Medizinische Physik: Physikalische Grundlagen der ... · Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung Signale der bildgebenden Verfahren für die medizinische Diagnostik

Medizinische Physik:Physikalische Grundlagen der medizinischen Bildgebung

Physics in Medicine:Physical Fundamentals of Medical Imaging

Klaus Lehnertz

Inhalt:- Einleitung / Übersicht- Röntgen-Tomographie und Computed Tomographie (CT)- Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)- Positronen-Emissions Tomographie (PET)- Magnetresonanz-Tomographie (MRT) - funktionelle Magnetresonanz-Tomographie (fMRT)- Neuroelektrisches (EEG) und Neuromagnetisches (MEG) Imaging

Literatur:

H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, 3. Aufl. , Publicis MCD Verlag, 1995

O. Dössel: Bildgebende Verfahren in der Medizin, Springer, 2000

Ed. S. Webb: The Physics of Medical Imaging, Adam Hilger, Bristol, 1988

P. Bösiger: Kernspin-Tomographie für die medizinische Diagnostik, Teubner

W. Buckel: Supraleitung, VCH Weinheim, 1993

E.Niedermeyer/F.H. Lopes da Silva; Electroencephalography, Urban & Schwarzenberg, 1998

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin

Ziele der medizinischen Bildgebung:

- Visualisierung des Körperinnern

- zerstörungsfreie (nicht-invasive) Untersuchung von Struktur und Funktion

- Diagnostik

- Therapie / Therapieplanung

- Verlaufskontrolle

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung


makroskopischcm

mikroskopisch< nm

AnatomieHistologie

ZytologieMolekular-

Biologie

Biochemie


Medizinische Bildgebung ist ein multidisziplinäres Gebiet

- Physik (Materie, Energie, Strahlung, ...)

- Mathematik (Lineare Algebra, Numerik, Statistik)

- Lebenswissenschaften (Biologie / Physiologie / Medizin ...)

- Ingenieurswissenschaften (Implementierung)

- Informatik (Bildrekonstruktion, Signalverarbeitung)

Medizinische Bildgebung erfordert Interdisziplinarität !!

Begriffsdefinitionen:

Bildgebende Verfahren:

- Techniken zur Visualisierung von Verteilungen physikalischerEigenschaften (z.B. Dichte, Leitfähigkeit, Konzentration)im Körperinnern

- Grundlage: Physik der Interaktion zwischen Energie und Materie

- Energieformen: Photonen, γ, e+, e-, EM-Felder, Ultraschall, ...



Caveat: Bioverträglichkeit !!

Energieformen

Begriffsdefinitionen:

Aktive Bildgebung:

- Abbildungsvorgang durch Zuführung von Energie („Körper-fremde Signale, z.B.: Röntgenstrahlung, Magnetresonanz, nuklearmedizinische Verfahren, Ultraschall)

Passive Bildgebung:

- Abbildungsvorgang durch Ausnutzung „Körper-eigener“ Signale(z.B.: nuklearmedizinische Verfahren, EEG, MEG, EKG, MKG)



Energie(aktiv)

Objekt

Bild

Det

ekto

r

MathematischeAlgorithmen

(passiv)


Auge:

- leistungsfähiger Informationsüberträger

- begrenzter Wellenlängenbereich

- Wahrnehmung durch Reflektion von EM-Wellen (Licht) auf Oberfläche von Objekt (oder durch dort generierte EM-Wellen)

- Aber: Mehrheit der Stoffe der belebten und unbelebten Natursind in größerer Dicke lichtundurchlässig

- Wahrnehmung des Objektinneren erfordert Zerstörung (künstliche Schaffung neuer äußerer Oberflächen)




Mikroskopie


Mikroskopie

Santiago Ramon y Cajal, 1920


Lichtmikroskopie


konfokale Licht-(Laser) Mikroskopie


Elektronenmikroskopie


Rasterelektronenmikroskopie (REM)


Rasterelektronenmikroskopie (REM)

Fliegenauge


Raster-Kraft-Mikroskopie

The Nobel Prize in Physics 1986

Ernst RuskaFritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Berlin b. 1906d. 1988 "for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope"

Gerd BinnigIBM Zurich Research Laboratory Rüschlikonb. 1947

"for their design of the scanning tunneling microscope"

Heinrich RohrerIBM Zurich Research Laboratory Rüschlikonb. 1933




Schaefer et al., PNAS 99, 7154, 2002

hormone macromolecules entering cell nucleus



3D-Elektronen-Tomographie

Auflösung: 1.5 - 2 nm

Lichtmikroskopie

700 nm

3D-Elektronen-Tomographie

300 nm

Medalia et al., Science 298, 1209, 2002

Actin Zytoskelet von Zellen


Vergleich verschiedener Mikroskopieverfahren

Verfahren Auflösung Eindringtiefe Interaktion Umgebung

Optisch(Photonen) ~0,3 – 1 µm <1 µm

@103XLicht

e.m.-Welle

Luft, Gas,Vakuum,Flüssigk.

TEM 0,2 nmhoch,

aber dünneProbe erford.

E-,H-Felde- Streuunge- Beugung

Vakuum

AFM lateral ~ 1 nmTiefe 0,1 nm 0,1 nm

atomare Kräfte(van der Waals,

kovalent, ionisch)Reibung,

elektrostatisch +magn. Kräfte

Vakuum,Luft, Gas,Flüssigk.


