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ortega
Anmeldungsdatum: 04.08.2009
Beiträge: 7
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 ortega Verfasst am: 29. Jul 2011 18:07 Titel: MRT - Pulsexperiment und Inversion Recovery |
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Hallo,
1. Warum bringt ein 90° Flip RF-Puls, wenn man sich ein Ensemble aus einigen Spins anschaut, die Spins in Phase, der anschließende doppelt solange oder doppelt so starke 180° RF-Puls aber nicht, sondern verändert nur die Phase bzw. dreht die Transversalen Komponenten der Spins um 180 Grad?
Vermutung: 180° Flip ist anders, als der 90° Flip. Müsste irgendwas mit der Phase der Anregungspulse oder so zu tun haben. Das würde aber dem widersprechen, dass man nur die Länge oder die Höhe des RF-Pulses variieren müsste, um einen bestimmten Flipwinkel zu erreichen.
2. Wieso ist der Flipwinkel  unabhängig von den Relaxationszeiten?
Vermutung: Die Anregung für die Kippung der Magnetisierung ist so kurz, dass die Relaxationszeiten keine Rolle spielen.
3. Inversion Recovery: Inversion Recovery z.B. zur Unterdrückung des Fett-Signals besteht darin VOR dem eigentlichen Hahn-Echo-Experiment noch einen 180°Puls durchzuführen und dann zu warten bis die longitudinale Fett-Magnetisierung aufgrund einer schnelleren T1-Relaxation gerade einen Nulldurchgang hat und DANN den 90° Puls zu senden. Da Wasser eine langsamere Longitudinale Relaxationszeit aufweist ist es beim Nulldurchgang der Fettmagnetisierung noch negativ...
Frage: WARUM kann jetzt ein 90° Puls auch die negative Magnetisierung, die ja durch einen Überschuss an Down-Spins verursacht wird in die Transversalebene kippen? Sollte hier nicht ein 90° Puls eigentlich die bereits negative Longitudinalmagnetisierung nicht noch weiter Richtung -180° kippen?
Vermutung: der 90° Puls bei der Inversion Recovery ist anders als beim normalen Hahn-Echo Experiment oder verändert nur die Phase der Spins...
4. Zur Kalibration der Apparatur und Feststellung der Länge für den 90° Puls heisst es, macht man zuerst einen 360° Puls und misst gleichzeitig die Magnetisierung. Mit Hilfe der Nullstellen finde ich dann die Dauer, die für einen 90° Puls nötig ist. Frage. Wie kann ich denn die Longitudinalmagnetisierung um 360° Kippen, wenn ich doch durch das RF-Signal die Spins nur anregen kann sich antiparallel zum Magnetfeld auszurichten?
Vermutung: Hab ich bisher gar keine Idee oder meine Vorstellung der Vorgänge ist nicht korrekt...
Kann mir jemand helfen diese scheinbaren Widersprüche aufzuklären (v.a. Warum Flip um 90° Phasenkohärenz herstellt und um 180° nicht!)
DANKE! |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 30. Jul 2011 02:05 Titel: Re: MRT - Pulsexperiment und Inversion Recovery |
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Das Bild mit der Bloch-Kugel, in der die Magnetisierung der Spins in Form von Pfeilen dargestellt wird, kennst du schon?
| ortega hat Folgendes geschrieben: |
1. Warum bringt ein 90° Flip RF-Puls, wenn man sich ein Ensemble aus einigen Spins anschaut, die Spins in Phase,
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Er bringt sie nicht in Phase, sondern er lässt sie in Phase. Denn am Anfang ist die Magnetisierung, die man durch das starke Hintergrund-Magnetfeld B_0, (das die ganze Zeit anliegt, in vertikale Richtung zeigt und später auch für die Präzessionsgeschwindigkeit der Spins in der horizontalen Ebene massgeblich ist), erzeugt hat, nach oben gerichtet, das ist der Pfeil, der am Anfang nach oben zeigt.
Wenn man den Pfeil dann mit einem 90°-rf-Puls in die horizontale Ebene herunterklappt, (dazu ist nicht die Stärke von B_0, sondern die Stärke und Dauer des rf-Pulses entscheidend, im mitrotierenden Bezugssystem stellt man das gerne in Form eines Magnetfeldes B_1 in horizontaler Richtung dar.), dann zeigt der gesamte Pfeil nicht mehr nach oben, sondern nunmehr horizontal. Da hat noch nix Zeit gehabt, zu relaxieren, weder durch T_1-Relaxation (Spins fallen wieder zurück in ihren Ausgangszustand, der nach oben zeigt) noch durch T_2-Relaxation (dephasieren der in der horizontalen Ebene mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit kreiselnden Spins).
