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4 GRUNDLAGEN DER BILDGEBENDEN DIAGNOSTIK

4.1 Bildgebungsverfahren in der Medizin

4.1.5 Nuklearmedizinische Verfahren

MR-Bilder des Gehirns, wobei diese sich ausschließlich durch die Art der zur Kontrasterzeu-gung genutzten physikalischen Eigenschaften unterscheiden.

Abb. 4.15: von links nach rechts: Protonendichte-gewichtetes MR-Bild eines Patientengehirns, T1-gewichtetes Bild, T2-T1-gewichtetes Bild

Abschließend lässt sich zusammenfassend einschätzen, dass es sich bei der Magnetreso-nanztomographie um ein Verfahren mit einer hohen Auflösung und einem guten Weichteil-kontrast handelt. In den Bildern können Partialvolumeneffekte und Rekonstruktionsartefakte eine exakte Segmentierung erschweren. Die Kosten für eine Untersuchung sind im Vergleich zu anderen Verfahren hoch, so dass es diesbezüglich Einschränkungen bei der Durchführung von Vergleichsuntersuchungen gibt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, 3D-Informationen zu er-halten.

In der medizinischen Routine wird die MR-Bildgebung für eine Vielzahl von Untersu-chungen eingesetzt, vor allem zur Tumordiagnostik, da die Bilder im Vergleich zum CT einen guten Weichgewebekontrast besitzen. Des Weiteren werden anhand der MR-Bilder Erkran-kungen des Gehirns, wie Alzheimer-Erkrankung, Schizophrenie, Multiple Sklerose und Schlaganfall, diagnostiziert.

Ein sehr häufig in der Literatur zu findendes Beispiel für den Einsatz von Bildverarbei-tungsverfahren zur Auswertung von MR-Datensätzen ist die Segmentierung des Gehirns in weiße und graue Substanz sowie in Liquorräume. Diese Gewebedifferenzierung ist für eine Verlaufskontrolle bei Gehirnerkrankungen und zur Operationsplanung notwendig. Ein weite-res Beispiel ist die MR-Bildgebung des Herzens zur Funktionsdiagnostik. Weitere Arbeiten beschäftigen sich u.a. mit der Bestimmung der Dicke des Kniegelenkknorpels in MRT-Bildern und mit der Gefäßdarstellung aus Angiographien.

der Signale auch immer in deren Umgebung ein Signal aufgezeichnet wird. Bei der Strah-lungsmessung werden deshalb nur Impulshöhen eines Mittelenergiebereiches erfasst. Die an-deren Impulshöhen werden ausgeblendet. Ein weiteres Problem in der Nuklearmedizin ist, dass im Gegensatz zur Röntgendiagnostik, wo sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangs-funktion messbar sind, hier nur die AusgangsAusgangs-funktion gemessen werden kann. Weiterhin ist zu beachten, dass aufgrund des radioaktiven Zerfallsprozesses die Aktivität nicht über die ge-samte Messzeit gleich ist. Der Signalabfall hängt von der effektiven Halbwertzeit des ver-wendeten Radionukleids ab.

Zur digitalen Messwerterfassung werden Matrizen von 64x64 bzw. 128x128 Pixel ver-wendet bei einer Grauwerttiefe von 8 Bit. Der bei der Bildaufnahme zulässige Messfehler be-trägt 4%. Es wird eine Ortsauflösung von 2 bis 3 mm erreicht.

Neben der Einzelbildaufnahme (Szintigramm) und der Aufzeichnung von Funktionsstudien in Form von zeitlich nacheinander aufgenommenen Einzelbildern können mit modernen to-mographischen nuklearmedizinischen Methoden auch 3D-Informationen erfasst werden. Bei diesen Methoden unterscheidet man zwischen Single-Photon-Emmissions-Computer-Tomographie (SPECT) und Positronen-Emmissions-Computer-Single-Photon-Emmissions-Computer-Tomographie (PET).

