Aktuelle Bildgebende Verfahren in der Medizin Röntgen, CT, Kernspin und mehr

Transkript

1 Aktuelle Bildgebende Verfahren in der Medizin Röntgen, CT, Kernspin und mehr Prof. Dr. Michael Möller Hochschule für Technik und Wirtschaft Saarbrücken Definition: Oberbegriff für verschiedene Diagnostikmethoden, die Aufnahmen aus dem Körperinneren liefern (Roche Lexikon Medizin) Mittel: Strahlen, die den menschlichen Körper durchdringen können unterschiedliche Wechselwirkung (z.b. Absorption) mit verschiedenen Gewebeanteilen Kontrast Detektionseinrichtungen, die aus den durch den Körper durchgelassenen Strahlen ein sichtbares Bild erzeugen klassisches Verfahren: Röntgenbilder Entdeckung der Röntgenstrahlen 1895 heute: ca. 10 Millionen bildgebende Untersuchungen/Jahr

2 heute Röntgenbilder Computertomografie (CT) nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) Kernspintomographie (MRT, MRI) Sonographie (Ultraschall) Endoskopie Thermographie Elektroenzephalographie, Elektrokardiographie Magnetoenzephalographie, Magnetokardiographie Impedanztomografie Optische Tomografie Gibt denn kein optimales Verfahren? Jedem bildgebenden Verfahren liegt die Messung einer anderen physikalischen Eigenschaft zugrunde Der Kontrast des Bildes gibt damit die Unterschiede in dieser speziellen physikalische Eigenschaft wieder Unterschiedliche physikalische Eigenschaften entsprechen unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften z.b. Röntgen: hoher Kontrast bei Knochen, Weichteile sehr ähnlich es gibt keine genaue Zuordnung: Messwert = Gewebeart! Es geht nicht immer um die schönsten Bilder! nicht nur morphologische Information wichtig andere Eigenschaften (dielektrisch, viskoelastisch, biochemisch ) Aufwand? ionisierende Strahlung?

3 Physikalische Kontrastmechanismen Röntgendiagnostik / Computertomografie (CT) Absorption von Röntgenstrahlen nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) Emission von Strahlen oder Positronen aus radioaktiven Kontrastmitteln Magnetresonanztomographie (MRT, MRI) Dichte und lokale Umgebungsbedingungen von Wasserstoffatomen Sonographie (Ultraschall) Streuung von Ultraschall Thermographie (Wärmebilder) Temperaturverteilung der Körperoberfläche Abbildung bioelektrischer Quellen (EEG/EKG, MEG/MKG) elektrische und magnetische Felder der Hirn- oder Herzaktivität Impedanztomografie elektrischer Widerstand des Körpers Aufwand? Sonographiegerät Kernspintomograph

4 Aufwand? Vergleich: Kosten SoSe Zusammenfassung 4

5 Ionisierende Strahlen? Bildgebung mit ionisierenden Strahlen Röntgendiagnostik / Computertomografie Absorption von Röntgenstrahlung nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) Emission von Gammastrahlen oder Positronen von radioaktiven Kontrastmitteln im Körperinneren Bildgebung ohne ionisierende Strahlen Sonographie (Ultraschall) Kernspintomografie (Radiowellen) Optische Tomografie (Licht) Thermographie (passive Temperaturmessung) Impedanztomografie (elektrische Ströme) Abbildung bioelektrischer Quellen (EEG/EKG, MEG/MKG, passiv) Endoskopie (Licht) Ionisierende Strahlung Arten ionisierender Strahlung Röntgenstrahlung (elektromagnetisch) Alphastrahlung (Heliumteilchen) Betastrahlung (Elektronen) Gammastrahlung (elektromagnetisch) Neutronenstrahlung Wirkung auf den menschlichen Körper: Strahlenexposition Absorption im Gewebe ( Menge = Dosis) Zellen können geschädigt werden (insbesondere Erbsubstanz (DNS)) Organismus kann geschädigte Zellen ggf. entfernen Reparaturmechanismus wird bei großer Dosis überfordert Gesundheitsschäden: Änderungen der Erbanlagen, Krebs, Leukämie Risiko evtl. auch bei kleinen Intensitäten bzw. kleinen Dosen

