Beispiele zu Bildgebenden Untersuchungsmethoden. Medizinische Physik und Informatik II 2. Semester 2015

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1 Beispiele zu Bildgebenden Untersuchungsmethoden. Medizinische Physik und Informatik II 2. Semester 2015 Tamás Marek 15. April 2015

2 Bildgebende Verfahren Bildgebende Verfahren Invasive Verfahren Nichtinvasive Verfahren Summations- Verfahren Tomographie- Verfahren

3 Die invasive Verfahren Invasiv bedeutet allgemein das Eindringen von einem Körper in einen anderen Körper. Der Begriff invasiv wird in der Medizin verwendet, um diagnostische oder therapeutische Maßnahmen zu charakterisieren, die in den Körper eindringen, d.h. seine Integrität verletzen.

4 Einleitung Gliederung Invasive Verfahren: Endoskopie Summationsverfahren: Szintigraphie Röntgendurchleuchtung Tomographieverfahren: Computer (Röntgen) Tomographie Ultraschall Magnetische Kernspinresonanz Diskussion

5 Die Endoskopie Ein Endoskop ist ein Gerät, mit dem das Innere von lebenden Organismen, aber auch technischen Hohlräumen untersucht oder auch manipuliert werden kann. Ursprünglich für die humanmedizinische Diagnostik entwickelt, wird es heute auch für minimalinvasive operative Eingriffe an Mensch und Tier sowie in der Industrie zur Sichtprüfung schwer zugänglicher Hohlräume eingesetzt. 1.Lichtleiter Endoskope 2.Video Endoskope

6 Grenzfläche zwischen Medien ( Reflexion Brechung (Snellius-Descartes) sin 1 sin 2 c1 c 2 n n 2 1

7 Lichtleiter Endoskopie Totalreflexion Grenzwinkel Θ c Für c Reflexion

8 Totalreflexion Lichtleiter Grenzwinkel Θ c

9 Lichtleiter Endoskopie

10 Lichtleiter Endoskopie

11 Die lichtempfindliche Transistoren

12 Lichtleiter Endoskopie Endoskopie Minimalinvasive operative Eingriffe

13 Video-Endoskopie In der Endoskopspitze ist ein kleiner CCD-Sensor (charged coupled device) eingebaut, welcher die Bildinformation über kleine lichtempfindliche Transistoren (wie bei einer Digitalkamera) aufnimmt und über einen Videocontroller zu einem Monitor leitet. Diese Technik ist heute insbesondere bei flexiblen Gastroskopen und Bronchoskopen weit verbreitet. Die hohe Bildqualität der CCD-Endoskope hat hier teilweise die faseroptischen Geräte verdrängt.

14 Video-Endoskopie

15 Video-Endoskopie

16 Summationsverfahren Summationsverfahren projizieren alle Strukturen, die sich unter eine Oberfläche befinden, übereinander auf die Bildebene. Die Bilder der hintereinander befindlichen Einzelheiten projizieren sich somit aufeinander. In diesem Summations- oder Superpositionsbild kann die dritte Dimension in der Strahlenrichtung nicht in ihre Details aufgelöst werden.

17 Die Szintigraphie Als Szintigraphie bezeichnet man eine nuklearmedizinische Untersuchungsmethode, bei der dem Patienten radioaktiv markierte Stoffe gespritzt werden, die sich in bestimmten Organen anreichern und mit Hilfe einer Gammakamera aufgenommen werden. Es können dadurch bestimmte Körpergewebe sichtbar gemacht werden (v.a. Schilddrüse und Skelett). Je nachdem wie viel Strahlung ein Gebiet aussendet, erscheint es in unterschiedlicher Farbe. Jede Farbe steht also für eine unterschiedliche Intensität der Gamma-Strahlung. Beim typischen Szintigraphie- Farbbild steht z.b. blau für geringe, rot für viel Aktivität.

18 Radioaktive Strahlung und Ihre Erzeugung Mit Radioaktivität bezeichnet man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln und dabei ionisierende Strahlung auszusenden. Die beim Umwandlungsprozess frei werdende Energie wird in der Regel als α-, β- oder γ-strahlung emittiert.

19 Die Szintigraphie Aufsicht des Szintillationskristalls und des gekoppelten sechseckigen Photomultipliers. Kollimator Kanäle Szintillationskristall Photomultiplier

20 Die Szintigraphie

21 Die Röntgendurchleuchtung Röntgengenerator

22 Die Entstehung von Röntgenstrahlen

23 Die Röntgendurchleuchtung Bei dem herkömmlichen Röntgenverfahren wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm abgebildet. Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. In Strahlrichtung hintereinander liegende Bildteile des durchleuchteten Körpers überlagern sich zwangsläufig. Dadurch kann beispielsweise nicht unterschieden werden, ob die im Röntgenbild sichtbare Schwächung (helle Bereiche im Bild) durch ein Material höherer Absorption oder durch eine größere Schichtdicke hervorgerufen wurde (siehe Lambert-Beersches Gesetz).

