Dr. Stefan Wesarg Graphisch-Interaktive Systeme (GRIS) Technische Universität Darmstadt Fraunhoferstraße Darmstadt

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1 Bildaufnahme Physikalische Modelle im Medical Computing Seminar im WS 2008/2009 Dr. Stefan Wesarg Graphisch-Interaktive Systeme (GRIS) Technische Universität Darmstadt Fraunhoferstraße Darmstadt Darmstadt, FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 1

2 Themenbereiche Bildaufnahme Bilddaten Aufnahmetechnik Aufnahmetechnik Bildrekonstruktion Bildrekonstruktion CT U/S MRT PET heute Diagnose Planung + Therapie Extraktion Extraktion von von Strukturen Strukturen Fusion Fusion von von Bilddaten Bilddaten Visualisierung Visualisierung Therapieplanung Therapieplanung Training Training + + Simulation Simulation Biol./Physikal. Biol./Physikal. Modellierung Modellierung nächste Woche FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 2

3 Inhalt Röntgen und CT Nukleare Bildgebung Bildspeicherung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 3

4 Röntgen FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 4

5 Geschichte Physikalische Prinzip seit 1895 bekannt, entdeckt durch Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Anwendung in der Medizin: 1896 Erhielt 1901 als Erster den Nobelpreis für Physik Erste med. Nutzung: Knochenbrüche, Tuberkulose, Tumore der Lunge Computertomographie gibt es erst viel später Anfang der 70er Jahre Hand Berta Röntgens (1896) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 5

6 Stellenwert im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren Trotz neuer moderner Untersuchungen (Bsp. CT, MRT) hat das konventionelle Röntgen immer noch einen festen Stellenwert in der Radiologie Konventionelle Aufnahmen liefern z.b. bei der Untersuchung der Lungen und der Knochen in der Regel ausreichende Informationen Große Vorteile dieser Untersuchungstechnik sind geringe Strahlenexposition kurze Dauer der Untersuchung günstig FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 6

7 Schematischer Aufbau einer Röntgenröhre W: Wehnelt-Zylinder UB: Beschleunigungsspannung A: Anode UH: Heizspannung K: Glühkathode F: Strahlenaustrittsfenster B: Brennfleck R: Röhrenabschirmung Energiebilanz: 1% Photonen, 99% Verlust durch Wärme FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 7

8 Erzeugung der Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung besteht aus: Bremsstrahlung Charakteristischer Strahlung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 8

9 Typisches Röntgenspektrum Elektronen verlieren in unterschiedlichem Maße Bewegungsenergie Es entstehen Photonen unterschiedlicher Energie kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum Charakteristische Strahlung zeigt diskrete Energiewerte Linienspektrum A: mit Filterung, B: ohne Filterung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 9

10 Schwächungsgesetz I ( d ) = I 0 e µ d I 0 Anfangsintensität d Dicke I(d) Wert auf den Anfangsintensität I 0 reduziert wird linearer Schwächungskoeffizient I 0 d I(d) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 10

11 Schematisches Modell der Schwächungsfaktoren FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 11

12 Atom Wasserstoff (H) Kohlenstoff (C) Stickstoff (N) Sauerstoff (O) Calcium (Ca) Ordnungszahl Luft Fettgewebe Organgewebe Knochen Metall (Fremdkörper) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 12

13 Konventionelle Röntgenaufnahme FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 13

14 Computertomographie FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 14

15 Übergang vom klassischen Röntgen zur CT Klassisches Röntgen: Dreidimensionaler Körper wird zweidimensional abgebildet Überlagerung von hintereinander liegenden Einzelstrukturen CT: Schnittbilddarstellung innere Organe können überlagerungsfrei dargestellt werden FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 15

16 Aufbau CT Meßwerterfassung Detektoren Rö- Röhre Aufnahmesystem Bildrekonstruktion Bildauswertung Rö-Generator Steuerung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 16

17 Aufbau CT FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 17

18 CT und Röntgen vom Schädel FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 18

19 Geschichte Cormack 1964: rotierende Röntgenröhre zur Bildaufnahme Hounsfield 1968: Experimentalscanner EMI1972: erster CT-Scanner Beispiel für die Qualität der ersten CT-Aufnahme aus dem Jahr 1974: die dunklen Hirnventrikel sind deutlich sichtbar FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 19

