Medizinische Visualisierung

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Vorlesung 2

07.11.2012, Universität Koblenz-Landau

Dr. Matthias Raspe SOVAmed GmbH

Medizinische Visualisierung

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Agenda

• Anatomische Grundlagen

• Hauptkörperregionen, Richtungsbezeichnungen

• Funktionsgruppen und Organsysteme

• Bildgebende Verfahren 1

• Röntgenstrahlung (Röntgen, CT)

• Kernspinresonanz

• Ultraschall (Sonographie)

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Anatomische Grundlagen

Medizinische Visualisierung

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Anatomie

• Anatomie ist Teil der Morphologie

• Lehre vom Aufbau und Struktur von Organismen

• Unterteilungen der Anatomie:

• makroskopisch -> hier relevant, v.a. topographische Anatomie

• mikroskopisch

• Embryologie

• Definierte Nomenklatur

• Vereinheitlichung der Bezeichnungen

• möglichst unveränderlich -> Latein

• aktuell: Terminologia Anatomica

Rembrandt „Die Anatomie des Dr. Tulp“

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MedVis - Vorlesung 2 07.11.2012 Dr. Matthias Raspe, SOVAmed GmbH

Anatomische Nomenklatur

• Namen meist aus 2-3 Bestandteilen:

• 1. Teil: Baugruppe, Bauform

• 2. Teil: Form, Lage, Länge, Farbe etc.

• 3. Teil: Ort, Größe, Zahlen etc.

• Beispiele:

• Cor

• Aorta abdominalis

• Corpus mandibulae

• Musculus biceps brachii

• Arteria carotis communis

• Sulcus arteriae subclaviae

• Vertebra lumbalis secunda

• ...

5

Hörsaal Uni Leipzig

(Wikimedia Commons)

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Anatomia Generalis - (Haupt-)Regionen

• Kopf und Hals [Caput, Collum]

• Obere Extremitäten [Membrum superius]

(Schulter, Oberarm, Ellbogen, Unterarm, Handgelenk, Hand)

• Brustkorb [Thorax]

• Bauchraum [Abdomen]

• Rücken [Dorsum]

(Wirbelsäule, Bandscheiben)

• Becken (Pelvis)

• Untere Extremitäten [Membrum inferius]

(Hüfte, Oberschenkel, Knie, Unterschenkel, Fußgelenk, Fuß

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Anatomia Generalis - Lage-/Richtungen (Auswahl)

• Hauptebenen

• Frontal-/Koronarebene

• Transversal-/Axialebene

• Sagittalebene

• Richtungsangaben (Rumpf)

• anterior/posterior (vorn/hinten)

• inferior/superior (unten/oben)

• dexter/sinister (rechts/links)

• allgemeine Richtungen

• medial/lateral (zur Mitte/zur Seite)

• dorsal/ventral (zum Rücken/zum Bauch)

• proximal/distal (zum Zentrum/vom Zentrum entfernt)

• cranial/caudal (zum Kopf/zum Schwanz)

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Richtungs-/Lageangaben in OsiriX

(Wikimedia Commons)

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Kardiovaskuläres System

(Wikimedia Commons) (Wikimedia Commons)

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Muskuloskeletales System

• Muskeln, Sehnen

• Bänder, Knochen

9 (Wikimedia Commons)

(Wikimedia Commons)

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Weitere Funktionsgruppen/Organsysteme

• Nervensystem • Lymphsystem

(Wikimedia Commons)

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Weitere Funktionsgruppen/Organsysteme

• Verdauungssystem • Ableitende Harnwege

11 (Wikimedia Commons)

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Weitere Funktionsgruppen/Organsysteme

• Atemtrakt/Atmungsapparat

• Hormonsystem (Endokrines System)

• Immunsystem

• Integumentäres System

• Haut, Haare, Nägel

• Fortpflanzungssystem

(Wikimedia Commons)

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Bildgebende Verfahren

Medizinische Visualisierung

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Darstellung des menschlichen Körpers

• Aus was besteht der Mensch?

• Hauptbestandteil Wasser

• Strukturen/Organe mit unterschiedlicher Dichte

• relevant für verschiedene Bildgebungsverfahren

• Sichtbarmachen von inneren Strukturen

Bestandteil Anteil (Atome)

Wasserstoff 63 %

Sauerstoff 25,5 %

Kohlenstoff 9,5 %

Stickstoff 1,4 %

Calcium 0,3 %

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Bildgebende Verfahren

• Verschiedene Kategorisierungen möglich:

• Mittel der Bilderzeugung (Strahlung, Schall, Resonanz etc.)