6 Qualitätskriterien für bildgebende Systeme die räumliche Auflösung die zeitliche Auflösung, das Signal-Rausch-Verhältnis der Kontrast, der für eine bestimmte medizinische Fragestellung erreicht werden kann. das Risiko, dem Patienten möglicherweise einen Schaden zuzufügen, muss minimiert werden aus VDE Expertenbericht Medizintechnik Wann wird ein neues Verfahren verwendet? Ein neues Diagnoseverfahren wird nur Einsatz finden, wenn es die Therapie des Patienten beeinflusst. Wenn ein neues Diagnoseverfahren als Ersatz eines bestehenden Verfahrens konzipiert ist, muss es entweder deutlich besser, kostengünstiger oder nebenwirkungsärmer sein. Besser bedeutet jedoch nicht, dass es nur schönere Bilder bereitstellt, sondern dass der Therapieentscheid verbessert wird. aus VDE Expertenbericht Medizintechnik

7 Projektionsröntgen seit seit 1895: Projektionsröntgen Conrad Röntgen ( ) 1895: Entdeckung der Röntgenstrahlung fast sofort nach Entdeckung: medizinische Nutzung

8 Röntgenbilder: Prinzip Knieaufnahmen von 1900 bis heute Röntgenbilder: Moderne Röntgengeräte Prospektfotos Siemens

9 Röntgenbilder: Beispiele Schulter Brust (Mammografie) Zähne Fuß Röntgenbilder: Details Fuß Zähne

10 Röntgenbilder: Eigenschaften Objekte, die viel Strahlung absorbieren, sind gut zu erkennen: Knochen Metallteile Röntgen hat die höchste Auflösung sehr kleine Strukturen sind zu erkennen Alle Organe und Objekte werden übereinander projiziert verdeckte Weichteile sind nicht zu erkennen Eventuelles Problem: Strahlenbelastung Beispiel: Hamburger (Quarks & Co) nur sehr wenig zu erkennen vielleicht Tomaten? Schichten? (BigMäc etc.?) Röntgen: aktuelle Methoden Ziele hohe Geschwindigkeit Aufnahme kann gleich beurteilt werden wenig Wartezeit für Patienten möglichst geringe Strahlendosis Bilder dürfen nicht verloren gehen Umweltschonung Methoden digitale Bildspeicherung und Verarbeitung Archivierung Sicherheitskopien Verteilung über Netzwerke digitale Bildaufnahme Große 4-Megapixel-Kamera Bild steht sofort zur Verfügung keine Chemie digitale Steuerung Ganzkörperaufnahmen möglich Berechnungen möglich Knochen wegrechnen Knochendichte bestimmen 3D?

11 Digitales Röntgen Kombination von mehreren Aufnahmen Die Röhre bleibt in der Mittenposition für die zu untersuchende Anatomie und wird geschwenkt, während sich der Detektor nach oben und unten bewegt Der virtuelle Fächerstrahl, der durch die Kombination der Aufnahmen erzeugt wird, wirkt effektiv wie ein tatsächlicher, sehr breit gefächerter Röntgenstrahl mit einem sehr großen Detektor Digitales Röntgen Kombination von mehreren Aufnahmen

12 Digitales Röntgen Kombination von harter und weicher Röntgenstrahlung die Röntgenschwächung von Weichgewebe und Knochen (Phosphor, Calcium) ist unterschiedlich! 10 4 Bone Soft Tissue /, cm²/g 10 3 P Ca 10 2 Knochen: Z = Weichgewebe: Z = 7.6 Niedriges kvp Hohes kvp photon energy, kev Rohdaten Digitales Röntgen Kombination von harter und weicher Röntgenstrahlung niedriges kvp hohes kvp digitale Subtraktion Verarbeitung Verarbeitung diagnostische Bilder Knochen Weichgewebe Verarbeitung Standard Rö-Bild