Die mathematischen Grundlagen der Bilderzeugung beim SPECT sind die selben, wie bei der Röntgen-Computer-Tomographie. Der grundlegende Unterschied besteht jedoch in der Strahlungsquelle. Während beim CT die Abschwächung der Röntgenstrahlen durch den Kör-per als Projektion gemessen wird, wird beim SPECT die Projektion der Verteilung der Radio-nuklide im Körper gemessen (Abb. 4.17). Ein weiterer Unterschied ist, dass bei den nuklear-medizinischen Bildern aufgrund der Minimierung der Strahlenbelastung weniger Quanten zur Bilderzeugung für ein Voxel genutzt werden können und so im Gegensatz zum CT ein insta-bileres Bild erhalten wird. Beim SPECT wird die Strahlungsverteilung der emmitierten Pho-tonen mit rotierenden Gamma-Kamera-Systemen aus verschiedenen Winkel-Positionen ge-messen. In der Regel werden 360 Grad überstrichen, wobei mindestens 60 Projektionsbilder aufgenommen werden. Die Rekonstruktion der Bilder erfolgt mittels Rückprojektion. In Ab-bildung 4.18 sind zwei Beispiele für SPECT-Bilder zu sehen.

Abb. 4.16: Prinzip der Emissions-CT. Die Strah-lung, die aus dem Körper austritt, wird von zwei Detektoren gemessen, Bild aus [Baud81]

Beim PET werden im Gegensatz zum SPECT Positronenstrahler verwendet. Für die Re-gistrierung der Positronenstrahler müssen zwei sich gegenüberliegende Detektorelemente die Vernichtungsstrahlung gleichzeitig registrieren. Das Prinzip ist in Abbildung 4.19 zu sehen.

Bei dem Tomographen sind die zahlreichen Einzelkristalle auf einem Ring angeordnet. Fast alle PET besitzen mehrere Ringe, so dass bis zu 15 Schichten mit je 1mm Schichtdicke gleichzeitig aufgezeichnet werden können. Durch ein CT-ähnliches Rekonstruktionsverfahren lässt sich die räumliche Verteilung der Positronenstrahler nachweisen. Die örtliche Auflösung des PET ist mit weniger als 5 mm besser als beim SPECT. Sie ist allein von der Anordnung der einzelnen Detektoren auf dem Ring abhängig. Zu beachten ist, dass die Halbwertzeit der Isotope nur im Minutenbereich liegt. In Abbildung 4.20 ist ein Beispieldatensatz für eine Ge-hirndarstellung zu sehen.

Abb. 4.17: SPECT-Aufnahmen des Kop-fes mit einem Gehirntumor (hellster Bild-bereich) in der rechten Hemisphäre (links, Daten von der Klinik für Nuklearmedizin der Otto-von-Guericke-Universität Mag-deburg) und des Thorax (rechts, Daten von MIRG des Vancouver Hospitals)

Abb. 4.18: Grundprinzip der Darstellung der Tomogra-phie mit Positronenstrahlern, Bild aus [Baud81]

Abb. 4.19: F-18-Desoxyglu-kose-Verteilung in sechs Schichten des Gehirns

(M.E. Phelps Ph. D. UCLA School of Medicine, University of California, L.A.)

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es sich bei den nuklearmedizinischen bildgebenden Verfahren um Verfahren mit einer geringen Ortsauflösung und einem geringen Kontrast handelt. Es besteht ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis. Zumeist ergibt sich eine schlechte Abgrenzbarkeit von Objekten, da diese häufig keine geschlossenen Konturen auf-weisen. Beim SPECT und PET gibt es die Möglichkeit, 3D-Informationen zu gewinnen. Die Kosten für die Verfahren liegen im mittleren Bereich.

Eingesetzt werden nuklearmedizinische Verfahren in der Medizin zur Darstellung von Körperfunktionen. Dies betrifft vor allem Organe, wie Schilddrüse, Nieren, Herz, Gehirn und Skelett.

Der Einsatz von Bildverarbeitungsverfahren wurde bisher u.a. zum Auffinden von Tumo-ren, zur Erkennung von Durchblutungsdefekten und anderen Erkrankungen des Herzens so-wie zur Identifizierung von Erregungsmustern in der Hirnforschung untersucht. Im Beispiel-teil im Kapitel 9.3.3 werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Auswertung von dynami-schen SPECT-Aufnahmen des Herzens beschrieben.