Bildgebende Verfahren in der Medizin

- eine Auswahl -

BildgebendeBildgebende VerfahrenVerfahren in in derder MedizinMedizin

-- eineeine AuswahlAuswahl --

Christian Kollmann Ph.DPeter M. Schaffarich

Zentrum fr Biomedizinische Technik & Physik

Medizinische Universitt Wien

Technisches UltraSchall-Labor AKH

Ebene 4L, Whringer Grtel 18 20A - 1090 Wien

Tel : (+43 1) 40400 - 1712Fax: (+43 1) 40400 - 3988

E-mail : christian.kollmann@meduniwien.ac.atInternet : www.bmtp.akh-wien.ac.at/people/kollch1/

WorldYear of Physics 2005

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

Forschungsbereicheam ZentrumForschungsbereicheForschungsbereicheam Zentrumam Zentrum

Enquete Kooperation Wissenschaft-Industrie BMT-Austria 2000Winfried Mayr Transferpotential im Bereich der Funktionellen Elektrostimulation

links Rf-versorgtes 8-Kanalimplantat mitte Rf-versorgtes 20-Kanalimplantat rechts batterieversorgtes 8-Kanalimplantat

3 Generationen Wiener FES-Implantate:ProjekteTechnik :

Enquete Kooperation Wissenschaft-Industrie BMT-Austria 2000Winfried Mayr Transferpotential im Bereich der Funktionellen Elektrostimulation

FES mit Oberflchenelektroden

Mobilisation nach Querschnittlhmung imInstitut fr Physikalische Medizin und Rehabilitation

Wilhelminenspital

Wiedererlernen von Bewegungennach partieller Lhmung

Universittsklinik fr Physikalische Medizinund Rehabilitation, AKH

Universittsklinik fr Neurologie, AKH

Rehabilitationszentrum Weier Hof

Werner Wicker-Klinik, Bad Wildungen

Diplomarbeit Ch. HoferDissertation M. Rakos

Enquete Kooperation Wissenschaft-Industrie BMT-Austria 2000Winfried Mayr Transferpotential im Bereich der Funktionellen Elektrostimulation

Alternative FES-Training: MYOSTIMisometrisches Muskeltraining geringer Intensitt,dafr 6h pro Tag, whrend der Routinearbeit

einfachste Handhabung der Ausrstung:- Elektrodenhose (Patent D. Rafolt)- weitgehend automatisierter 8-Kanal-Stimulator

Kooperationspartner:IBMP-Moskau

Projektleiter:G.Freilinger

Finanzierung:Wissenschaftsministerium

Historischer Ersteinsatz der FES fr Muskeltraining im Weltraum

Dez.98 Feb.99 und Feb.99 Aug.99

Lokalisierung chirurgischer Instrumente auf pr- und intraoperativen Bildern

Eigenentwicklung am ZBMTP

Projekte

Physik :Computer-untersttzte Chirurgie ( CAS )

Augmented Reality - CAS II

See-through Head-mountedDisplay fr den Chirurgischen Einsatz

Reales Bild und Computer-grafik werden in der Fokal-ebene vereint

OP-Mikroskop, daher gemeinsamer Fokus, Parallaxenkorrektur, erhhte Akzeptanz (da es sich um ein chirurgisches Instrument handelt).

Medizinische Bildverarbeitung

Virtuelle EndoskopieRumliche Registrierungvon CT- & SPECT-Bildernzum Tumor-Staging in derGesichtschirurgie

Gewebeklassifikationvon MR-Bildern fr die Radiotherapieplanung

Chr. Kollmann

ZBMTP, Vienna in Kooperation mit Klinik f. Neuroradiologie, Univ. Regensburg

Projekte

Physik :Multimodale Bildfusion von MR- / CT- / US-Bildern

2D-CCT (Keilbeinflgelmeningeom) + 2D-US-TCCS

Neurologie :

Verwendung einesMutual InformationAnsatzes

2 Maligne MCA-Infarkte mit / ohne US-Flow-Information

Subarachnoidalzyste

Korrekte berlagerungzweier Bildmodalitten

Computergesttzte Endosonographie -CAS III

Verfolgung eines endoskopischen Schallkopfs zur Biopsieentnahme

Registration mit properativenAufnahmen durch 2D/3D Registrationsverfahren

Projekte

Physik :

Chr. Kollmann

Die technologischen Ressourcen

Klinische Anwendungen& Bildverarbeitung

Testobjekte&

Phantombau QS-Konzepte

Exposimetrie(Hydrophone &Wassertanks)