Dieser erste 90°-Puls klappt den Spinpfeil also um eine horizontale Drehachse herunter.
| Zitat: |
der anschließende doppelt solange oder doppelt so starke 180° RF-Puls aber nicht, sondern verändert nur die Phase bzw. dreht die Transversalen Komponenten der Spins um 180 Grad?
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Dieser anschließende 180°-Puls (einfach gesagt: selbe rf-Intensität, aber doppelte Pulsdauer wie der 90°-Puls) klappt die Spins, die nun in der horizontalen Ebene liegen, um 180°. Damit landen sie also wieder in derselben horizontalen Ebene. Die schnellsten Kreisler sind danach also nicht mehr vor den anderen Spins, sondern laufen ihnen hinterher. Deshalb kann man so einen 180°-Puls dazu verwenden, um die durch T_2-relaxation auseinandergelaufenen Spins wieder zu refokussieren und zusammenzubringen.
| Zitat: |
2. Wieso ist der Flipwinkel unabhängig von den Relaxationszeiten?
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Ich würde in dieser Formel lieber B_1 statt B_0 schreiben, das ist die üblichere Bezeichnung.
| Zitat: |
Vermutung: Die Anregung für die Kippung der Magnetisierung ist so kurz, dass die Relaxationszeiten keine Rolle spielen.
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Einverstanden 
| Zitat: |
3. Inversion Recovery: Inversion Recovery z.B. zur Unterdrückung des Fett-Signals besteht darin VOR dem eigentlichen Hahn-Echo-Experiment noch einen 180°Puls durchzuführen und dann zu warten bis die longitudinale Fett-Magnetisierung aufgrund einer schnelleren T1-Relaxation gerade einen Nulldurchgang hat und DANN den 90° Puls zu senden. Da Wasser eine langsamere Longitudinale Relaxationszeit aufweist ist es beim Nulldurchgang der Fettmagnetisierung noch negativ...
Frage: WARUM kann jetzt ein 90° Puls auch die negative Magnetisierung, die ja durch einen Überschuss an Down-Spins verursacht wird in die Transversalebene kippen? Sollte hier nicht ein 90° Puls eigentlich die bereits negative Longitudinalmagnetisierung nicht noch weiter Richtung -180° kippen?
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Hast du da den zeitlichen Ablauf der Pulse und der jeweiligen Pfeilrichtungen gut vor Augen? Vielleicht hilft da schon ein schneller Blick auf entsprechende Diagramme am einfachsten weiter, um ein eventuelles Missverständnis zu identifieren und zu beheben. Magst du dazu zum Beispiel mal in das Bild "IR Magnetization Diagram" ganz unten in folgenden Link schauen?
http://www.mritutor.org/mritutor/invers.htm
Sind damit die Richtungen, in die die Pfeile jeweils geklappt werden, direkter verständlich als bisher?
| Zitat: |
4. Zur Kalibration der Apparatur und Feststellung der Länge für den 90° Puls heisst es, macht man zuerst einen 360° Puls und misst gleichzeitig die Magnetisierung. Mit Hilfe der Nullstellen finde ich dann die Dauer, die für einen 90° Puls nötig ist. Frage. Wie kann ich denn die Longitudinalmagnetisierung um 360° Kippen, wenn ich doch durch das RF-Signal die Spins nur anregen kann sich antiparallel zum Magnetfeld auszurichten?
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So ein 360°-Puls ist einfach so wie ein 90°-Puls, nur 4mal so lang. Bei einem 90°-Puls wird der (anfänglich nach oben zeigende) Spinpfeil um 90° um eine horizontale Achse gedreht und landet in der Horizontalen.
Bei einem 180°-Puls dreht er sich um 180°, landet also unten. Und bei einem 360°-Puls wird der Spinpfeil eben um 360° gedreht, landet also wieder genau oben, wo er vor dem Puls auch war.
Hilft das schon ein bisschen, um manche Missverständnisse zu beseitigen, und vielleicht sogar, um in den Büchern und Quellen, mit denen du arbeitest, gezielter die einfachen Darstellungen zu finden, die fürs anschauliche Verstehen der Abläufe am hilfreichsten sind? |
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ortega
Anmeldungsdatum: 04.08.2009
Beiträge: 7
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| ortega Verfasst am: 31. Jul 2011 01:05 Titel: |
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Hey Markus,
danke erstmal für die ausführliche Antwort!
