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

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

makroskopischcm

mikroskopisch< nm

AnatomieHistologie

ZytologieMolekular-

Biologie

Biochemie

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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, ...

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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)

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Energie(aktiv)

Objekt

Bild

Det

ekto

r

MathematischeAlgorithmen

(passiv)

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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)

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Mikroskopie

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Mikroskopie

Santiago Ramon y Cajal, 1920

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Lichtmikroskopie

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

konfokale Licht-(Laser) Mikroskopie

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Elektronenmikroskopie

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Rasterelektronenmikroskopie (REM)

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Rasterelektronenmikroskopie (REM)

Fliegenauge

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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

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Raster-Kraft-Mikroskopie

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Schaefer et al., PNAS 99, 7154, 2002

hormone macromolecules entering cell nucleus

Raster-Kraft-Mikroskopie

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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

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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.

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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

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Caveat: Bioverträglichkeit !!

Energieformen

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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

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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

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Bio-Elektrizität/-Magnetismus:

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Röntgen-CT:

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Röntgen-CT:

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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

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Nuklearmedizinische Techniken (PET)

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Nuklearmedizinische Techniken (SPECT)

GanzkörperKnochentumor

Herz-Funktion Hirn

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Magnetresonanztomographie

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

und der Protonendichte aufgrund chemischer Änderungen oder Konzentrationsänderungen

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Magnetresonanztomographie

Gehirn; sagittal Multislice T1

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Gehirn; axial Multislice T1

Magnetresonanztomographie

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

T1 Kontrast ProtonendichteT2 Kontrast

Magnetresonanztomographie

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Funktionelle Magnetresonanztomographie

Augen Lippen Zunge

Knie Becken FingerZehen

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Vergleich verschiedener Verfahren

PET CT MRT

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Kombination verschiedener Verfahren

PETCT Überlagerung

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Kombination verschiedener Verfahren

MRT

SPECT (A-scan)

SPECT (B-scan)

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Kombination verschiedener Verfahren

Iktuales SPECT

Interiktuales SPECT

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Kombination verschiedener VerfahrenMEG und MRT

Kombination verschiedener Verfahren

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

Andreas VesaliusAnatom1514-1564

Visible Human Project

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Lokalisation

Perfusion

Metabolismus

RezeptorenAntigene

Genexpression

Physiologie

Morphologie

Molekular-Biologie

VolumenFläche

Röntgen, CTUltraschall

Magnetresonanztomographie

Doppler, CT, MRT

Spektroskopie

Tracer Methoden

Proliferation PET/SPECT

Optisch

PET, SPECT, MRT

Entwicklung bildgebender Verfahren

Physik bildgebender Verfahren in der Medizin Einleitung

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