Bildgebende Verfahren der Medizin Ultraschall, CT, PET, MRT

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Bildgebende Verfahren der Medizin Ultraschall,
CT, PET, MRT
Martin Obholz martinobholz_at_cityweb.de

• Fakultät für Elektrotechnik und
  Informationstechnik
• Lehrstuhl für Kommunikationstechnik
• Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays

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Einleitung

• Gängige Verfahren der Bildgebung
• Ultraschall
• Computertomographie (CT)
• Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
• Magnetresonanztomographie (MRT)

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Ultraschall

• Ultraschall

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Ultraschall Vor- und Nachteile

• Vorteile
• leicht durchführbar
• Gerät sehr günstig
• keine Gesundheitsbelastung
• Nachteile
• starke Verrauschung des Bildes

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Ultraschall physikalische Grundlagen

• physikalische Grundlagen
• Frequenz in der Medizin 2 20 Mhz
• Schall verändert seine Geschwindigkeit
• Streuleistung
• Eindringtiefe z

c v1/(??)
PStreu sPeingestrahlt
z (ct)/2
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Funktionsweise Ultraschall

• Funktionsweise Ultraschall

Ultraschallimpuls wird gesendet
Ultraschallimpuls wird reflektiert
Das Signal wird wieder aufgefangen und in eine
Spannung umgewandelt
Auswertung und Bilderzeugung
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Ultraschall Bilderzeugung

• Bilderzeugung
• piezoelektrisches Material macht aus Spannungen
  Schallwellen

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Ultraschall Bilderzeugung

• Bilddarstellung im A- und B-mode
• Problem der Verrauschung durch Streuung

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CT

• Computertomographie (CT)

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CT Vor- und Nachteile

• Vorteile
• hohe Auflösung
• gute Darstellung von hartem Gewebe
• Nachteile
• hohe Gesundheitsbelastung (Röntgenstrahlung)
• schlechte Darstellung von Weichteilen
• Preis ca. 1,5 mio. Euro

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CT physikalische Grundlagen

• physikalische Grundlagen
• Röntgenstrahlen durchdringen Gewebe
• Intensitätsverlust beim Austritt der
  Röntgenstrahlen

II0 e-?µ(l) dl Abschwächungsgesetz
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MRT prinzipielle Funktion

• Funktionsweise des CT

Röntgenstrahl wird durch das Gewebe geschickt
Strahl wird aufgefangen und Intensität bestimmt
Röntgenstrahl wird unter einem anderen Winkel
ausgesandt und Intensität wird bestimmt
Auswertung und Bilderzeugung
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CT Bilderzeugung

• Radontransformation

Rotation
Rotation
Sender
Empfänger
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CT Bilderzeugung

• Inverse erzeugt den Originalbereich
• Praktische Durchführung durch numerische
  Berechnung von Gleichungssytemen

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PET

• Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

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PET Vor- und Nachteile

• Vorteile
• sehr hohe Auflösung (Tumore ab ca. 5 mm, CT und
  MRT 1 cm)
• Darstellung von Stoffwechselvorgängen
• Nachteile
• radioaktiver Tracer
• Lagerbarkeit des Tracers
• Preis ca. 3,5 mio. Euro (mit CT)

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PET physikalische Grundlagen

• Physikalische Grundlagen
• Halbwertszeit
• Zerfall unter Abspaltung eines Positrons

O 15 ? N 15 ß ?
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PET physikalische Grundlagen

• Annihilation

ee- 2?
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PET physikalische Grundlagen

• Funktionsweise des PET

Tracer wird verabreicht
Halbwertszeit läuft ab und Positronen kollidieren
mit Elektronen
Energiequanten werden gemessen
Auswertung und Bilderzeugung
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PET Bilderzeugung

• Bilderzeugung
• Auffangen der Energiequanten
• Szintilatorkristallen verarbeiten Quanten zu
  Lichtblitzen

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PET Bilderzeugung

• Numerische Radontransformation wie beim CT

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MRT

• Magnetresonanztomographie (MRT)

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MRT Vor- und Nachteile

• Vorteile
• geringe Gesundheitsbelastung
• hohe Auflösung
• Nachteile
• keine direkte Bildgebung von Knochen und
  Wasserstoff-freiem Gewebe
• starke Geräuschentwicklung
• grosse Bauform
• Gefahr durch Metallteile
• Platzangst (bei bestimmten Bauformen)
• Preis ca. 1,5 Mio. Euro

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MRT physikalische Grundlagen

• Physikalische Grundlagen
• Wasserstoffatome besitzen einen Spin
• der Spin erzeugt ein magnetische Moment M
• ein statisches Magnetfeld B0 richtet das
  magnetische Moment aus

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MRT physikalische Grundlagen

• Beeinflussung vom magnetischen Moment M
• Anlegen eines, mit der Resonanzfrequenz
  (Larmorfrequenz), gepulsten Feldes B1

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MRT physikalische Grundlagen

• Entfernen des Feldes B1
• Magnetfeldänderungen induzieren Spannungen
• Verarbeitung der Spannungen

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MRT prinzipielle Funktion

• Funktionsweise des MRT

Anlegen eines statischen Magnetfelds
Anlegen und entfernen eines larmorfrequenten
Magnetfeldes
Messung der induzierten Spannungen
Auswertung und Bilderzeugung
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MRT Bilderzeugung

• Bilderzeugung
• Orientierung im Raum zur Darstellung von
  Objektschichten

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MRT Bilderzeugung

• z-Achse
• Selektion der Schicht durch Frequenzanregung

Kopfende
Fussende
f0 (?/2p)B 1H-Anregungsfrequenz
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MRT Bilderzeugung

• y-Achse (Phasencodierung)

y
B
Schichten
x
f0 (?/2p)B 1H-Anregungsfrequenz
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MRT Bilderzeugung

• x-Achse (Frequenzcodierung)

Schichten
y
B
x
f0 (?/2p)B 1H-Anregungsfrequenz
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MRT Bilderzeugung

• k-Raum
• Phasen- und Frequenzcodierung bilden den k-Raum
• 2D-Fourier-Transformation erzeugt den
  Originalraum

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Ausblick

• Ausblick
• Verringerung der Gesundheitsbelastung
• Interaktion zwischen Mensch und Maschine
• 3D-Modelle
• Bewegungen sollen ihren Einfluss verlieren (Herz,
  PET)