Medizinische Physik: Physikalische Grundlagen der medizinischen Bildgebung

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1 Medizinische Physik: Physikalische Grundlagen der medizinischen Bildgebung Physics in Medicine: Physical Fundamentals of Medical Imaging Klaus Lehnertz Inhalt: - / Übersicht - Röntgen-Tomographie und Computed Tomographie (CT) - Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) - Positronen-Emissions Tomographie (PET) - Magnetresonanz-Tomographie (MRT) - funktionelle Magnetresonanz-Tomographie (fmrt) - Neuroelektrisches (EEG) und Neuromagnetisches (MEG) Imaging

2 Literatur: H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, 3. Aufl., Publicis MCD Verlag, 1995 O. Dössel: Bildgebende Verfahren in der Medizin, Springer, 2000 Ed. S. Webb: The Physics of Medical Imaging, Adam Hilger, Bristol, 1988 P. Bösiger: Kernspin-Tomographie für die medizinische Diagnostik, Teubner W. Buckel: Supraleitung, VCH Weinheim, 1993 E.Niedermeyer/F.H. Lopes da Silva; Electroencephalography, Urban & Schwarzenberg, 1998

3 Ziele der medizinischen Bildgebung: - Visualisierung des Körperinnern - zerstörungsfreie (nicht-invasive) Untersuchung von Struktur und Funktion - Diagnostik - Therapie / Therapieplanung - Verlaufskontrolle

4 makroskopisch cm mikroskopisch < nm Anatomie Histologie Zytologie Molekular- Biologie Biochemie

5 Medizinische Bildgebung ist ein multidisziplinäres Gebiet - Physik (Materie, Energie, Strahlung,...) - Mathematik (Lineare Algebra, Numerik, Statistik) - Lebenswissenschaften (Biologie / Physiologie / Medizin...) - Ingenieurswissenschaften (Implementierung) - Informatik (Bildrekonstruktion, Signalverarbeitung) Medizinische Bildgebung erfordert Interdisziplinarität!!

6 Begriffsdefinitionen: Bildgebende Verfahren: - Techniken zur Visualisierung von Verteilungen physikalischer Eigenschaften (z.b. Dichte, Leitfähigkeit, Konzentration) im Körperinnern - Grundlage: Physik der Interaktion zwischen Energie und Materie - Energieformen: Photonen, γ, e +, e -, EM-Felder, Ultraschall,...

7 Energieformen Caveat: Bioverträglichkeit!!

8 Begriffsdefinitionen: Aktive Bildgebung: - Abbildungsvorgang durch Zuführung von Energie ( Körper-fremde Signale, z.b.: Röntgenstrahlung, Magnetresonanz, nuklearmedizinische Verfahren, Ultraschall) Passive Bildgebung: - Abbildungsvorgang durch Ausnutzung Körper-eigener Signale (z.b.: nuklearmedizinische Verfahren, EEG, MEG, EKG, MKG)

9 Energie (aktiv) Objekt (passiv) Detektor Bild Mathematische Algorithmen

10 Auge: - leistungsfähiger Informationsüberträger - begrenzter Wellenlängenbereich - Wahrnehmung durch Reflektion von EM-Wellen (Licht) auf Oberfläche von Objekt (oder durch dort generierte EM-Wellen) - Aber: Mehrheit der Stoffe der belebten und unbelebten Natur sind in größerer Dicke lichtundurchlässig - Wahrnehmung des Objektinneren erfordert Zerstörung (künstliche Schaffung neuer äußerer Oberflächen)

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13 Mikroskopie

14 Mikroskopie

15 Lichtmikroskopie Santiago Ramon y Cajal, 1920

16 konfokale Licht-(Laser) Mikroskopie

17 Elektronenmikroskopie

18 Rasterelektronenmikroskopie (REM)

19 Rasterelektronenmikroskopie (REM) Fliegenauge

20 Raster-Kraft-Mikroskopie The Nobel Prize in Physics 1986 Ernst Ruska Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Berlin b d "for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope" Gerd Binnig IBM Zurich Research Laboratory Rüschlikon b Heinrich Rohrer IBM Zurich Research Laboratory Rüschlikon b "for their design of the scanning tunneling microscope"

21 Raster-Kraft-Mikroskopie

22 Raster-Kraft-Mikroskopie hormone macromolecules entering cell nucleus Schaefer et al., PNAS 99, 7154, 2002

23 3D-Elektronen-Tomographie Lichtmikroskopie 3D-Elektronen-Tomographie 700 nm Actin Zytoskelet von Zellen 300 nm Auflösung: nm Medalia et al., Science 298, 1209, 2002

24 Vergleich verschiedener Mikroskopieverfahren Verfahren Auflösung Eindringtiefe Interaktion Umgebung Optisch (Photonen) ~0,3 1 µm <1 3 X Licht e.m.-welle Luft, Gas, Vakuum, Flüssigk. TEM 0,2 nm hoch, aber dünne Probe erford. E-,H-Feld e - Streuung e - Beugung Vakuum AFM lateral ~ 1 nm Tiefe 0,1 nm 0,1 nm atomare Kräfte (van der Waals, kovalent, ionisch) Reibung, elektrostatisch + magn. Kräfte Vakuum, Luft, Gas, Flüssigk.