Ich habe wohl aber immernoch einige Prinzipien nicht genau verstanden:
Mit der Bezeichnung hast Du recht.
Im Folgenden ist  das starke statische Feld und  das eingestrahlte transversale resonante Hochfrequenzfeld zur Spinanregung.
| Zitat: | | Das Bild mit der Bloch-Kugel, in der die Magnetisierung der Spins in Form von Pfeilen dargestellt wird, kennst du schon? |
Blochkugel und Magnetisierungsvektor, welcher aus den Bloch-Gleichungen herrührt kenne ich. Sie gelten für den Gesamtmagnetisierungsvektor einer Probe.
| Zitat: | | Er bringt sie nicht in Phase, sondern er lässt sie in Phase |
In den Scripten und Materialien (s.u.) steht, dass die Spins in der Transversalebene in Phase sein müssen, damit man netto eine transversale Magnetisierung messen kann. Das ist doch auch das Prinzip, der T2-Relaxation: Die Phasengleichheit wird aufgelöst.
Wie kann ich mir das Anhand der Spins vorstellen? Was ist denn genau phasengleich?
| Zitat: | | Dieser anschließende 180°-Puls (einfach gesagt: selbe rf-Intensität, aber doppelte Pulsdauer wie der 90°-Puls) klappt die Spins, die nun in der horizontalen Ebene liegen, um 180° |
Mit Anregung dachte ich immer, geht es darum, dass man die Kernspins vom niedrigen Energieniveau (parallel zu ) in das höhere Energieniveau hebt und bei einem Flip von 180° eine Sättigung der antiparallelen Spins eingetreten ist. Ist diese Vorstellung richtig?
Alternativ, wenn ich mir im resonant drehenden Koordinatensystem das B_0 Feld praktisch ausgeblendet denke und die Spins somit nur das transversale wegen der Resonanzfrequenz für sie scheinbar stationäre Feld spüren, kippen sie in diesem System in die transversalebene, da sie ja senkrecht zu einem B-Feld präzedieren (Im resonant rotierenden Koordinatensystem ist das  Feld 0 und das HF-Feld stationär). Wieso kann ich mit diesem RF-Feld, die Spins überhaupt um 180° flippen, wenn das RF-Feld doch transversal ist? Eine 180° Orientierung sollte ich doch nur mit einem vertikalen (parallel B_0) Feld erzeugen können! Hier sehe ich einen Widerspruch in meiner Modellvorstellung.
Ich kann doch nur Spins richtungsgequantelt parallel oder antiparallel zu einem B-Feld kippen und doch nicht beliebig um 90° oder gar proportional zur Dauer*Stärke!? Wo ist hier die Richtungsquantelung zu beachtet? Hier kann ich die Vorgänge der einzelnen Spins mit dem Bloch-Vektor nicht in Einklang bringen für mich.
Ich hatte mir das bisher immer so vorgestellt, dass wenn genug Spins in Phase (also in einem rotierenden Kegel alle z.B. auf der rechten Seite) sind eine transversale Magnetisierung zustande kommt und sonst nicht. Die Longitudinale Magnetisierung verschwindet nur dann komplett, wenn genausoviele Spins "nach oben" zeigen, wie "nach unten".
Ich habe schon etliche Stunden und Tage mit verschiedenen Scripts, Bildern und Diagrammen verbracht und kann es mir einfach nicht erklären.
Ich verstehe nicht, wie ein RF-Puls, der nur in eine Richtung (transversal) zeigt eine 360° Kippung vollführen kann? Bei 180° Grad wäre doch die Sättigung der Spins in antiparallele Richtung erreicht?!
Wenn man sich die Animationen auf http://www.imaios.com/en/e-Courses/e-MRI/MRI-signal-contrast/180-RF-pulse anschaut oder ohne Anmeldung auf http://en.wikipedia.org/wiki/Hahn_echo anschaut - was passiert dort genau mit den einzelnen Spins eines Ensembles? Bei dem englischen Wikiartikel symbolisieren die Roten Pfeile doch einzelne außer Phase tretende Spins, richtig?
Hier die Grafik:  http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/HahnEcho_GWM.gif
Hmm, vielleicht kannst Du bei der Vorstellung etwas helfen.
Danke!