13 Wozu braucht man dann Computertomographie? Projektionsröntgen liefert nur 2D-Bilder Schwacher Kontrast Weichteil/Knochen Mittelungsprozeß lässt keine Strukturen erkennen Computertomographie (CT) seit

14 Computertomografie (CT) Was möchte man eigentlich wissen? Die Röntgenabsorption an beliebigen Orten im Körper Problem beim Röntgen: Objekte mit geringer Absorption nicht zu erkennen, wenn sie von Objekten mit großer Absorption verdeckt werden Computertomografie (CT) Was kann man gegen die gegenseitige Verdeckung tun? Bilder von allen Seiten aufnehmen dann im Computer zusammensetzen

15 Computertomografie (CT) Wie sieht so ein Gerät aus? --- Die Röhre! Computertomografie (CT) Was ist in der Röhre drin?

16 Prinzip der Computertomografie Die CT arbeitet ebenfalls mit Röntgenstrahlung. Der Patient wird soweit in die Röhre gefahren, bis der zu untersuchende Körperteil an der richtigen Stelle liegt Röntgenröhre fächerförmige Röntgenstrahlung Gegenüberliegend: Detektoren zum Auffangen des Bildes. Dies Einheit rotiert um den Patienten. Nach Computerauswertung: 1 Querschnittsbild Der Patient wird ein Stück weiter geschoben. weiteres Schnittbild Computertomografie (CT) Wie entsteht das Bild? Während das Röntgengerät um den Patienten rotiert, werden einige hundert Aufnahmen gemacht es wird immer nur eine dünne Schicht (Scheibe) des Körpers auf einmal untersucht alle diese Aufnahmen werden im Computer zusammengesetzt, erst die Kombination aller Aufnahmen ergibt ein Bild der Schicht Für die Untersuchung größerer Körperregionen muss der Patient stückchenweise durch die Röhre gefahren werden

17 Computertomografie: Eigenschaften Das Problem der Abschattung besteht nicht mehr auch kleine Objekte mit geringerem Kontrast lassen sich erkennen Die Auflösung kann immer noch recht hoch sein hängt ab von Zahl der Bilder und Schichten Aber immer noch Probleme bei manchen Geweben Veränderungen von weichen, stark wasserhaltigen Geweben z.b. Entzündung im Gehirn Eventuelles Problem: Strahlenbelastung Beispiel: Hamburger (Quarks & Co) Schichtung ist zu erkennen Tomaten und Gurken schwer zu erkennen Computertomographie 3-D Aus den einzelnen Schichten lassen sich 3-dimensionale Informationen entnehmen: Verlauf von Gefäßen Form von Organen Lage von Organen Dies erfordert sehr viel Programmierung und Rechenleistung welche Gebiete hängen überhaupt zusammen? wie stellt man das dar? Und es erfordert sehr viel Erfahrung der Mediziner: woran sind bestimmte Gewebetypen zu erkennen woran ist ein bestimmtes Organ zu erkennen?

18

19 Computertomografie 3D: Eigenschaften Die zu untersuchenden Organe können in beliebigen Projektionen dargestellt Die zu betrachtenden Organe lassen sich einzeln darstellen Man kann künstliche Farben vergeben, die den Farben der echten Organe entsprechen oder auch frei gewählt oder stark übertrieben sind Damit lassen sich z.b. chirurgische Eingriffe genau vorherplanen Beispiel: Hamburger (Quarks & Co)

