Medizinische Visualisierung - userpages.uni-koblenz.decg/ws1213/medvis/vorlesung/MedVis_Vorlesung2... · MedVis - Vorlesung 2 07.11.2012 Dr. Matthias Raspe, SOVAmed GmbH Anatomie

Vorlesung 207.11.2012, Universität Koblenz-Landau

Dr. Matthias RaspeSOVAmed GmbH

Medizinische Visualisierung

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

Agenda

• Anatomische Grundlagen• Hauptkörperregionen, Richtungsbezeichnungen• Funktionsgruppen und Organsysteme

• Bildgebende Verfahren 1• Röntgenstrahlung (Röntgen, CT)• Kernspinresonanz• Ultraschall (Sonographie)

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Anatomische Grundlagen



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

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Rembrandt „Die Anatomie des Dr. Tulp“(Wikimedia Commons)


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• ...

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Hörsaal Uni Leipzig(Wikimedia Commons)


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)


Kardiovaskuläres System

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(Wikimedia Commons) (Wikimedia Commons)


Muskuloskeletales System

• Muskeln, Sehnen

• Bänder, Knochen

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(Wikimedia Commons)

(Wikimedia Commons)


Weitere Funktionsgruppen/Organsysteme

• Nervensystem • Lymphsystem

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(Wikimedia Commons)



• Verdauungssystem • Ableitende Harnwege

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(Wikimedia Commons)



• Atemtrakt/Atmungsapparat

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• Hormonsystem (Endokrines System)

• Immunsystem

• Integumentäres System• Haut, Haare, Nägel

• Fortpflanzungssystem

(Wikimedia Commons)

Bildgebende Verfahren



Darstellung des menschlichen Körpers

• Aus was besteht der Mensch?• Hauptbestandteil Wasser• Strukturen/Organe mit

unterschiedlicher Dichte• relevant für verschiedene

Bildgebungsverfahren

• Sichtbarmachen voninneren Strukturen

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Bestandteil Anteil (Atome)Wasserstoff 63 %Sauerstoff 25,5 %Kohlenstoff 9,5 %Stickstoff 1,4 %Calcium 0,3 %


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)

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„Hand mit Ringen“(Wikimedia Commons)

(Wikimedia Commons)

Röntgenbild der Hand


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

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Lunge (gesund) Lunge mit Tumor


Beispiele Röntgenbilder

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Unterschenkel (Platte)

gebrochenesSchlüsselbein(MTB-Sturz)

Dental-Scan (Panorama)


etwas andere Röntgenbilder ;)

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EIZO pinup-Kalender


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

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Beispiel/Diskussion Mammographie

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• 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 heute vs. früher

Mammogramm mit Befund


Beispiel Fluoroskopie

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(YouTube)

Untersuchung von Schluckbewegungen(Wikimedia Commons)


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), fillimage (middle), angiogram (right)

– Medizinische Bildverarbeitung 1 (c) Dietrich Paulus 1.4.4-3









- =

DSA Hirngefäße (Folien D. Paulus)

DSA Beingefäß


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


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

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Motivation - Von Radiographie zu Realtime-CT

Physikalische und Technische Grundlagen


Fazit und Ausblick

Erzeugung eines Schnittbildes mit der Radon-Transformation

Die Generationen der CT-Geräte

CT-Aufnahmen des schlagenden Herzens

1. Generation1974: Translation + Rotation

Scanzeit pro Schichtbild:

4-6 min

Zahl der

Detektorelemente: 1-2

Auflösung (x-y-Ebene):

1 mm

Stephan Wirth [email protected] Radiographie + CT




Fazit und Ausblick




2. GenerationTranslation + Rotation


10-20 s

Zahl der

Detektorelemente: 6-60,

später bis 512

Fächerstrahlwinkel:

3-15!


0.75 mm





Fazit und Ausblick




3. Generation1976: Rotation + Rotation

Scanzeit pro Schichtbild: 0.75 s

Zahl der Detektorelemente: 1000

Fächerstrahlwinkel: 50!

Auflösung (x-y-Ebene): 0.5 mm

Neu: Hoch- und NiedervoltschleifringeProblem: Schleifkontakte bringenStörungenLösung: Optoelektronische Übertragung





Fazit und Ausblick




4. GenerationRotation + stationär


0.75 s

Zahl der

Detektorelemente: 4800

Fächerstrahlwinkel: 50!


0.35 mm

Stephan Wirth [email protected] Radiographie + CTTranslate-Translate-Rotate Translate-Rotate Rotate-Rotate Rotate-Stationary

Prinzip des Spiral-CT Toshiba Aquilion ONE


CT-Gerät in Aktion

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Offenes CT in Rotation(Wikimedia Commons)


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

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Gewebe/Struktur HULuft -1000

Lunge -900 bis -170Weichteile -300 bis -100

Fett -220 bis -30Wasser 0

CSF 15Blut 30 bis 50

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


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


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)


Bilder MRT

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Thorakale Wirbelsäule a) T1, b) T2Hirntumor 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


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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