24 Die Röntgendurchleuchtung Die konventionellen Röntgenbilder werden also auf einem lumineszierenden Schirm oder auf Röntgenfilmen erstellt. Der Röntgenstrahl durchdringt die hintereinander liegenden Gewebeschichten mit unterschiedlichen Schwächungskoeffizienten μ i. An der Intensitätsschwächung nehmen alle Schichten der Dicke x i teil: J J 0 e ( x 1 1 2x2...) z.b. Gewebe, Knochen,

25 Die Röntgendurchleuchtung Photonenenergie Ordnungszahl Dichte Dicke

26 Die Röntgendurchleuchtung Digitalisierung

27 Die Tomographiemethoden Unter dem Begriff Tomografie werden verschiedene bildgebende Verfahren zusammengefasst, welche die innere räumliche Struktur eines Objektes ermitteln und in Form von Schnittbildern (auch Tomogramme) darstellen können. Synonyme Bezeichnungen sind Schnittbildverfahren oder Schichtaufnahmeverfahren.

28 Die Tomographiemethoden Ein Schnittbild gibt die inneren Strukturen so wieder, wie sie nach dem Aufschneiden des Objekts oder nach dem Herausschneiden einer dünnen Scheibe vorlägen. Man spricht hier von einer überlagerungsfreien Darstellung der entsprechenden Objektschicht (im Gegensatz insbesondere zu Projektionsverfahren wie z.b. der gewöhnlichen Röntgenuntersuchung, bei der sich alle Strukturen überlagern, die im Strahlengang hintereinander liegen). Dieser Unterschied ist in der vorangegangenen Abbildung mit zwei tomografischen Schnittbildern (S1 und S2) und einem Projektionsbild (P) des gleichen Volumens illustriert.

29 Die Computer (Röntgen) Tomographie In der Computertomographie werden EINDIMENSIONALE Absorptionsprofile des Objekts aus vielen Richtungen erstellt und daraus die Volumenstruktur rekonstruiert.

30 Die Computer (Röntgen) Tomographie Schwächungskoeffizient μ n eff, x p Z s Z A eff HU Wasser Wasser 1000

31 Die Computer (Röntgen) Tomographie Im Gegensatz zum klassischen Röntgen bestehen die gemessenen Daten also nicht aus einem zweidimensionalen Bild, sondern sind ein eindimensionales Absorptionsprofil. Erst durch die computergestützte Bildrekonstruktion, die heute mit dem Algorithmus der gefilterten Rückprojektion erfolgt, kann für jedes Volumenelement des Objektes der Absorptionsgrad ermittelt und das Bild errechnet werden. Für die Berechnung eines CT-Bildes sind Aufnahmen notwendig, die mindestens eine 180 -Rotation um das abzubildende Objekt abdecken.

32 Die Computer (Röntgen) Tomographie Spiral CT Mit mehreren aufeinander folgenden Röhrenumläufen lassen sich angrenzende Schnitte erzeugen. Volumengrafiken setzen sich aus mehreren Dutzend, bis zu mehreren hundert Einzelschnitten zusammen.

33 Die Computer (Röntgen) Tomographie Eine CT-Anlage Prinzipieller Aufbau einer CT-Anlage

34 Der Schall

35 Der Ultraschall Akustische Spektrum

36 Die Sonographie / Ultraschall Ultraschall bedeutet, dass Schallwellen mit einer Frequenz oberhalb der menschlichen Hörgrenze schwingen. Gegenstände und Gewebe reflektieren diese Schallwellen, sie werden von einem Empfänger aufgenommen. Ein Computer errechnet aus diesen Informationen ein Bild. Dieses Prinzip wird in der Medizin häufig zur Diagnose genutzt. Die Ultraschallwellen werden mit in der Sonde angeordneten Kristallen durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt und auch wieder nachgewiesen.

37 Der Ultraschall Die Erzeugung und Messung

38 Der Ultraschall Von Bedeutung für die Schallausbreitung in einem Material ist die Impedanz, also der Widerstand, der der Ausbreitung von Wellen entgegenwirkt. An der Grenzfläche zweier Stoffe mit großem Impedanzunterschied wird der Schall stark reflektiert. Dieser Unterschied ist zwischen Luft und z. B. Wasser besonders stark ausgeprägt, deshalb wird die Ultraschallsonde immer mittels eines stark wasserhaltigen Gels angekoppelt, damit der Schall nicht von Lufteinschlüssen zwischen dem Sondenkopf und der Hautoberfläche reflektiert wird.