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u.a. habe ich folgende Materialien verwendet:
Super Gute Einführung mit interaktiven Animationen:
http://www.imaios.com/en/e-Courses/e-MRI
Siemens Script:
http://www.medical.siemens.com/siemens/en_INT/gg_mr_FBAs/files/MAGNETOM_World/MR_Basics/Magnete_Spins_und_Resonanzen.pdf
MRT I II Script:
http://isgwww.cs.uni-magdeburg.de/~goetze/CV-Medizin/links/Vorlesung%20Folien/MRT/Einfuehrung_MRT_I_II.pdf |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 31. Jul 2011 14:48 Titel: |
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| ortega hat Folgendes geschrieben: |
Blochkugel und Magnetisierungsvektor, welcher aus den Bloch-Gleichungen herrührt kenne ich. Sie gelten für den Gesamtmagnetisierungsvektor einer Probe.
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Okay. Und dieser Pfeil für die Gesamtmagnetisierung ist um so länger, je mehr der Spins gerade zusammen in dieselbe Richtung zeigen. Auch wenn viele der Spins in eine ähnliche Richtung zeigen, ist der Vektor der Gesamtmagnetisierung natürlich noch recht groß. Denn er ist nichts anderes als die vektorielle Summe der Pfeile für die einzelnen Spins.
| Zitat: |
In den Scripten und Materialien (s.u.) steht, dass die Spins in der Transversalebene in Phase sein müssen, damit man netto eine transversale Magnetisierung messen kann.
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Ja, oder ungefähr in Phase, das reicht natürlich auch, um was messen zu können.
| Zitat: |
Das ist doch auch das Prinzip, der T2-Relaxation: Die Phasengleichheit wird aufgelöst.
Wie kann ich mir das Anhand der Spins vorstellen? Was ist denn genau phasengleich?
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Die Phase sagt, in welche Richtung die Spins zeigen, die gerade in der Horizontalen präzedieren. Wenn Spins zusammen dieselbe Phase haben und alle in der Horizontalen Ebene sind, dann zeigen sie also einfach in dieselbe Richtung. Kennst du Zylinderkoordinaten? Dann stell dir vor, die Phase ist einfach der Winkel phi der Zylinderkoordinaten.
| Zitat: |
| Zitat: | | Dieser anschließende 180°-Puls (einfach gesagt: selbe rf-Intensität, aber doppelte Pulsdauer wie der 90°-Puls) klappt die Spins, die nun in der horizontalen Ebene liegen, um 180° |
Mit Anregung dachte ich immer, geht es darum, dass man die Kernspins vom niedrigen Energieniveau (parallel zu ) in das höhere Energieniveau hebt und bei einem Flip von 180° eine Sättigung der antiparallelen Spins eingetreten ist. Ist diese Vorstellung richtig?
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Das ist das Anregen, wenn man nur vom einen Niveau ins andere hüpfen möchte. (Der Zustand niedrigerer Energie (= Blochpfeil nach oben) ist dabei die antiparallele Ausrichtung der Spins zum Magnetfeld B_0, der Zustand höherer Energie (= Blockpfeil nach unten) die parallele Ausrichtung.)
In der MRT hat man aber noch andere, raffiniertere Anregungen zur Verfügung als nur den Übergang vom einen Niveau ins andere. Denn ein 90°-Puls befördert die Spins in einen kohärenten Überlagerungszustand zwischen niedrigem und angeregtem Niveau. Wenn du so willst, ist das also eine Form von eleganter Quantenmechanik für fortgeschrittene Experimentatoren.
| Zitat: |
Alternativ, wenn ich mir im resonant drehenden Koordinatensystem das B_0 Feld praktisch ausgeblendet denke und die Spins somit nur das transversale wegen der Resonanzfrequenz für sie scheinbar stationäre Feld spüren,
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Ja, diese Denkweise ist genau das, was ich gemeint hatte mit dem Stichwort "Betrachtung im mitrotierenden Bezugssytem"
| Zitat: |
kippen sie in diesem System in die transversalebene, da sie ja senkrecht zu einem B-Feld präzedieren (Im resonant rotierenden Koordinatensystem ist das Feld 0 und das HF-Feld stationär). Wieso kann ich mit diesem RF-Feld, die Spins überhaupt um 180° flippen, wenn das RF-Feld doch transversal ist?
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In diesem mitrotierenden Bezugssystem geschieht das Flippen der Spins einfach durch Anlegen eines konstanten Magnetfeldes B_1 für eine gewisse Zeitlang, und um dieses Magnetfeld B_1 präzedieren die Spins einfach so lange, wie das B_1 anliegt. Damit bekommt man jeden beliebigen Flipwinkel, und kann kontinuierlich in alle möglichen verschiedenen kohärenten Überlagerungszustände gelangen.
| Zitat: |
Eine 180° Orientierung sollte ich doch nur mit einem vertikalen (parallel B_0) Feld erzeugen können! Hier sehe ich einen Widerspruch in meiner Modellvorstellung.