20

21

22 Computertomographie 3-D: Bilder

23 Herz Herz

24 Herz CT: aktuelle Methoden Geschwindigkeit Ziel allgemein: Verkürzung der Untersuchungszeiten insbesondere für zeitaufgelöste Bildgebung am Herzen Technische Lösungen Spiral-CT Schnelle Rotation Mehrzeilen-Detektoren Kegelstrahl, Volumen-CT Dual Source Dosisreduktion Ziele vergleichbar oder besser als andere Röntgenverfahren insbesondere Katheter/Bildverstärker Technische Lösungen Röhrenstrom-Modulation Iterative Rekonstruktion prospektive Triggerung Spektrale Auflösung Ziel nicht nur Röntgenschwächungskoeffizient (HU) sondern funktionelle/molekulare Bildgebung: Gewebezusammensetzung Technische Lösungen Dual Energy/Spectral CT /, cm²/g P C a Soft tissue: Z = 7.6 Bone: Z = 13.8 Low kvp photon energy, kev Bone Soft Tissue Hig h kvp Quantitative Bildgebung Ziel physiologische Größen berechnen

25 Spiral-CT Pitch d p = = s Tischvorschub pro Rotation Schichtdicke Röntgendetektoren: Flächendetektoren Anwendung: Spiral-CT mit mehreren parallelen Zeilen Aktueller Rekord: Toshiba Aquilion One Detektor mit 320 Zeilen in 16cm Breite Herzbildgebung in einer einzigen (halben) Umdrehung möglich bei ganzer Umdrehung 640 rekonstruierte Zeilen!

26 Dual-Source Prinzip 2 Röntgenstrahler mit Detektoren um 90 versetzt Für schnelle Bildgebung komplette Schicht in einer viertel Drehung allerdings etwas kleineres Bildfeld Für Gewebedifferenzierung Dual Energy : verschiedene Beschleunigungsspannung en Dosisreduktion durch Röhrenstrom-Modulation Belichtungsautomatik Während der Rotation unterschiedliche Schwächung je nach Durchstrahlungsrichtung Während des Vorschubs verschiedene Körperabschnitte haben unterschiedliche Schwächung z.b. Hohlräume (Lunge) Y X Constant dose X, Y changing ma w/in a slice Z changing ma along patient X, Y, Z 3D ma modulation Z

27 Herz quantitativ Herz quantitativ

28 Herz quantitativ Herz quantitativ

29 Magnetresonanztomografie (MRT) Kernspin(resonanz)tomographie Nuclear magnetic resonance (NMR) Magnetic resonance imaging (MRI) seit Kernspin im Magnetfeld Kernspin Atomkern wirkt wie kleine Kompassnadel Kernspins in äußerem Magnetfeld richten sich aus (wie Kompassnadel) etwas mehr parallel als antiparallel der Körper wird ein wenig magnetisiert präzedieren bei Störung mit bestimmter Frequenz ωl (hängt von Magnetfeld ab, 42 MHz bei 1 T) induziert Wechselspannung die man mit einer Meßspule messen kann die Zeit, bis die Störung wieder ausgeglichen ist, hängt von den Gewebeeigenschaften ab Kodierung des Ortes wenn Magnetfeld vom Ort abhängt, hängt auch ωl vom Ort ab

30 Magnetresonanztomographie: Geräte Extrem starke Magnetfelder werden benötigt supraleitende Spulen starke Abschirmung gegen den Rest des Gebäudes Die Magnetfelder müssen in komplizierter Weise variiert und umgeschaltet werden um Ortsinformationen zu bekommen Radiowellen müssen eingestrahlt und wieder empfangen werden Es entstehen keine direkten Bilder, erst durch sehr aufwendige Software lassen sich die Eigenschaften an einzelnen Orten rekonstruieren Magnetresonanztomographie: Geräte

31 Magnetresonanztomographie: Beispielbilder T 1 -Wichtung T 2 -Wichtung Protonendichte- Wichtung Magnetresonanztomographie: Beispielbilder

