisch-symmetrisch zueinander angeordnet
und stehen mit ihren Spulenachsen und damit mit ihren Hauptabbildungsbereichen
oder -empindlichkeitsbereichen senkrecht aufeinander. Parallel zu
den Kondensatoren 8, 10, 12 ist jeweils
eine Verstimmeinrichtung 14 bzw. 16 bzw. 18 geschaltet.
Die Verstimmeinrichtungen 14, 16, 18 bestehen
jeweils aus zwei antiparallel geschalteten Dioden 20. Die
Anregung der Kerne erfolgt mit Hilfe einer hier nicht dargestellten
Empfangsantenne, wobei die resonanten Empfangsspulenanordnungen 2, 4, 6 über die
Verstimmeinrichtungen 14, 16, 20 automatisch
verstimmt werden. Im Sendefall schalten die Dioden 20 die
Kondensatoren 8, 10, 12 kurz, sobald ihre
Durchlaßspannung
erreicht ist. Damit ist die Resonanzbedingung nicht mehr erfüllt. Die
resonanten Spulenanordnungen 2, 4, 6 sind
im Sendefall wirkungslos. Im Empfangsfall werden wesentlich kleinere
Spannungen als die Durchlaßspannung
in den Spulenanordnungen 2, 4, 6 induziert.
Die Dioden 20 bleiben im Empfangsfall im Sperrzustand,
die Kondensatoren 8, 10, 12 sind wirksam
und die Spulenanordnungen 2, 4, 6 befinden
sich in Resonanz.
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Wenn
die Anordnung zur induktiven Einkopplung auch im Sendefall aktiv
sein soll, entfallen in der Anordnung die parallel zu den Kondensatoren 8, 10, 12 geschalteten
Verstimmeinrichtungen 14, 16, 18. Dann
tritt im Abbildungsbereich der resonanten Spulenanordnungen 2, 4, 6 ein
verstärktes
Anregefeld auf. Um einen vorgegebenen Flipwinkel der Kernmagnetisierung
zu bewirken, kann dann die Sendeleistung entsprechend der Signalverstärkungswirkung
reduziert werden.
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Wird
die resonante Spulenanordnung 2 auf die Oberfläche des
Objekts gelegt, dann ist bei den Signalkomponenten, die von den
von der Oberfläche wegstehenden
resonanten Spulenanordnungen 4 und 6 empfangen
werden, eine im Vergleich zur resonanten Spulenanordnung 2 geringere
Signalverstärkung
zu erwarten. In diesem Fall kann die Signalverstärkung verbessert werden, wenn
anstatt der resonanten Dipolspulen 4 und 6 jeweils
eine resonante Quadrupolspule 22 in Form einer Schmetterlingsspule
eingesetzt wird, wie in 2 dargestellt.
Die Quadrupolspule 22 besitzt eine Feldcharakteristik,
die der von zwei gegenläufig
orientierten Dipol- oder Ringspulen entspricht. Der Abbildungsbereich
der Quadrupolspule 22 befindet sich hier unterhalb der
gekreuzten Mittelleiter 23 und ist senkrecht dazu ausgerichtet,
was durch einen Doppelpfeil 24 symbolisiert ist.
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Da
allgemein das Quadrupolfeld mit zunehmendem Abstand stark abfällt, und
damit die induktive Kopplung zur Empfangsantenne entsprechend schwach
ist, ist senkrecht zur Quadrupolspule 22 in einer Ebene,
worin die Mittelleiter 23 angeordnet sind, eine resonante
Dipolspule 26 vorgesehen. Die Dipolspule 26 ist
mit der Quadrupolspule 22 magnetisch stark gekoppelt. Die
Dipolspule 26 vermittelt über die induktive Kopplung
mit der Quadrupolspule 22 die Signale besser zur Empfangsantenne
als die Quadrupolspule 22 alleine. Zur Abstimmung auf die Resonanzfrequenz
sind sowohl in der Quadrupolspule 22 wie auch in der Dipolspule 26 jeweils
ein Kondensator 28 bzw. 30 eingefügt. Auch
hier sind die Kondensatoren 28, 30 mit einer Verstimmeinrichtung 32 bzw. 34 parallel
geschaltet.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei
eine resonante Dipolspule 2 und zwei senkrecht zueinander
angeordnete resonante Quadrupolspulenanordnungen 22 und 22A verwendet
werden. Der Aufbau der Quadrupolspulen 22, 22A ist
vorstehend anhand von 2 beschrieben.