39 Der Ultraschall

40 Der Ultraschall A-Mode Die erste angewandte Darstellungsform ist die A-Mode (A steht für Amplitudenmodulation). Das von der Sonde empfangene Echo wird in einem Diagramm dargestellt, wobei auf der x-achse die Eindringtiefe und auf der y- Achse die Echostärke abgetragen wird. Je höher der Ausschlag der Messkurve, desto echogener ist das Gewebe in der angegebenen Tiefe. B-Mode B-Mode (B für englisch brightness modulation) ist eine andere Darstellung der Information des Amplituden- Modus, bei der die Echointensität in eine Helligkeit umgesetzt wird. Der Grauwert eines Bildpunktes auf dem Bildschirm ist ein Maß für die Amplitude eines Echos an dieser Stelle.

41 Der Ultraschall

42 Der Ultraschall 2D-Sonogramm eines Menschenfötus von neun Wochen

43 Der Ultraschall Anwendung des Dopplerverfahrens bei einer Herzuntersuchung: Mitralklappe mit Mitralinsuffizienz

44 Magnet Resonanz Tomographie Nuclear Magnetic Resonance Magnetic Resonance Imaging Kern Spin Tomographie

45 Die Kernspintomographie (MRT, NMR, MRI) 1) Die Kernspinresonanz 2) Die Ortskodierung 3) Beispiele

46 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz Jedes Atomkern hat einen Eigendrehimpuls und rotiert um sich selbst. Er hat einen sog. Spin. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik folgt, dass ein unvorstellbar winziges Magnetfeld um diesen Atomkern entsteht. Es ist selbst ein kleiner Magnet. Kernspin und magnetisches Moment: Das Proton rotiert mit dem Kernspin I (blau) um eine Achse (gelb). Es resultiert das magnetische Moment µ (rot).

47 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz Wenn man diesen Atomkern in ein starkes, äußeres Magnetfeld bringt, zwingt man es, sich entlang bzw. entgegen dieses Magnetfeldes auszurichten. Der Atomkern klappt jedoch nicht einfach nur um, sondern torkelt in Richtung des Magnetfeldes wie ein Kreisel.

48 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz Die Frequenz dieser Torkelbewegung ist abhängig von der Stärke des äußeren Magnetfeldes B. Sie ist für jede Atomsorte (γ) und Magnetfeldstärke (B) chrakteristisch und wird Larmorfrequenz genannt. Kreiselanalogie γ = gyromagnetisches Verhältnis, Materialabhängig

49 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz Wenn die Larmorfrequenz bekannt ist, kann man mit starken Radiowellen der gleichen Frequenz (Resonanzfrequenz), die man in das Messfeld einstrahlt, die Atome gezielt in bestimmte Richtungen auslenken.

50 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz An den Makrokörper wird ein externes Magnetfeld B 0 (orange) in z-richtung angelegt. Die einzelnen Protonen präzedieren unterschiedlich, aber nur in den durch die Quantenphysik zulässigen Orientierungen. Insgesamt resultiert ein Gesamtmagnetfeld M z für den Makrokörper. Nun wird auf diesen Makrokörper ein 90 - Hochfrequenzimpuls in der xy-ebene (braun) eingestrahlt. Dadurch richten sich die Protonenpräzessionen in der xy-ebene aus (gelbe Pfeile und Achsen). Es resultiert ein Gesamtmagnetfeld des Makrokörpers in xy- Richtung (grün).

51 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz Die eingestrahlte Energie wird nach Abschalten des Hochfrequenzimpulses wieder abgegeben, während die Kerne wieder in die ursprüngliche z-richtung zurück präzedieren (Relaxation). Die Zeitcharakteristika dieser Vorgänge lassen Rückschlüsse auf die Struktur bzw. Zusammensetzung des jeweiligen Volumenelements zu. Der magnetische Fluss des rotierenden Dipols induziert in der Messspule eine Spannung.

52 Die Kernspintomographie Die Kernspinresonanz Charakteristisch sind die sog. T 1 oder T 2 Relaxationen: T 1 - oder Längs-Relaxation: Die Zeit bis die z-komponente der Magnetisierung M z ca. 63 % ihres Ausgangswertes M 0 wieder erreicht hat, nennt man Spin-Gitter, Längs-Relaxationszeit oder auch T 1 -Zeit. T 2 - oder Querrelaxationzeit-Relaxation: Die Quermagnetisierung M T eines Spin-Ensembles zerfällt nun, ähnlich wie die Längs-Komponente steigt, durch Wechselwirkung mit benachbarten Atomen. Hier ist es allerdings die sog. Spin-Spin- Wechselwirkung, die für die Dephasierung verantwortlich ist. Die T 2 - Zeit beschreibt die Zeit, nach der diese Amplitude auf 37% des Signals der maximalen Quermagnetisierung MT abgenommen hat.