Ultraschall-Labor

Chr. Kollmann

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

BildgebendeVerfahren & Klinischer Einsatzin derNuklearmedizin

BildgebendeVerfahren & Klinischer Einsatzin derNuklearmedizin

Nuklearmedizinische Verfahren (Gammakamera - Prinzip)

Visualisierung dynamischer & chem. Vorgnge im Krper

Gammakamera e.cam duet, Siemens

Gammakamera (Szintigraphie, ca. 1960)

invasive Gabe eines Radiopharmakons (organ-spezif.)mit kurzer Halbwertszeit

Anreicherung im Organ & Zerfall v. -Strahlung

Detektion d. Lichtblitze der -Quanten durch Photo-multiplier im Szintillator

elektr. Ortung des Ursprungs der Strahlung

Darstellung der 3D-Aktivittsverteilung auf der Kristall-Ebene als Bild (Projektion)

Auflsung : ca. 2 3 mm

Planare Szintigraphie derLunge

Chr. Kollmann

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLabNuklearmedizinische Verfahren (Gammakamera - Prinzip)

Szintigraphie

Tc-99m, Ga-68, J-131senden -Quant in beliebigeRichtung

Kollimator liefert Ortsinformation(senkr. einfall. Ereignisse zugelassen)

Uni Marburg

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLabNuklearmedizinische Verfahren (Gammakamera - Prinzip)

Uni Marburg

Photovervielfacher (Photomultiplier)

Verstrkung ca. 1.000.000-fache

am Ausgang :elektr. Signal proport. der Energie der absorbierten Strahlung

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLabNuklearmedizinische Verfahren (Gammakamera - Prinzip)

Uni Marburg

Auswerte-Eletronik

Chr. Kollmann

Nuklearmedizinische Verfahren (Gammakamera - Medizinische Anwendungen)

Septum-Defekte, Schlagvolumen (201 Th-Chlorid, 99 TC-Phosphat)

Schilddrsentumor, berfunktion (131 J, 123 J)

Lungenbelftung (133Xe)

Nierendurchblutung, -sekretion, - exkretion (99Tc-Chelate)

Knochentumor (99Tc-Phospate)

Schilddrsen-Szintigraphie

Planare Szintigraphie der Lunge

Ganzkrper-Szintigraphie

Chr. Kollmann

Nuklearmedizinische Verfahren (SPECT - Prinzip)

Single Photon Emission Computer-Tomographie (ca. 1989)

Schnittbildverfahren (analog z. CT)

Detektion einzelner Lichtblitze (Photonen)verursacht von einem -Quant durch Photomultiplierim Szintillator der Gammakamera

Messung der emittierten Strahlung aus vielen Winkelnmit einer /mehreren Gammakamera/s

Rekonstruktion d. Aktivittsverteilung i. einer Schnittebene

Auflsung : ca. 10 15 mm

SPECT Scanner, General Electric

Multi-head SPECT Scanner, Siemens

SPECT Aufnahme vom Kopf

Chr. Kollmann

Nuklearmedizinische Verfahren (SPECT - Prinzip)

Single Photon Emission Computer-Tomographie (ca. 1989)

Aktivittsverteilung aus bis zu 120Winkelpositionen aufgezeichnet

im PC :3D-Abbildung derAktivittsverteilungerrechnet

Uni Marburg SPECT Aufnahmeeines Skeletts

Schnittbild-Rekonstruktion zur Beurteilung der Aktivittsanreicherung :

transversal sagittal coronar

Chr. Kollmann

Nuklearmedizinische Verfahren (SPECT - Medizinische Anwendungen)

Anwendungsgebiete SPECT :

in hnlichen Bereichen wie die planare Szintigraphie- Herz - Schilddrse- Lunge - Niere- Knochen

SPECT wird vorgezogen, wenn eine echte 3D-Aktivittsverteilungf. d. Diagnostik ntig ist

Vitalittsdiagnostik des Herzmuskels (Schnittbildverfahren Voraussetzung)

Aktivittsverteilung im Kopf

Chr. Kollmann

Nuklearmedizinische Verfahren (PET - Prinzip)

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Molekle werden mit p+-Tracer (Zyklotron) markiert &i. d. Krper eingebracht

Positron (p+) zerfllt in 2 -Quanten, die unter 180 fortfliegen(Annihilation, 511 keV)