25 Ziele der medizinischen Bildgebung: -Visualisierung des Körperinnern OM, TEM (REM), AFM ungeeignet - zerstörungsfreie (nicht-invasive) Untersuchung von Struktur und Funktion OM, TEM (REM), AFM ungeeignet - Diagnostik - Therapie / Therapieplanung - Verlaufskontrolle

26 Energieformen Caveat: Bioverträglichkeit!!

27 Signale der bildgebenden Verfahren für die medizinische Diagnostik Körper-eigene Signale Körper-fremde Signale Bio- Infrarot Elektrizität Magnetismus BG Impedanz BG Röntgen CT PET SPECT Szintigraphie Magnet. Kern- Resonanz US CT EKG EEG ECoG EMG ENG MKG MEG IRB IMPB E-Feld H-Feld IR Z Speicherfolien Röntgen-BV Röntgen-CT Synchronton- Strahlung Positronen Single Emissions Photon Tomogr. Emission Computed Tomogr. MRS MR-Angio. fmrt µ γ (511 kev) γ γ e.m. HF Sonographie Schall Funktion / (Morphologie) Morphologie Metabolismus Funktion / Morphologie

28 Bio-Elektrizität/-Magnetismus Electrical/Magnetic Source Imaging: Informationsaustausch (Neuronen, Muskelfasern) -> Stromfluss -> Magnetfeld (nv mv) (ft mt) empfindliche Sensoren/Verstärker E-Feld: Elektroden H-Feld: SQUID Quellen-/Volumenleitermodelle inverses Problem Fusion mit CT/MRT

29 Bio-Elektrizität/-Magnetismus:

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31 Ultraschall: - Reflexion von US an akustischen Grenzflächen (z.b. Organbegrenzung) - Reflexionsgrad hängt vom Unterschied der akustischen Eigenschaften ab (typisch einige % der Schallenergie für Weichteilgewebe) - Streuung von US an kleinen Objekten

32 Abbildung mit Röntgenstrahlen unterschiedliche Schwächung von Röntgenstrahlen in den Geweben des Körper Wilhelm Conrad Röntgen Entdeckung der Röntgenstrahlen am 8. November 1895 Nobelpreis für Physik: 1901 Röntgen-Aufnahme der Hand von Frau Röntgen (22. Dezember 1895) moderne Röntgen-Aufnahme

33 Röntgen-CT:

34 Röntgen-CT:

35 Nuklearmedizinsche Techniken (PET/SPECT) - PET: radioaktive Markierung einer biologischen Substanz mit Positronenstrahlern (C-11, N-13, O-15, F-18) Beispiele: O-15 Wasser, F-18 Deoxyglukose - SPECT: Radionuklide, γ-strahler - Einbringen der Tracersubstanz in den Körper - Verteilungsmuster abh. von Funktion des Zielorgans und Aufnahmezeitpunkt - Messung der aus dem Körper austretenden Strahlung

36 Nuklearmedizinische Techniken (PET)

37 Nuklearmedizinische Techniken (SPECT) Ganzkörper Knochentumor Herz- Funktion Hirn

38 Magnetresonanztomographie - beruht auf dem Effekt der magnetischen Kernspinresonanz - Verteilung verschiedener Relaxationszeiten der Wasserstoffkerne und der Protonendichte aufgrund chemischer Änderungen oder Konzentrationsänderungen

39 Magnetresonanztomographie Gehirn; sagittal Multislice T1

40 Magnetresonanztomographie Gehirn; axial Multislice T1

41 Magnetresonanztomographie T1 Kontrast T2 Kontrast Protonendichte

42 Funktionelle Magnetresonanztomographie Zehen Knie Becken Finger Augen Lippen Zunge

43 Vergleich verschiedener Verfahren PET CT MRT

44 Kombination verschiedener Verfahren CT PET Überlagerung

45 Kombination verschiedener Verfahren MRT SPECT (A-scan) SPECT (B-scan)

46 Kombination verschiedener Verfahren Iktuales SPECT Interiktuales SPECT

47 Kombination verschiedener Verfahren MEG und MRT

48 Kombination verschiedener Verfahren Visible Human Project Andreas Vesalius Anatom

49 Entwicklung bildgebender Verfahren Lokalisation Fläche Volumen Morphologie Röntgen, CT Ultraschall Magnetresonanztomographie Perfusion Metabolismus Proliferation Physiologie Doppler, CT, MRT Spektroskopie PET/SPECT Rezeptoren Antigene Genexpression Molekular- Biologie Tracer Methoden PET, SPECT, MRT Optisch

50 Physikalische Grundlagen Bildgebendes Verfahren Teilgebiete der Physik Röntgen-CT PET/SPECT Quanten- und Atomphysik Kerne, Moleküle, Festkörper Strahlenphysik Kernstruktur Halbleiterphysik u. Anwendungen Medizinische Physik Materialphysik. Halbleiterphysik u. Anwendungen Medizinische Physik Teilchenphysik Strahlenphysik MRT EEG/MEG Quanten- und Atomphysik Elektromagnetismus/Elektrizität & Magnetismus Statistische and Tieftemperaturphysik Thermodynamik Medizinische Physik Elektromagnetismus/Elektrizität & Magnetismus Statistische and Tieftemperaturphysik, Thermodynamik