53 Die Kernspintomographie (MRT, NMR, MRI) Zusammenfassend können wir also sagen: Es wird um den Patienten ein sehr starkes, homogenes Magnetfeld erzeugt. Anschließend werden mittels Einstrahlung von stoffspezifisch hochfrequenter Radiowellenimpulse der Spin bestimmte Atomkerne im Körper angeregt (Resonanz). Diese Energie wird dann nach einer charakteristische Zeit wieder in Form von elektromagnetischen Wellen abgegeben. Diese Wellen werden durch Empfängerspulen, welche den Patienten umgeben, aufgenommen. Eine wesentliche Grundlage für den Bildkontrast sind unterschiedliche Relaxationszeiten (T 1, T 2 ) verschiedener Gewebearten. Daneben trägt auch der unterschiedliche Gehalt an Wasserstoff-Atomen in verschiedenen Geweben (z. B. Muskel, Knochen) zum Bildkontrast bei.

54 Die Kernspintomographie Die Ortskodierung Um die aufgefangenen Hochfrequenz-Signale der Kernspinresonanz einzelnen Punkten bzw. Volumenelementen (sog. Voxeln) zuordnen zu können, werden zusätzlich zum Hauptmagnetfeld drei Gradientenfelder aufgebaut. Diese Gradientenfelder sind inhomogen und haben eine linear abnehmende Feldstärke. Ohne diese Felder würde man von jedem (Wasserstoff-) Kern einen identischen Resonanzimpuls empfangen, der im Rauschen untergeht und nicht einem Ort zugeordnet werden kann.

55 Die Kernspintomographie Die Ortskodierung Schichtselektionsgradient (z-gradient) Der erste Gradient wird vor der Anregung in z-richtung zugeschaltet und stellt sicher, dass nur eine Schicht des Körpers die passende Larmorfrequenz besitzt und somit die Anregung nur selektiv für eine Schicht stattfindet, also nur dort die Spins ausgelenkt werden.

56 Die Kernspintomographie Die Ortskodierung Phasenkodiergradient (y-gradient) Der zweite Gradient wird kurz nach der Anregung in y- Richtung angelegt und verursacht eine Dephasierung der Präzession und somit in der zuvor selektierten Schicht wird jeweils nur eine Zeile mit einer gewissen Phase zum Schwingen angeregt.

57 Die Kernspintomographie Die Ortskodierung Frequenzkodiergradient (x-gradient) Der dritte Gradient wird während der Messung rechtwinklig zu den beiden anderen in x-richtung geschaltet. Dieser verursacht, dass in jeder Spalte der Schicht verschiedene Präzessionsgeschwindigkeiten vorliegen, und somit die Kerne dort jeweils verschiedene Resonanz-Frequenzen abstrahlen.

58 Die Kernspintomographie Die Ortskodierung Zusammenspiel der drei Gradienten Das empfangene Signal ist nun einer bestimmten Schicht des Körpers zugeordnet und ist frequenz- und phasenmoduliert. Somit kann über komplizierte Fourier- Transformationen eine Matrix (oftmals 256x256) mit Grauwerten der Voxel aus der selektierten Schicht berechnet werden Schicht + + Linie Voxel

59 Die Kernspintomographie Die Ortskodierung Bildaufbau Nun können den zweidimensionalen Koordinaten der untersuchten Schicht Graustufenwerte zugeordneten werden, damit man einen Kontrast auf dem Bild erkennen kann. Die Faktoren von denen nun die Helligkeit eines Voxels abhängt, sind die Dichte der Kernspins, die Spin-Gitter- Relaxationszeit T1, die Spin-Spin-Relaxationszeit T2, der Molekulare Fluss, die magnetische Suszeptibilität und der chemische Aufbau. Dabei ausschlaggebend sind hauptsächlich die Relaxationszeiten T1 und T2, die sich von Gewebe zu Gewebe stark unterscheiden können.

60 Die Kernspintomographie Beispiele

61 Die Kernspintomographie Beispiele

62 Die Kernspintomographie Beispiele Die funktionelle MRT Übersicht der verschieden Beobachtungsebenen einer fmrt-aufnahme nach linksseitigem Finger-Tapping. Die farbig dargestellten Bereiche symbolisieren einen erhöhten Stoffwechsel und somit eine Hirnaktivität. Je weiter die Farbe ins Gelbliche abweicht, desto wahrscheinlicher ist Aktivität. Die Darstellung der Hirnaktivität erfolgt über die BOLD-Antwort der Hirnregionen. BOLD-Kontrast macht sich unterschiedliche magnetische Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut zu nutze.

63 Diskussion

64 Literatur Vorlesungsskript ( Biophysik für Mediziner, Damjanovich Fidy Szöllősi (2. Auflage) Abschnitt VIII Bildgebende Verfahren Abschnitt X/4.1 Die physikalischen Grundlagen von NMR und ESR Lehrbücher Internet