20 CT vs. Realität Beispiel für eine CT-Aufnahme der Lunge Tatsächlicher Querschnitt des Körpers Schwarz: lufthaltiges Gewebe Grau: Weichteilgewebe Weiß: Knochen FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 20

21 Unfiltered Backprojection π µ(r) = dθ p θ (t) K(t) t = x cosθ + y sinθ 0 Reduced edge sharpness Object Reconstructed Object with projections FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 21

22 Filtered Backprojection 0 π µ(r) = dθ p θ (t) K(t) t=x cosθ+y sinθ Reconstructed edge Object Reconstructed object with projections FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 22

23 Bilddarstellung Grauwerte stellen lineare Transformation der Abschwächungskoeffizienten dar Für den standardisierten Vergleich von CT-Aufnahmen wurde die Hounsfield-Skala eingeführt HU = µ µ µ Wasser Wasser 1000 Skala endet bei obwohl sie prinzipiell nach oben offen ist In der Praxis hat sich der Bereich von HU bis 3071 HU durchgesetzt FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 23

24 Bilddarstellung Hounsfield-Skala FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 24

25 CT Kopf FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 25

26 CT Thorax (mit Kontrastmittel) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 26

27 Nukleare Bildgebung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 27

28 Übersicht In Bezug auf strahlenphysikalische Grundlagen und Bilddarstellung enge Parallelen zur Röntgendiagnostik Grundlegender Unterschied: Objekt ist selbststrahlend Grundlegender Unterschied: Metabolismus vs. Morphologie Dem Patient wird ein Radionuklid (oder eine mit einem Radionuklid markierte Substanz) verabreicht FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 28

29 Szintigraphie Radioaktiv markierte Stoffe werden in den Körper eingebracht Diese reichern sich im zu untersuchenden Zielorgan an Sichtbarmachung mit spezieller Kamera, von der die abgegebene Strahlung aufgefangen wird Stehende Kamera => Ähnlich zu Röntgenfilm FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 29

30 Radionuklide Gekoppelt zu anderen Molekülen Ł mitgeschleppt Kopplung bestimmt Einsatzgebiet Relativ kurze Lebensdauer Beta oder Gamma Strahler FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 30

31 Aufbau FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 31

32 Beispiele Skelett = Knochen-scan Blase Metastasen normal Tumor FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 32

33 SPECT Tomographische Methode Nuklearmedizinisches Analogon zur Röntgen-CT Schnittbilder der Organfunktionen, des regionalen Blutflusses und des regionalen Stoffwechsels Dem Patienten wird ein Nuklid (gekoppelt an einem Molekül) eingereicht Das Nuklid reichert sich in bestimmten Organen an Abgegebene Strahlung wird mit Detektor aus verschiedenen Winkeln empfangen FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 33

34 Aufnahmetechnik Messköpfe der Gammakamera bewegen sich kreisförmig um den Patienten Unter diskreten Winkeln werden Projektionen der Aktivitätsverteilung auf die Messebene der Kamera aufgenommen Großflächiger Messkopf ermöglicht Projektionen von mehreren benachbarten Objektschichten simultan aufzunehmen FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 34

35 Gehirndurchblutung normaler Befund Morbus Alzheimer mit Minderdurchblutung Hirntot mit aufgehobener Durchblutung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 35

36 Positron-Emissions-Tomographie Erzeugung von Schnittbildern lebender Organismen Sichtbarmachung der Verteilung einer schwach radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon) im Organismus Dadurch Abbildung biochemischer und physiologischer Vorgänge (funktionelle Bildgebung) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 36

37 PET Prinzip PET verwendet Radionuklide, die Positronen emittieren ( +- Strahler) Nach kurzer Strecke (2-6 mm) interagieren Positronen mit Elektronen Dadurch entstehen zwei entgegenfliegende Photonen Photonen werden Hilfe der ringförmig angeordneten Detektoren eines PET-Gerätes registriert Zerfall auf der Verbindungsstrecke!!! FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 37