Nachweis und Ortsdetektion durch Koinzidenzmessung(Auflsung : ca. 2 5 mm)

PET-Scanner, Prinzip-Skizze

PET-Scanner, General Electric

Medizinische Tracer : 18F-2-Desoxy-D-Glucose (FDG) 11C-Palmitinsure (CTA)

Chr. Kollmann

Anwendungsgebiete PET :

Tumorlokalisation, -wachstumsratenMetastasierungStagingEpilepsie-, AlzheimerdiagnostikDurchblutung, Stoffwechsel MyokardIschmieInfarkt-, MelanomdiagnostikEntzndliche Weichteilprozesse

Entwicklung & Wirkungsweise Medikamente

Bronchialkarzinom i. Bereich d. linken Nebenniere (Khn, Med. Klin Wochenschr. 10-11a, 2002)

Rezidiv e.Bronchialkarzinoms i. rechten Oberlappen (Khn, Med. Klin Wochenschr. 10-11a, 2002)

Larynxkarzinom m. Lymphknotenmetastasen (Kresnik, Med. Klin Wochenschr. 15-16a, 2002)

Chr. Kollmann

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

BildgebendeVerfahren & Klinischer Einsatz

Ultraschall

BildgebendeVerfahren & Klinischer Einsatz

Ultraschall

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

7 cm long breast abcessssurvey of extremities

large field scanning pixel-by-pixel pattern recognition technique

B - Mode(Siemens)

Clinical applications of US imaging techniques (SieScape)

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Grauwertbild einer Zellulitis Nervus ulnar am Arm

als bildgebendes Verfahren zur Diagnose & DarstellungB-Mode

Bereich : Radiologie / Abdomen

Chr. Kollmann

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Darstellung der Durchblutung einer Schilddrse(Power Doppler)

Durchblutung der Leber(Farb-Doppler)

als bildgebendes Verfahren zur Diagnose & Darstellung3D-Mode

Bereich : Radiologie / Neurologie

Chr. Kollmann

Aortenklappen 4-Kammerblick ins Herz

als bildgebendes Verfahren zur Diagnose & DarstellungB-Mode

Bereich : Kardiologie / Herz

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Chr. Kollmann

Tissue Doppler (Harmonic) Imaging TDI combined with M-modeheart systolic / diastolic(left /right) (Toshiba)

UltraSoundUltraSound--LabLab

Chr. Kollmann

Clinical applications of Harmonic Imaging III

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Blutflu in der Aorta (Farb-Doppler) 3D-Darstellung des Parenchyms einer Niere

als bildgebendes Verfahren zur Diagnose & DarstellungDoppler-Mode

Bereich : Radiologie

Chr. Kollmann

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Ftus 8. Woche Darstellung von Extremitten

als bildgebendes Verfahren zur Diagnose & Darstellung3D-Mode

Bereich : Gynkologie / Geburtshilfe

Chr. Kollmann

Clinical imaging applications (4D-Mode)

- real-time (16 fps) display of 3D-rendered fetal shape

(Kretz Technik)

UltraSoundUltraSound--LabLab

Chr. Kollmann

3-Scape, Siemens

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

Vivid i(General Electric, USA)

Examples :

Hardware development : Portable & wire-less US equipment IV

Logiq Book XP(General Electric, USA)

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

weitere klinischeVerfahrenmit Ultraschall

weitere klinischeVerfahrenmit Ultraschall

als Ultraschall-Mikroskop

Aufnahme einer XTH2-Zelle (Bildbreite : 0,1 mm, Frequenz 1 GHz)

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Chr. Kollmann

in der Ultraschall-Knochendensitometrie(Osteoporose- & Arthritis-Untersuchung)

Der medizinisch genutzte Ultraschall hat sich in vielen Bereichen etablieren knnen :

Knochendensitometer der Fa. Hologic, Modell Sahara, USA

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Chr. Kollmann

zur Lithotripsie (Nieren- & Gallensteinzertrmmerung)

Der medizinisch genutzte Ultraschall hat sich in vielen Bereichen etablieren knnen :

Einsatz eines Lithotripters

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Chr. Kollmann

als Ultraschall-Skalpell

Der medizinisch genutzte Ultraschall hat sich in vielen Bereichen etablieren knnen :

Fa. Ultracision Inc., Santa ClaraCA, USA

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Chr. Kollmann

zur Zahnsteinentfernung

Der medizinisch genutzte Ultraschall hat sich in vielen Bereichen etablieren knnen :

Siroson L, Fa. Sirona Dental System, Bensheim, Deutschland)

Wo wird Ultraschall klinisch eingesetzt ?

Chr. Kollmann

als Ultraschall-Therapie zur Heilung von Erkrankungen desBewegungsapparates

Therapiegert Modell Sonostatt 833, Fa. GBO AG, Deutschland

Der medizinisch genutzte Ultraschall hat sich in vielen Bereichen etablieren knnen :

berblick ber klinische Anwendungsgebiete

Modell ReflecTron, High Medical Technologies AG, Lengwil, Schweiz

Chr. Kollmann

zur Ablation von Tumorgeweben (High Intensity Focused Ultrasound / HIFU)

Der medizinisch genutzte Ultraschall hat sich in vielen Bereichen etablieren knnen :

Gewebeerwrmung im Fokus auf 70 to 90 C innerhalb von 1 - 4 Sekunden

Behandlung eines Prostatakrebs(prostatic hyperplasia)

berblick ber klinische Anwendungsgebiete

Chr. Kollmann

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

GrundlagenUltraschall-

Bildgebung

GrundlagenGrundlagenUltraschallUltraschall--

BildgebungBildgebung

Was ist Ultraschall ?

Es handelt sich um sogenannte longitudinale Schalldruckwellen, die das durchschallte Medium komprimieren und expandieren.

Chr. Kollmann

Was ist Ultraschall ?

Die Ausbreitungseigenschaften der Ultraschallwelle sind materialspezifisch :

So luft eine Ultraschallwelle z.B.

in Weichgeweben und Flssigkeiten mit ca. 1450 - 1580 m/s,

in Knochen aber mit ca. 3000-4000 m/s(im Vergleich : Lichtgeschwindigkeit : 300.000.000 m/s)

Medium Schallgeschwindigkeit [m/s]Luft (20C-37C) 344-353Wasser (20C-37C) 1483-1523Blut 1562-1584Fett 1462-1473Leber 1538-1580Niere 1564Milz 1556-1577Gehirn 1517-1562Knochen 2650-4040Muskel 1529-1580

Chr. Kollmann

Wie wird Ultraschall erzeugt ?

Dabei wird ein elektrisches Wechselfeld an das piezoelektrische Material angelegt, was zu einer mechanischen Verformung (zusammenziehen/dehnen) des Materials fhrt. Die entstandene Ultraschallwelle pflanzt sich dann in einem angekoppelten Medium (Patient) wellenfrmig fort.

Expansion

Kompression

Chr. Kollmann

Wie wird Ultraschall erzeugt ?

In der bildgebenden Ultraschalldiagnostik wird dazu ein Schallkopf verwendet.

Dieser besteht aus bis zu 192 elektrisch einzeln angesprochenen Piezoelemen-ten und erlaubt, die Ultraschallwelle gepulst in den Krper mit einer entsprechen-den Emissionsfrequenz einzubringen.

Chr. Kollmann

Wie wird Ultraschall erzeugt ?

Technische Implementierungvieler einzelnerPiezoelementein ein Gehusezum Aufbaueines Schallkopfes

Chr. Kollmann

Prozesse der Wechselwirkungmit der Ultraschallwelle sind :

- Reflexion

Ausbreitung von Ultraschall

Gewebe

Medium 1 (Z1)

Medium 2 (Z2)

transmittedbeam

T

einfallende reflektierte Welle

Gewebe-grenze R

Chr. Kollmann

Prozesse der Wechselwirkungmit der Ultraschallwelle sind :

- Reflexion- Streuung

Gewebe

Ausbreitung von Ultraschall

d

d > : Reflexion

Chr. Kollmann

Prozesse der Wechselwirkungmit der Ultraschallwelle sind :

- Reflexion- Streuung- Brechung

Gewebe

Ausbreitung von Ultraschall

wahrer Orteines Objekts dargestellter Ort

eines Objekts

Resultat : Position der Struktur wird nichtkorrekt wiedergegeben

Chr. Kollmann

Prozesse der Wechselwirkungmit der Ultraschallwelle sind :

- Reflexion- Streuung- Brechung- Absorption

Gewebe

Ausbreitung von Ultraschall

Chr. Kollmann

Wie entsteht ein Ultraschallbild ?

Reflexion der emittierten Schallwelle an Gewebegrenzen

Im Gert : Bewertung der Echohhe & -tiefe aus der Echo-Amplitude und Echo-Laufzeit

Chr. Kollmann

Wie entsteht ein Ultraschallbild ?

Darstellung der Amplitude als Grauwert an einer bestimmten Ortsposition(B-Bild oder Grauwertverfahren)

Amplituden-hhe

Kodierung derAmplitudenhhe in einen Grauwert bei derentsprechenden Tiefe Tiefenposition

Oberflche 2 cm 4 cm 6 cm 8 cm

Chr. Kollmann

Wie entsteht ein Ultraschallbild ?

B-Bild (B-Mode) oder Grauwertverfahren

Kodierung derAmplitudenhhe in einen Grauwert bei derentsprechenden Tiefe Tiefenposition

Oberflche 2 cm 4 cm 6 cm 8 cm

A-Bild (A-Mode) oder Amplitudenhhendar-stellung

Chr. Kollmann

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

- rel. Bewegung der roten Blutzellen(oder Kontrastmittel) zum Schallkopf

Blutgefssfm

v

fR

resultiert in einer detektiertenDoppler Shift Frequenz f :

)cos(2 cvffff mmR ==

fR : empfangene Frequenz [ Hz ]fm : transmittierte Frequenz [ Hz ]v : Blutgeschwindigkeit [ cm s-1 ]c : Schallgeschwindigkeit [cm s-1 ] : Winkel zw. transmittierter Welle &

Blutgefss (Dopplerwinkel)

Doppler Ultraschall (Darstellung dynamischer Prozesse)

)cos(2 c

ffvm

=

aus welcher die am Messortgemittelte Blutflussgeschwindigkeit v berechnet werden kann :

Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

Blutfluss ist nicht homogen (gleichfrmig) eine Reihe von Frequen-zen/Geschw. werden detektiert(Spektrum)

Doppler - Ultraschall

Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

cw- pw- Farb-Doppler

Blutfluss

Doppler - UltraschallDer CW-Doppler kann

- hohe Geschwindigkeiten &

- Richtungen (zu / weg)

messen, aber keine Information ber die Flusstiefe

Aorta (pulsierend)

Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

cw- pw- Farb-Doppler

Blutfluss

Doppler - UltraschallDer PW-Doppler kann

- Geschwindigkeitsverteilungen in einem Mess-

volumen,

- Richtungen (zu / weg)

messen, mit einer Information ber die Flusstiefe

sim. Blutfluss (gleichfrmig)

PW-Spectral Doppler Bild(Duplex)

Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLab

cw- pw- Farb-Doppler

Blutfluss

Doppler - UltraschallDer PW-Farb-Doppler kann

- Geschwindigkeitsverteilungen in vielen Mess-

volumen,

- Richtungen (zu / weg)

messen, mit Informationen ber die Flusstiefen

Lymphknoten

Farb-Doppler Bild

Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLabModern Equipment technology : Harmonic imaging (dynamic)

in combination with US contrast agents (UCA) also non-linear partsof the echo (i.e. higher frequencies) can be used for imaging

n : harmonic number (, 1,2,..)v : velocity scattererc : sound speed : Doppler angle

Applications knowne.g. as :Second Harmonic,Intermittent HarmonicImaging

cvfnf emitnd

cos2=

Chr. Kollmann

UltraSoundUltraSound--LabLabModern Equipment technology : Harmonic imaging (dynamic) II

from : Kollmann, Putzer, Radiologe 6 (2005)

Clinical applications of Harmonic Imaging

Normal perfusion of the myocardiumusing Levovist as contrast Agent (destroying CA phase)

(Toshiba)

UltraSoundUltraSound--LabLab

Chr. Kollmann

(Intermittent / Flash echo)

EchoszerplatzenderKontrastmittel-blschen

Sicherheit und Risiken der Ultraschallanwendung

B-Mode : nicht kontraindiziert, keine Einschrnkungen3D/4D

Der Ultraschall ist eine sichere Bildgebungsmethode und bislang sind keinenegativen Effekte an Patienten fr die diagnostischen Verfahren festgestelltworden.Folgendes sollte jedoch bei der Applikation beachtet werden :

Doppler : geringst mgliche Leistung & Einsatzzeit verwenden, sofern die diagnostische Information nicht beeintrch-tigt wird (prudent use).

Minimierung Schallexposition an einem Gewebepunkt.

Therapie : potentiell gefhrlich durch hohe Energieeintrge

(fr hohe Leistungen) (Erwrmung & mechanische Effekte).

Gewebezerstrung !

Chr. Kollmann

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