• Art der erzeugten Bilddaten (Projektionen, Schnittbilder, Oberflächen)

• Dynamik der Bilder (einfaches Röntgen vs. Ultraschall)

• Unterscheidung in morphologische und funktionelle Bildgebung

• morphologisch (anatomische) = die Struktur darstellend

• funktionell = die Aktivität/Bewegung (Stoffwechsel, Blutfluss) darstellend

• Aus heutiger Medizin nicht mehr wegzudenken:

• schnelle Übersichtsaufnahmen bei Unfallpatienten

• regelmäßige Kontrolluntersuchungen während Schwangerschaft

• Ergänzung zu weiteren Untersuchungen (z.B. Blutbild etc.)

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Röntgenbildgebung

• 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt

• zum ersten Mal Einblick in Körper „ohne Schnitt“

• zunächst unbekannte Strahlung („X-Strahlen“) → engl. „x-rays“

• Grundlage für Radiologie als eigene medizinische Fachrichtung

• Röntgenstrahlung als Kombination aus:

• Röntgenspannung → Bremsstrahlung (1%, 99% Wärme!)

• Anodenmaterial → charakteristische Strahlung (Linienspektrum)

„Hand mit Ringen“

(Wikimedia Commons)

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Röntgenbildgebung

• Grundprinzip: exponentielle Absorption der Strahlung → Projektionsbild

• Differenzierung von Strukturen unterschiedlicher Dichte

• aber: immer Belastung durch ionisierende Strahlung!

• Unterschiedliche Parameter für Bildentstehung:

• Röhrenspannung (kV)

• Röhrenstrom (mA)

• Belichtungszeit (s)

• Unterscheidung „weiche“ und „harte“ Strahlung

• weiche Strahlung (<100 keV)

• Differenzierung von Strukturen mit geringem Kontrast (z.B. Mammographie)

• hohe Dosisbelastung

• harte Strahlung (100 keV - 1 MeV)

• nur stark unterschiedliche Dichten zu differenzieren (z.B. Lunge)

• geringe Strahlenbelasung

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Beispiele Röntgenbilder

Lunge (gesund) Lunge mit Tumor

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Beispiele Röntgenbilder

19

Unterschenkel (Platte)

gebrochenes Schlüsselbein

(MTB-Sturz)

Dental-Scan (Panorama)

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etwas andere Röntgenbilder ;)

EIZO pinup-Kalender

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Röntgenbildgebung

• Verschiedene Varianten der Bildaufnahme

• Film-Folien-Kombinationen (inkl. Verstärkerfolien: nur 5% Schwärzung durch Röntgen)

• Digitalisierung der entwickelten Filme („computed radiographs“)

• direkte Digitalaufnahme durch Detektorfeld („direct radiographs“)

• Verwendung von Kontrastmitteln (KM)

• röntgenpositive KM: höhere Absorption als Umgebung (z.B. Bariumsulfat, Jodverbindungen)

• röntgennegative KM: geringere Absorption (z.B. Kohlendioxid, Luft)

• aber: nicht immer verträglich, Belastung für Körper (v.a. ältere Patienten)

• Spezielle Anwendungen von Röntgenaufnahmen:

• Mammographie: detaillierte Darstellung der weiblichen Brust

• Fluoroskopie: permanente Durchleuchtung

• Angiographie: Gefäßdarstellung

21

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Beispiel/Diskussion Mammographie

• Röntgenbild mittels weicher Strahlung:

• Kompression der Brust zur besseren Darstellung

• meist zur

Vorsorgeuntersuchung

(Krebsvorsorge, ca. ab 50+)

• Aber: Kritik an Methode

• Strahlungsbelastung

• zahlreiche falsch-positive Befunde

• technologischer Fortschritt...!

Aufnahme

Mammogramm mit Befund

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Beispiel Fluoroskopie

23 (YouTube)

Untersuchung von Schluckbewegungen

(Wikimedia Commons)

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Beispiel Angiographie

• Darstellung des Gefäßlumens mit Röntgentechnik

• Unterscheidung

• Übersichtsangiographie: KM in Aorta, Darstellung der großen Gefäße

• Selektive Angiographie: Punktion zur lokalen KM-Applikation per Katheter

• Variante: Digitale Subtraktionsangiographie (DSA)

• Aufnahme der Anatomie ohne und mit KM

• Subtraktion der Bilder → „freigestellte“ Gefäßstrukturen

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1: Image Modalities 1.4: X–Ray 1.4.4 Angiography

Digital Subtraction Angiography (DSA)

Figure 1.4.4-3: Digital Subtraction Angiography: mask image (left), fill image (middle), angiogram (right)

Digital Subtraction Angiography (DSA)

- =

DSA Hirngefäße (Folien D. Paulus)

DSA Beingefäß

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Computertomographie (CT)

• Konventionelles Röntgen liefert nur 2D-Projektionen

• Veränderung der Projektionsrichtung?