38 PET Prinzip FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 38

39 Prinzip der PET Aus zeitlicher und räumlicher Verteilung der registrierten Zerfallsereignisse wird auf die Verteilung des Radiopharmakons im Körperinneren geschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet Neben statischen Aufnahmen (bei denen nur die Verteilung des Radiopharmakons zu einem Zeitpunkt bestimmt wird) auch dynamische Untersuchungen Bei dynamischen Aufnahmen werden Änderungen der Radioaktivitätsverteilung = Stoffwechselvorgänge im Körper Anwendung: Onkologie (z.b. Krebsdiagnostik), Neurologie (z.b. Parkinson, Alzheimer), Kardiologie FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 39

40 Verarbeitungsschema der PET FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 40

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43 (MIP) einer 18 F-FDG Ganzkörper Aufnahme: roten Bereiche zeigen hohe, blauen sehr niedrige Aufnahme von FDG an FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 43

45 Bildspeicherung und -darstellung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 45

46 Röntgenfilme und Verstärkerfolien Zur Sichtbarmachung dienen zwei Eigenschaften der Röntgenstrahlung: photographischer Effekt und Fluoreszenzeffekt Photographischer Effekt: Röntgenstrahlen schwärzen photographische Filme Fluoreszenzeffekt: Röntgenstrahlen regen bestimmte Stoffe zur Lichtemission an ("Fluoreszenz") Röntgenstrahlung macht nur 5% der Filmschwärzung aus 95% durch Fluoreszenzlicht einer Verstärkerfolie FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 46

47 Film-Folien-Kombination Verstärkerfolien bestimmen die Abbildungsqualität: Film-Folien-Unschärfe Quantenrauschen Wahl der Film-Folien Kombination richtet sich nach klinischen Erfordernissen FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 47

48 Röntgenbild (Film) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 48

49 Digitale Radiographie Am weitesten verbreitet: digitale Speicherfolie In Speicherfolie werden Elektronen durch Röntgenphotonen energetisch angehoben Geben diese Energie erst bei weiterer Energiezufuhr durch einen Laserstrahl unter Aussendung von Licht ab Dieses wird nachgewiesen, verstärkt und digital umgewandelt FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 49

50 Digitale Bildspeicherung FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 50

51 Digitale Bildspeicherung Befund AUFNAME Patientendaten Bild/Befund KIS BEFUND SPEICHER RIS PACS Geladene Bilder BEFUND WORKSTATION UNTERSUCHUNGSANORDNUNG BILD ARCHIV Untersuchungsauforderung RIS Prefetching von Voraufnahmen Gespeicherte Bilder Akquisitionsdaten Worklist UNTERSUCHUNGSPLANUNG Akquisitionsdaten MODALITÄT FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 51

52 PACS Picture archiving and communication system FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 52

53 Bestandteile eines PACS Datenbank(-server) (speichert und verwaltet die Daten ca. 1 TB/Jahr) Workstations zum Betrachten der Bilder Workstations zum Bearbeiten und Aufbereiten der Bilder Alle Geräte sind über ein Netzwerk verbunden (Protokoll: DICOM) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 53

54 Radiologische Workstation FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 54

55 Radiologischer Arbeitsplatz FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 55

56 DICOM DICOM = Digital Imaging and Communications in Medicine Protokoll- und Datenformatstandard insbes. für PACS Bilder und Metainformationen werden verknüpft DICOM Geräte können vernetzt werden FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 56

57 Bilddarstellung bei CT Auflösungsvermögen der Röntgendiagnostik: 12 bit (entspricht 4096 Graustufen) Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: 35 bis ca 100 Graustufen (je nach Bedingungen) Abhilfe: nur relevanten Bereich aus dem Spektrum der Hounsfield- Einheiten (-1000 bis HU) darstellen FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 57

58 Bilddarstellung Fensterung C = Fenstermitte W = Fensterbreite Links: Weichteilfenster (Herz ist differenziert, Lunge ist schwarz) Rechts: Lungenfenster (Lungenstruktur ist dargestellt, Herz ist weiß) FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 58

59 Ende FB Informatik Graphisch-Interaktive Systeme Dr. S. Wesarg 59