Ziele der medizinischen Bildgebung:

-Visualisierung des Körperinnern

OM, TEM (REM), AFM ungeeignet

- zerstörungsfreie (nicht-invasive) Untersuchung von Struktur und Funktion

OM, TEM (REM), AFM ungeeignet

- Diagnostik- Therapie / Therapieplanung- Verlaufskontrolle


Caveat: Bioverträglichkeit !!

Energieformen


Signaleder

bildgebenden Verfahren für die medizinische Diagnostik

Körper-eigene Signale Körper-fremde Signale

Bio-Elek-trizität

Magne-tismus

InfrarotBG

ImpedanzBG

EKGEEG

ECoGEMGENG

MKGMEG

IRB IMPB

E-Feld H-Feld IR Z

Funktion / (Morphologie)

RöntgenCT

PET SPECT Szinti-graphie

Magnet.Kern-

Resonanz

USCT

Speicher-folien

Röntgen-BVRöntgen-CTSynchronton-

Strahlung

PositronenEmissionsTomogr.

SinglePhoton

EmissionComputedTomogr.

MRSMR-Angio.

fMRT

Sono-graphie

µ γ (511 keV) γ γ e.m.HF

Schall

Morphologie Metabolismus Funktion / Morphologie


Bio-Elektrizität/-Magnetismus

Electrical/Magnetic Source Imaging:

Informationsaustausch (Neuronen, Muskelfasern) -> Stromfluss -> Magnetfeld

(nV – mV) (fT – mT)

empfindliche Sensoren/VerstärkerE-Feld: ElektrodenH-Feld: SQUID

Quellen-/Volumenleitermodelleinverses Problem

Fusion mit CT/MRT


Bio-Elektrizität/-Magnetismus:



Ultraschall:

- Reflexion von US an akustischen Grenzflächen (z.B. Organbegrenzung)- Reflexionsgrad hängt vom Unterschied der akustischen Eigenschaften ab

(typisch einige % der Schallenergie für Weichteilgewebe)- Streuung von US an kleinen Objekten


Abbildung mit Röntgenstrahlen

unterschiedliche Schwächung von Röntgenstrahlen in den Geweben des Körper

Wilhelm Conrad RöntgenEntdeckung der Röntgenstrahlenam 8. November 1895Nobelpreis für Physik: 1901

Röntgen-Aufnahme derHand von Frau Röntgen

(22. Dezember 1895)moderne Röntgen-Aufnahme


Röntgen-CT:


Röntgen-CT:


Nuklearmedizinsche Techniken (PET/SPECT)

- PET: radioaktive Markierung einer biologischen Substanz mit Positronenstrahlern (C-11, N-13, O-15, F-18) Beispiele: O-15 Wasser, F-18 Deoxyglukose

- SPECT: Radionuklide, γ-Strahler - Einbringen der Tracersubstanz in den Körper- Verteilungsmuster abh. von Funktion des Zielorgans und Aufnahmezeitpunkt- Messung der aus dem Körper austretenden Strahlung


Nuklearmedizinische Techniken (PET)


Nuklearmedizinische Techniken (SPECT)

GanzkörperKnochentumor

Herz-Funktion Hirn


Magnetresonanztomographie

- beruht auf dem Effekt der magnetischen Kernspinresonanz - Verteilung verschiedener Relaxationszeiten der Wasserstoffkerne

und der Protonendichte aufgrund chemischer Änderungen oder Konzentrationsänderungen



Gehirn; sagittal Multislice T1


Gehirn; axial Multislice T1



T1 Kontrast ProtonendichteT2 Kontrast



Funktionelle Magnetresonanztomographie

Augen Lippen Zunge

Knie Becken FingerZehen


Vergleich verschiedener Verfahren

PET CT MRT


Kombination verschiedener Verfahren

PETCT Überlagerung



MRT

SPECT (A-scan)

SPECT (B-scan)



Iktuales SPECT

Interiktuales SPECT


Kombination verschiedener VerfahrenMEG und MRT



Andreas VesaliusAnatom1514-1564

Visible Human Project


Lokalisation

Perfusion

Metabolismus

RezeptorenAntigene

Genexpression

Physiologie

Morphologie

Molekular-Biologie

VolumenFläche

Röntgen, CTUltraschall


Doppler, CT, MRT

Spektroskopie

Tracer Methoden

Proliferation PET/SPECT

Optisch

PET, SPECT, MRT

Entwicklung bildgebender Verfahren


Quanten- und AtomphysikElektromagnetismus/Elektrizität & MagnetismusStatistische and TieftemperaturphysikThermodynamik

MRT

Kernstruktur TeilchenphysikHalbleiterphysik u. Anwendungen StrahlenphysikMedizinische Physik

PET/SPECT

Quanten- und Atomphysik Materialphysik.Kerne, Moleküle, Festkörper Halbleiterphysik u. AnwendungenStrahlenphysik Medizinische Physik

Röntgen-CT

Teilgebiete der PhysikBildgebendesVerfahren

Physikalische Grundlagen

EEG/MEG Medizinische PhysikElektromagnetismus/Elektrizität & MagnetismusStatistische and Tieftemperaturphysik, Thermodynamik

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