• „Rotationsröntgen“ (C-Bogen)

• Konventionelle Tomographie

• 1968 von Cormack und Hounsfield entwickelt:

• Röntgenstrahler und -detektor rotieren um Patienten/Objekt

• jedes Röntgenbild repräsentiert Intensitätsprofil für diese Richtung

• Berechnung von Axialschnitt mittels Radontransformation

• Weiterbewegung des Patienten

• Wesentliche Vorteile:

• genaue 3D-Position anatomischer Strukturen

• höhere Empfindlichkeit bei Weichteilstrukturen

• quantitative Messungen möglich

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C-Bogen

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CT-Generationen

• Verschiedene Generationen, nach Bewegungsart unterteilt:

• Wesentliche Weiterentwicklungen:

• Spiral-CTs

• kontinuierliche Bewegung des Patienten

• Bilddaten auf Helixbahn durch Z-Interpolation rekonstruiert

• Mehrzeilen-CTs

• Dual-Source-CTs

Motivation - Von Radiographie zu Realtime-CT Physikalische und Technische Grundlagen Computertomographie (CT) Fazit und Ausblick

Erzeugung eines Schnittbildes mit der Radon-Transformation Die Generationen der CT-Geräte

CT-Aufnahmen des schlagenden Herzens

1. Generation

1974: Translation + Rotation

Scanzeit pro Schichtbild:

4-6 min Zahl der

Detektorelemente: 1-2 Auflösung (x-y-Ebene):

1 mm

Stephan Wirthstwirth@uni-koblenz.de Radiographie + CT

2. Generation

Translation + Rotation

10-20 s Zahl der

Detektorelemente: 6-60, später bis 512

Fächerstrahlwinkel:

3-15^◦

Auflösung (x-y-Ebene):

0.75 mm

3. Generation

1976: Rotation + Rotation

Scanzeit pro Schichtbild: 0.75 s Zahl der Detektorelemente: 1000 Fächerstrahlwinkel: 50^◦

Auflösung (x-y-Ebene): 0.5 mm Neu:Hoch- und Niedervoltschleifringe Problem:Schleifkontakte bringen Störungen

Lösung:Optoelektronische Übertragung

4. Generation

Rotation + stationär

0.75 s Zahl der

Detektorelemente: 4800 Fächerstrahlwinkel: 50^◦ Auflösung (x-y-Ebene):

0.35 mm

Translate-Translate-Rotate Translate-Rotate Rotate-Rotate Rotate-Stationary

Prinzip des Spiral-CT Toshiba Aquilion ONE

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CT-Gerät in Aktion

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Offenes CT in Rotation

(Wikimedia Commons)

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CT-Bilder

• Rekonstruktion der CT-Aufnahme liefert:

• Serie von axialen Schnittbildern fester Auflösung (z.Z. meist 512x512)

• Schichtdicke (Kollimation) von Protokoll und Gerätegeneration abhängig (0.5mm bis cm)

• Bildelemente (Voxel) haben absolute Intensitäten

• Hounsfield-Skala:

• absolute Skala durch Beschreibung der Abschwächung der Röntgenstrahlung

• für beliebiges Gewebe mit Schwächungs- koeffizient µG gilt:

• Wertebereich -1000 bis 3000 = 12 Bit

Gewebe/Struktur HU

Luft -1000

Lunge -900 bis -170

Weichteile -300 bis -100

Fett -220 bis -30

Wasser 0

CSF 15

Blut 30 bis 50

Leber (nativ) 20 bis 60 Knochen (Spongiosa) 50 bis 300 Knochen (Compacta) > 1000

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Darstellung von CT-Bildern

• nicht alle Graustufen gleichzeitig wahrnehmbar (ca. 20 gleichzeitig)

• Abbildung des Wertebereichs auf Intervall („Fenster“) variabler Breite und Position