32 Magnetresonanztomographie : Eigenschaften Was kann man damit sehen? Guter Kontrast bei Geweben, Weichteilen (hoher Wasseranteil) Was nicht? Schlechter Kontrast bei Knochen Vorteile Hohe Ortsauflösung große Anzahl an Messmöglichkeiten Nachteile Riesiger Aufwand für Installation (Abschirmung, eigenes Gebäude) und Betrieb Nicht transportabel, am Krankenbett einsetzbar Laut Nicht einsetzbar bei Patienten mit Metallimplantaten Beispiel: Hamburger (Quarks & Co) wasserhaltige Strukturen (Gurken und Tomaten) sehr gut zu sehen MRT: aktuelle Methoden Aktueller Stand / nahe Zukunft höhere Felder (8 T) für besseres Signal-Rausch- Verhältnis (Kontrast) spezialisierte Geräte (z.b. nur für Gehirn) direkte Darstellung von Körperfunktionen, z.b. Durchblutung (fmrt) Leise Geräte schnellere Messabläufe Verzicht auf Kontrastmittel

33 Sonografie (Ultraschall) seit den 1950ern Sonografie: Physikalische Grundlagen (Ultra-)Schall longitudinale elastische Schwingungen Frequenz ca. 2 MHz bis 20 MHz

34 Sonografie: Physikalische Grundlagen (Ultra-)Schall longitudinale elastische Schwingungen Frequenz ca. 2 MHz bis 20 MHz für Schallausbreitung wichtige Gewebeeigenschaften Schallgeschwindigkeit c Wellenwiderstand Z Dichte Dämpfung Sonografie: Physikalische Grundlagen (Ultra-)Schall longitudinale elastische Schwingungen Frequenz ca. 2 MHz bis 20 MHz für Schallausbreitung wichtige Gewebeeigenschaften Schallgeschwindigkeit c Wellenwiderstand Z Dichte Dämpfung Schallausbreitung wie bei der Wellenoptik an Grenzflächen Reflexion, Brechung und Streuung, abhängig von c und Z Ortung Schallimpuls wird in das Gewebe eingestrahlt Laufzeit und Stärke von Echos geben Auskunft über Bereiche unterschiedlicher Gewebeeigenschaften

35 Sonografie: Geräte Sonografie: Bildentstehung Signaldarstellung an fester Position A: Amplitude "Oszillograf" B: Brightness Helligkeit TM: Zeitverlauf Abtastung einer Region

36 Ultraschallbild des Herzens Sonographie: Gesicht eines Fötus

37 Sonographie: Gesicht eines Fötus 3D Sonographie: Gesicht eines Fötus 3D

38 Sonografie: Eigenschaften Was kann man damit sehen? Struktur, Übergänge zwischen Knochen, Weichteilen, Wasser, Hohlräumen Was nicht? Weichteilunterschiede, histologische Gewebedifferenzierung (aber schon Morphologie soweit Übergänge wie oben) durch Knochen hindurch Vorteile relativ billig, kompakte Geräte, keine EM Felder Probleme Erfolg hängt sehr vom Können des Anwenders ab (Messung und Auswertung) für jedes Organ optimieren (Ebenen, Frequenz, Schallkopf Lage, Bewegung (Hand-Scan)) schlechte Auflösung bei großer Eindringtiefe Sonografie: aktuelle Methoden Probleme Erfolg hängt sehr vom Können des Anwenders ab (Messung und Auswertung) für jedes Organ optimieren (Ebenen, Frequenz, Schallkopf Lage, Bewegung (Hand-Scan)) schlechte Auflösung bei großer Eindringtiefe Lösung Computersteuerung Bildverarbeitung spatial compounding frequency compounding Messungen, z.b. Scherwellen-Elastographie (Gewebesteifigkeit)

39 Aktuelle Methoden keine wirklich neuen ( = andersartige) Verfahren aber wesentliche Verbesserungen der vorgestellten Verfahren Funktionelle Bildgebung Multimodale Bildgebung Neue Optionen der Bildgebung morphologische Bildgebung: Erkennung und Abrenzung von Organen und Läsionen funktionelle Bildgebung: physiologische Prozesse wie z.b. Durchblutung zeigen metabolische Bildgebung: Aspekte des Stoffwechsels im Körper darstellen molekulare Bildgebung: Biomarker abbilden, Biomoleküle und biologische Prozesse in den Zellen sichtbar machen quantitative Bildgebung: physikalische oder biochemische Größen quantitativ bestimmen interventionelle Bildgebung: Bildgebung im Operationssaal oder im Katheterlabor aus VDE Expertenbericht Medizintechnik

40 Funktionelle Bildgebung Molekulare Bildgebung Abbildung physiologischer Prozesse Krankheiten: Definition und Diagnose klassisch Definition der Krankheit: anatomische bzw. morphologische Veränderungen äußere Funktionsstörungen Diagnose: Histopathologie, Radiologie funktionell die klassischen Symptome sind das Resultat von Störungen bestimmter Körperfunktionen, z.b. Durchblutung oder Stoffwechsel funktionelle Bildgebung : Darstellung und Messung dieser Funktionen zellulär bzw. molekular alle Körperfunktionen beruhen auf biologischen Prozessen auf zellulärer Ebene und letztlich auf den Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinen die Krankheiten das Resultat von Abnormitäten dieser Prozesse, diese wiederum die Folge genetischer Veränderungen molekulare Bildgebung : Lokalisation dieser Proteine in der Zelle durch "Sonden"-Moleküle, die sich abbilden lassen

41 Morphologisch funktional molekular Komplementäre Verfahren zunehmender Spezifität Morphologisch Funktional Molekular Röntgen CT MRT Ultraschall fmrt - Diffusion - Perfusion -BOLD Doppler Ultraschall Optische Bildgebung PET SPECT (Erhoffte) Vorteile Frühzeitige Diagnose von Erkrankungen vor der klinischen Manifestation Visualisierung, Charakterisierung und Quantifizierung von biologischen Prozesse am lebenden Organismus (in vivo) ohne Biopsie zeit- und kosteneffiziente Validierung neuer molekularer Therapien sowie das Therapiemonitoring und Dosisoptimierung von neuen Medikamenten

42 Kontrastmittel Schaffen Kontrast in der jeweiligen Meßgröße: durch Beeinflussung von Signalen: Absorption von Röntgenstrahlung Fluoreszenz: Konversion des eingestrahlten Lichts in andere Wellenlänge Änderung der Relaxationszeiten bei Kernspintomografie durch Erzeugung von Signalen radioaktive Kontrastmittel magnetische Kontrastmittel An Orten wo keine Chromophore sind: in Hohlräumen, z.b. Verdauungstrakt oder Lunge wo zuwenig Kontrast ist: z.b. ICG im Blut die sich sonst nicht von ihrer Umgebung unterscheiden: Tracer -Moleküle, angelagert an bestimmte Zelltypen oder Biomoleküle etc. (molekulare Bildgebung) Zeitliches Verhalten statische Bildgebung Kontrastmittelkinetik zur Messung dynamischer Vorgänge Durchblutung: Ausbreitung einer Kontrastmittelinjektion Leberfunktion: Abbau eines im Blut verteilten Kontrastmittels Verdauung: Bewegung und Auflösung einer Pille aus magnetischem Material Kreislauf: Pumpfunktion und Durchblutung Angiografie: Messung der Durchblutung alle Gefäße: Kontrastmittelkinetik Bildverstärker, CT, MRT, US, PET, NIRS große Gefäße MRT: versch. Verfahren der Strömungswichtung Ultraschall-Doppler kleine Gefäße MRT-Perfusionswichtung Laser-Doppler-Perfusionsbildgebung (LDPI) Blutungen Kontrastmittelanreicherung bei verletzten Gefäßen Kardiologie: zeitaufgelöste Darstellung der Herzfunktion schnelle Computertomografie schnelle Magnetresonanztomografie Strömungsbildgebung in der Magnetresonanztomografie Ultraschall (auch Myokard-Perfusion mit Microbubble-Kontrastmittel)

43 Metabolismus: Verfolgung von Tracermolekülen Ersatz von natürlichen Stoffwechselkomponenten durch markierte : Molekulare Bildgebung Nuklearmedizinische Bildgebung Radiopharmaka werden verarbeitet oder reichern sich an. Bildgebung durch Szintigrafie/PET/SPECT Moderne Bezeichnung Molecular Imaging klinisch weit verbreitet Metabolismus: Verfolgung von Tracermolekülen Ersatz von natürlichen Stoffwechselkomponenten durch markierte : Molekulare Bildgebung Molecular Imaging (Nuklearmedizinische Bildgebung) Radioaktive Kontrastmittel werden verarbeitet oder reichern sich an. Bildgebung durch PET/SPECT klinisch weit verbreitet Fluoreszenzmarkierte Stoffe Markierung bestimmter (Makro-)Moleküle z.b. mit farbstofftragenden Antikörpern (dies ist eigentlich Molecular Imaging ) Optischer Nachweise nach Anregung mit UV-Licht oder durch Mehrphotonenprozesse möglich Auch optischer Nachweise von Reaktionen/Bindungen möglich Anwendung nur oberflächennah (auch endoskopisch) oder in vitro größtenteils noch präklinisch (auch andere nicht-radioaktive Tracer)

44 Hirnaktivität physiologisch, direkt: Abbildung der Neuronenfunktion aus den erzeugten elektrischen bzw. magnetischen Feldern Magnetoenzephalographie (MEG), Elektroenzephalographie (EEG) psychologisch: Untersuchung kognitiver Prozesse physiologisch, indirekt: Abbildung der Hämodynamik Neuronale (elektrische) Aktivität wird gefolgt von transienten Anstiegen des regionalen zerebralen Blutflusses (rcbf), Blutvolumens (rcbv) und des lokalen Sauerstoffverbrauchs funktionelle Magnetresonanztomografie (fmrt) Blood Oxygenation Level Depending signal (BOLD) Signal, das vom Niveau der Sauerstoffanreicherung des Bluts abhängig ist! Hämoglobin hat besondere magnetische Eigenschaften Oxyhämoglobin (und sonstiges Hirngewebe) ist diamagnetisch (kleine, negative Suszeptibilität) Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch (größere, positive Susz.) Effekt: unterschiedliche Spin-Spin-Relaxation (T 2* ) Effekt: Kontraständerung in T 2* gewichteten MR-Bildern Was passiert bei neuronaler Aktivität? Nach einem Stimulus erfolgt zunächst eine kurze Deoxygenierung (ca. 1s) Danach fließt Oxyhämoglobin in die aktive Hirnregion der Fluß erreicht nach 6 bis 8 Sekunden ein Maximum nach dem Stimulus nimmt der Fluss in einigen Sekunden wieder ab

45 Funktionelle Kernspintomografie (fmrt, fmri) Statistische Auswertung Korrelation von Stimulus und Änderungen im MR-Signal Überlagerung mit morphologischem Bild fmrt - Klinisches Beispiel Untersuchung der Hirnaktivität Gesucht ist die aktive Hirnregion bei Fingerbewegung Messung erfolgt in zwei Schritten: Zuerst einige Sekunden ohne Fingerbewegung Dann einige Sekunden mit Fingerbewegung Signaländerung sehr schwach Mehrmalige Wiederholung um Korrelation zu finden Mittels t-test (statistische Methode) Korrelation zwischen Bewegung und Hirnantwort Somit erhält man eine rein funktionale Abbildung Für Zuordnungszwecke wird das t-test-bild mit einem anatomischen Bild fusioniert

46 fmrt-aufnahmen des Gehirns Visuelle Anregung des Belohnungssystems Testpersonen: adipöse Menschen Test: Zeigen von niederund hochkalorischen Nahrungsmitteln Ergebnis: deutliche Aktivierungszunahme des Belohnungssystems (v.a. bei der Anregung durch hochkalorische Nahrungsmitteln) fmrt-unteruchungen sind forschungsorientiert und haben eine untergeordnete Bedeutung in der klinischen Routine

47 Multimodale Bildgebung Bildfusion Hybrid-Geräte Multimodale Bildgebung Situation: mehrere Bildserien eines Patienten, aufgenommen mit unterschiedlichen Modalitäten: Zweck: Erweiterte Diagnose durch Kombination komplementärer Informationen exakte anatomische Informationen (z.b. CT oder MR, US) funktionelle Informationen (z.b. PET, SPECT, fmrt,us- Farbdoppler) Methode: Bildfusion = gemeinsame Darstellung Registrierung korrekte Überlagerung der nicht gleichzeitig aufgenommenen Bilder Visualisierung geeignete Darstellung der (vielen) unterschiedlichen Informationen

48 Beispiel: CT und MRT CT MRT Visualisierung in einem Bild Falschfarben Anatomiebild (höhere Auflösung) in Graustufen Funktionelle Information etc. (geringere Auflösung) als Farbton

49 Hybridsysteme Zwei Modalitäten in einem Gerät: PET/CT SPECT/CT PET/MR SPECT Single-Photon Emission Computer Tomography Radioaktive Markierung von Molekülen, z.b. 99 m Tc aus Radionuklidgenerator Einzelne Gammaquanten (Single Photon ) werden mit Gammakamera detektiert aus den Messungen der Projektionen wird die Aktivitätsverteilung in einer Schnittebene durch den Körper rekonstruiert Damit Messung des Linienintegrals über die Aktivitätsdichte (ähnlich CT) Rekonstruktionsverfahren meist gefilterte Rückprojektion oder auch iterative Verfahren PET Positron-Emission-Tomography Radioaktive Markierung von Molekülen mit Positronenstrahlern ( 11 C, 13 N, 15 O, 18 F), z.b. 15 O- Wasser, 18 FDeoxyglukose sehr kurze Halbwertszeiten (10 bis 100 min), Aktivität (100 bis 200 MBq) in kurzer Messzeit vollständig nachgewiesen Positronen stoßen nach sehr kurzem Weg (max. 2 bis 8 mm) mit Elektron zusammen: Annihilation Nachweis entstandener Paare von Gammaquanten durch Koinzidenzdetektion: Es werden nur Ereignisse gezählt und weiterverarbeitet, bei denen 2 Gammaquanten gleichzeitig (Zeitfenster 10 bis 20 ns) detektiert werden Lage der Quelle wird auf gerader Verbindungslinie angenommen

50 PET-CT Anwendung in Kardiologie Untersuchung Myokardperfusion Metabolismus detaillierte anatomische Bildgebung angiographische CT-Untersuchung etc

51 PET/MR Kombination von Positronen-Emissionstomografie (PET) und Kernspintomografie (MR) Vorteile besserer Kontrast bei Weichteilen, insbesondere im Gehirn weniger Strahlenbelastung Technische Herausforderung PET-Detektion darf MRT-Magnetfelder nicht stören PET-Detektoren funktionieren in starken Magnetfeldern schlecht andersartige Detektoren (Avalanche-Dioden) nötig erhältlich seit Ende 2010 MR und PET in einem Gerät (nicht hintereinander!) Gleichzeitige Messung möglich! PET/MR

52 PET/MR Quellen Bücher Olaf Dössel in der Medizin 2. Aufl. 2016, Springer Verlag Willi A. Kalender Computed Tomography 3. Aufl. 2011, Publicis MCD Verlag Peter Hertrich Röntgenaufnahmetechnik 1. Aufl. 2004, Publicis MCD Verlag Heinz Morneburg (Hrsg.) Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik 3. Aufl. 1995, Publicis MCD Verlag Arnulf Oppelt (Hrsg.) Imaging Systems for Medical Diagnostics 1. Aufl. 2005, Publicis MCD Verlag Olaf Dössel, Karsten M. Buzug Biomedizinische Technik Medizinische Bildgebung 1. Aufl. 2014, De Gruyter Verlag András Csillag Der menschliche Körper - Atlas der bildgebenden Verfahren in der Humanmedizin 2000, Könemann Verlagsgesellschaft Internet Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen Carl Zeiss Meditec AG, Jena WDR Fernsehen (Quarks & Co)