Die Auskopplung des Quadrupolsignals und Übermittlung an die Empfangsantenne
erfolgt über
die Dipolspulen 26 und 26A. Resonanzkondensatoren
und Verstimmeinrichtungen sind aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht
eingezeichnet. Die Dipolantenne 2 besitzt einen Abbildungsbereich 36,
der axial bezüglich
der Leiterschleife ausgerichtet ist. Die Quadrupolspulenanordnungen 22 und 22A besitzen
senkrecht zueinander ausgerichtete Abbildungsbereiche 24 bzw. 24A,
die ihrerseits senkrecht zum Abbildungsbereich 36 ausgerichtet
sind.
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4 zeigt nun eine vierte
Ausführungsform der
Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals.
Diese Ausführungsform
ist an der Spitze eines Katheters 40 zum Lokalisieren und
Navigieren unter Ausnutzung der kernmagnetischen Resonanz angeordnet.
Auch hier werden drei resonante Spulenanordnungen verwendet, deren Abbildungsbereiche
sich überlappen
und senkrecht aufeinander stehen. Auf einem zylindrischen Träger 42 ist
zunächst
eine resonante Solenoid spule 44 angeordnet, deren Empfindlichkeitsbereich
axial zum zylindrischen Träger
ausgerichtet ist. Die Solenoidspule 44 ist eine Ausführungsform
einer Dipolspule und umfaßt
mehrere Windungen. Ein Resonanzkondensator ebenso wie eine Verstimmeinrichtung
sind zwar vorhanden, hier jedoch nicht dargestellt. Eine zweite
resonante Spulenanordnung besteht aus zwei resonanten Sattelspulen 46.
Die Sattelspulen 46 sind gleich gestaltet und auf der Oberfläche des
zylindrischen Trägers 42 gegenüberliegend
angeordnet. Von den Leitern der Sattelspule 46 sind in 5 nur die vorderen Bereiche sichtbar,
sie erstrecken sich auf die rückwärtige Seite
des Katheters 40 symmetrisch zur Vorderseite fort. Eine
dritte resonante Spulenanordnung umfaßt ebenfalls zwei auf dem zylindrischen
Träger
gegenüberliegend
angeordnete Sattelspulen 48, die gleich wie die Sattelspulen 46 aufgebaut,
jedoch um 90° dazu
verdreht angeordnet sind. Auch bei den Sattelspulen 46, 48 ist
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
auf die Darstellung von Resonanzkondensatoren und Verstimmeinrichtungen verzichtet
worden.
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Wenn
der Katheter 40 mit der Vorrichtung zur Signalverstärkung über Blutgefäße in den
Körper
eingebracht wird, kann als bildgebende Substanz im Magnetresonanztomogramm
das durch die Gefäße strömende Blut
verwendet werden. Da sich die Abbildungsbereiche der resonanten
Spulenanordnungen 44, 46, 48 innerhalb
des zylindrischen Trägers 42 befinden,
müssen Öffnungen
im Träger 42 vorhanden sein,
wodurch das Blut in den Innenraum strömen kann. Alternativ kann die
an der Katheterspitze fixierte Vorrichtung zur induktiven Einkopplung
auch geschlossen ausgestaltet sein, dann ist innerhalb der Vorrichtung
eine Probe 50 mit Kernspinresonanzsignal liefernder Materie
im Zentrum des zylindrischen Trägers 42 angeordnet.
Die Probe 50 ist beispielsweise in Form einer mit Wasser
gefüllten
Kapsel ausgeführt,
wobei das Wasser zusätzlich
mit einem paramagnetischen Salz dotiert ist.
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Die
Probe 50 wird im Magnetresonanztomogramm als Markierung
abgebildet und erlaubt eine Lokalisierung der Spitze des Katheters 40 oder
allgemein eines Interventionsinstruments. Es ist jedoch auch möglich, mit
einer einfachen Sequenz, bei der nur drei aufeinander senkrechte
Gradientenfelder verwendet, lediglich die Probe 50 ohne
Abbildung der Umgebung zu lokalisieren. Das Lokalisierungsergebnis
wird dann verwendet, eine Marke in schon erstellten Abbildungen
des Objekts einzutragen.