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Spinpfeil nach oben, 180°-Puls mit horizontal zeigendem B_1-Feld, ergibt Rotation um 180° und landet in Spin nach unten.
anderes Beispiel: Spins in der horizontalen Ebene, mit diversen Richtungen. Lässt man darauf einen 180°-Puls los, also Rotation um 180° um eine horizontal liegende B_1-Achse im mitrotierenden Bezugssystem, dann bedeutet das eine Spiegelung der Spinpfeilrichtungen an einer senkrecht verlaufenden Spiegelebene. (Klar? Falls noch nicht ganz, dann aufmalen!)
| Zitat: |
Ich kann doch nur Spins richtungsgequantelt parallel oder antiparallel zu einem B-Feld kippen und doch nicht beliebig um 90° oder gar proportional zur Dauer*Stärke!? Wo ist hier die Richtungsquantelung zu beachtet? Hier kann ich die Vorgänge der einzelnen Spins mit dem Bloch-Vektor nicht in Einklang bringen für mich.
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Quantelung ist nur für Übergänge von einem Niveau ins andere. Arbeiten mit kohärenten Überlagerungszuständen, die man so kontrolliert erzeugt wie in der MRT, ermöglicht beliebige Ausrichtungswinkel der Spins.
| Zitat: |
Ich hatte mir das bisher immer so vorgestellt, dass wenn genug Spins in Phase (also in einem rotierenden Kegel alle z.B. auf der rechten Seite) sind eine transversale Magnetisierung zustande kommt und sonst nicht.
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Neue Vorstellung: Die Spinpfeile können horizontal beliebig in jede mögliche Richtung zeigen, und die Magnetisierung, dieman beimFID-Signal misst, ist einfach immer diemomentane vektorielle Summe all dieser "Pfeilchen".
| Zitat: |
Die Longitudinale Magnetisierung verschwindet nur dann komplett, wenn genausoviele Spins "nach oben" zeigen, wie "nach unten".
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So könnte man das sagen, wenn man in Messungen denkt, die die Spins immer erst auf die z-Achse (unten-oben) projiziert, bevor die Spins addiert werden, um zu sehen, wie groß die z-Komponente der Gesamtmagnetisierung ist.
Flexibler und oft für MRT-Experimente viel hilfreicher ist die Vorstellung von den Spin-Pfeilen, die kontinuierlich in jede Richtung zeige können, und deren vektorielle Summe sich dann bei der Messung am Ende zeigt.
| Zitat: |
Ich verstehe nicht, wie ein RF-Puls, der nur in eine Richtung (transversal) zeigt eine 360° Kippung vollführen kann? Bei 180° Grad wäre doch die Sättigung der Spins in antiparallele Richtung erreicht?!
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Ausgangszustand ist Blochpfeil nach oben (das ist "antiparallele" Richtung). Ein 180°-Puls führt in den Zustand "Blochpfeil nach unten" (das ist die Richtung "Spin-Magneten parallel zum Magnetfeld ausgerichtet"). Noch ein 180°-Puls führt dann einfach wieder zurück in den Ausgangszustand "Blochpfeil nach oben". So führen zwei hintereinander ausgeführte 180°-Pulse genau wie ein 360°-Puls wieder in den Ursprungszustand zurück, die Spinpfeile haben sich dabei einfach einmal um 360° gedreht (Betrachtung natürlich im mitrotierenden Bezugssystem).
Das ist das, was ich eben unter dem Stichwort "Spiegelung an einer vertikalen Achse" angesprochen hatte. Siehe den kursiven Block oben. (Unbedingt selber auch mit Skizzen klar machen, das ist zwar nicht schwer, aber das Nachvollziehen erfordert oft einiges an Reindenken und malen und so.)
| Zitat: |
u.a. habe ich folgende Materialien verwendet:
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Meinst du damit, dass du vor allem aus der medizinischen Richtung kommst und eher weniger aus einem Physikstudium mit klassischer Mechanik und Kreiseln, mit Quantenmechanik und Hilberträumen, ... ? Je mehr man das nur für Anwender in der Medizin erklären möchte, umso ungefährer und bildlicher versucht man da natürlich oft zu werden, denke ich mal. |
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