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RUPRECHT-KARLS-UNIVERSITY HEIDELBERG

Computer Assisted Clinical MedicineProf. Dr. Lothar Schad

11/12/2008 |

Teil 1: Röntgen-Computertomographie CT

Prof. Dr. Lothar Schad

HeiCuMed: Blockkurs Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz

Lehrstuhl für Computerunterstützte Klinische MedizinMedizinische Fakultät MannheimUniversität HeidelbergTheodor-Kutzer-Ufer 1-3D-68167 Mannheim, GermanyLothar.Schad@MedMa.Uni-Heidelberg.dewww.ma.uni-heidelberg.de/inst/cbtm/ckm/



11/12/2008 | Page 2Lernziele CT

• Physikalische Grundlagen

• Bildrekonstruktion + Filterung

• Hounsfield-Einheiten

• Spiral-CT

• Literatur- Computertomographie. Kalender WA, eds.

Publicis MCD Verlag, München, 2000

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11/12/2008 | Page 3Wozu Schnittbildverfahren?

1. Keine Überlagerungen => höherer Kontrast2. Dreidimensionale Lokalisierung



11/12/2008 | Page 4Geschichte

1895 W. C. Röntgen: X-Strahlen

1963 Cormack: Bildrekonstruktion

1972 Hounsfield: Klinische CT

1989 Kalender: Spiral-CT

1998 Multischicht-CT

2000 30 000 CTs installiert

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11/12/2008 | Page 5Grundprinzip



11/12/2008 | Page 6Detektorsysteme

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11/12/2008 | Page 7Fächerstrahl-CT



11/12/2008 | Page 8Kollimation

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11/12/2008 | Page 9Bildrekonstruktion: Rückprojektion

CT-Bild Sinogramm

Rekonstruktion:Rückprojektion



11/12/2008 | Page 10Bildrekonstruktion: Filterung

SinogrammgefiltertesSinogramm

Filterung

Filterkern

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11/12/2008 | Page 11

CT-Bild gefiltertesSinogramm

Rekonstruktion:gefilterteRückprojektion

Bildrekonstruktion: Gefilterte Rückprojektion



11/12/2008 | Page 12Hounsfield-Einheiten

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11/12/2008 | Page 13Artefakte: Metall



11/12/2008 | Page 14Artefakte: Strahlaufhärtung

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11/12/2008 | Page 15Spiral-CT: Prinzip



11/12/2008 | Page 18Multischicht-CT: Reformatierung

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11/12/2008 | Page 20Multischicht-CT: Herzbildgebung

ECG

time

z

zr

proj

ectio

nan

gle

θ



11/12/2008 | Page 21Multischicht-CT: Koronar-Angiographie

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11/12/2008 | Page 23

Teil 2: Magnetresonanz-Tomographie MRT

Prof. