Bildgebende Verfahren in der Medizin

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1 Bildgebende Verfahren in der Medizin Einführung SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 1

2 Bildgebende Verfahren 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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 2

3 Bildgebende Verfahren heute Röntgenbilder Computertomografie (CT) nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) Kernspintomographie (MRT, MRI) Sonographie (Ultraschall) Endoskopie Thermographie Elektroenzephalographie, Elektrokardiographie Magnetoenzephalographie, Magnetokardiographie Impedanztomografie Optische Tomografie SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 3

4 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 physikalischen Eigenschaft wieder Unterschiedliche physikalische Eigenschaften entsprechen unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften z.b. Röntgen: hoher Kontrast bei Knochen, Weichteile sehr ähnlich Es geht nicht immer um die "schönsten Bilder"! nicht nur morphologische Information (Form, Aussehen) wichtig: was ist charakteristisch für eine bestimmte Krankheit? was muß der Arzt wissen? Aufwand? SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 6

5 Physikalische Kontrastmechanismen Röntgendiagnostik / Computertomografie (CT) Absorption von Röntgenstrahlen nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) Emission von Strahlen oder Positronen aus radioaktiven Kontrastmitteln Kernspintomographie (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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 5

6 Aufwand? Sonographiegerät Kernspintomograph SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 7

7 Aufwand? SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 8

8 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) SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 10

9 Röntgenbilder: Prinzip SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 13

10 Röntgenbilder: Moderne Röntgengeräte Prospektfotos Siemens SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 14

11 Röntgenbilder: Beispiele Schulter Brust (Mammografie) Fuß Zähne SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 15

12 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) außen dunkel: Brot absorbiert wenig Strahlung innen heller: Fleisch, Tomaten und Gurken absorbieren mehr Schichtstruktur ist nicht zu erkennen SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 18

13 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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 19

14 Computertomografie (CT) Was kann man dagegen machen? Bilder von allen Seiten aufnehmen dann im Computer zusammensetzen SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 20

15 Computertomografie (CT) Was ist in der Röhre drin? SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 22

16 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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 23

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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 24

18 Computertomographie: 3-D Bilder 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? SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 25

19 Computertomographie: 3-D Bilder SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 26

20 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) SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 29

21 Kernspintomographie Bezeichnungen Kernspinresonanztomographie Magnetresonanztomographie (MR-Tomographie, MRT) Nuclear magnetic resonance (NMR) Magnetic resonance imaging (MRI) SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 30

22 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 ω L (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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 34

23 Kernspintomographie: 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. SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 36

24 Kernspintomographie: Geräte SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 37

25 Kernspintomografie: Beispielbilder T 1 -Wichtung T 2 -Wichtung Protonendichte- Wichtung SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 38

26 Kernspintomografie: Beispielbilder SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 39

27 Kernspintomografie: Hirnfunktion SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 40

28 Kernspintomografie: 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 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) Beispiel: Hamburger (Quarks & Co) wasserhaltige Strukturen (Gurken und Tomaten) sehr gut zu sehen SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 41

29 Sonografie: Physikalische Grundlagen (Ultra-)Schall longitudinale elastische Schwingungen Frequenz ca. 2 MHz bis 20 MHz SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 43

30 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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 44

31 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 Gewebeeigenschaften SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 45

32 Sonografie: Geräte SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 46

33 Sonografie: Bildentstehung Signaldarstellung an fester Position A: Amplitude "Oszillograf" B: Brightness Helligkeit TM: Zeitverlauf Abtastung einer Region SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 47

34 Sonographie: Gesicht eines Fötus SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 48

35 Sonographie: Gesicht eines Fötus 3D SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 49

36 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 SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 50

37 Bildgebende Verfahren: Zukunft? Funktionelle Bildgebung Abbildung von Körperfunktionen (Durchblutung, Stoffwechsel, Nervenaktivität) Molekulare Bildgebung Abbildung biologischer Prozesse auf zellulärer Ebene Abbildung der Wechselwirkungen zwischen Proteinen Lokalisation dieser Proteine durch "Sonden"-Moleküle, die in der Bildgebung Kontrast geben Multimodale Verfahren mehrere bildgebende Verfahren gleichzeitig einsetzen Räumliche Korrelation der Ergebnisse, z.b. hohe räumliche Auflösung aus MRT / CT Sauerstoffversorgung aus optischer Bildgebung Nervenaktivität aus EEG / MEG etc... SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 51

38 Quellen Bücher Olaf Dössel "Bildgebende Verfahren in der Medizin" 1. Aufl. 2000, 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 András Csillag "Der menschliche Körper - Atlas der bildgebenden Verfahren in der Humanmedizin" 2000, Könemann Verlagsgesellschaft Internet Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen Sonoace GmbH, Marl Isis optronics GmbH, Mannheim Carl Zeiss Meditec AG, Jena WDR Fernsehen (Quarks & Co) SS 2013 Einführung Bildgebende Verfahren 52