• meist vordefinierte „Fenster“ und interaktive Einstellung

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a. Hounsfield-Skala von –1024 HU bis +2048 HU; b. "Lungenfenster" von –1000 HU bis + 200 HU;

c. "Mediastinumfenster" von –250 HU bis +150 HU d. "Knochenfenster" von +50 HU bis + 200 HU

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Diskussion Computertomographie

• Zunehmender Einsatz von CT:

• breite Verfügbarkeit

• relativ preiswert (ca. 70-100 EUR)

• hohe Bildqualität durch verbesserte Technik/Workstations

• Ionisierende Strahlung

• Strahlendosis um ein Vielfaches höher als bei einfachem Röntgen

• Kontraindikationen: Schwangerschaft, KM-Unverträglichkeiten

• Direkter Zusammenhang zwischen Dosis und Bildqualität

• Dennoch: eine der wichtigsten Weiterentwicklungen seit Röntgen

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Kernspintomographie (MRT)

• Entwickelt Ende 1970er von Lauterbur und Mansfield

• ursprünglich „nuclear magnetic resonance“ (NMR) genannt

• keine Röntgenstrahlung → keine Strahlenbelastung

• Einsatz starker Magnetfelder und HF-Impulse

• Grundprinzip: unterschiedliches Resonanzverhalten von Gewebe in starken Magnetfeldern

• ausreichende Protonenmenge als Voraussetzung für Bildgebung

• für Lunge und Knochen ungeeignet → CT/Röntgen

• Weichteilgewebe, Bänder usw. sehr gut darstellbar

• aber: zahlreiche Kontraindikationen (Herzschrittmacher, Cochlea-Implantate, Metallsplitter, Metalle (z.B. Clips nach Hirnaneurysma); Frühschwangerschaft)

• sehr flexible, aber aufwendige und langwierige Bildgebung (2-30 Minuten)

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Grundprinzip MRT

• Protonen haben natürlichen Spin → natürlicher Magnetismus

• Ausrichtung in externem Magnetfeld

• Spin bleibt erhalten → „torkelnder Kreisel“ um ext. Magnetfeld („Präzession“)

• Einstrahlen elektrischer Hochfrequenzwellen dieser Larmor-Frequenz führt zu Resonanz

• Abschalten des HF-Impulses

• Rückkehr in Grundzustand (Relaxation)

• magnetischer Impuls durch Energieabgabe

• Messung dieses Impulses und der Zeiten durch HF-Antennen

• T1-Zeitkonstante (Spin-Gitter-Relaxationszeit, ~1s) → T1-gewichtet

• T2-Zeitkonstante (Spin-Spin-Relaxationszeit, ~10ms) → T2-gewichtet

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Bilderzeugung MRT

• Ausreichend großes und homogenes Magnetfeld

• 3 Tesla-Systeme verbreitet, 7-11 Tesla in Erprobung

• Ganzkörpersysteme mit supraleitenden Magneten

• Gradientenspulen zu Modulation in 3 Hauptrichungen

• HF-Spulen an zu untersuchender Region (Kopf, Knie etc.)

• Aussenden der Impulse in definierten Sequenzen

• Zeit zwischen zwei Impulsen: „Repetitionszeit“ (TR)

• Zeit zwischen Impuls und Echo: „Echozeit“ (TE)

• Rekonstruktion der emfangenen Signale zu Bildern in beliebiger Schnittebene (Fourier-Transformation)

• Permanente Weiterentwicklung der Sequenzen

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3T-MRT-Gerät

(Wikimedia Commons)

MRT-Kopfspule

(Wikimedia Commons)

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Bilder MRT

Thorakale Wirbelsäule a) T1, b) T2

Hirntumor vor (oben) und 20 Monate nach (unten) Chemotherapie: a+c) T1, b+d) T2 MRT Hirntumor: A) T1, B) T1 mit KM, C) T2, D) CT

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Diskussion MRT

• Probleme/Nachteile bei der Bildgebung

• Artefakte durch Patientenbewegungen (lange Aufnahmezeiten, Lautstärke etc.)

• inhomogenes Magnetfeld, Rauschen

• Störungen durch Metall, chemische Veränderungen

• Anschaffung und Betrieb der Geräte sehr teuer

• geringe Verbreitung

• hohe Kosten pro Aufnahme

• Zusätzlicher Aufwand bei Intra-OP-MRT

• MRT-kompatible Ausstattung

• Berücksichtigung von Effekten >3T

• Großes Potenzial, da keine schädigende Strahlung

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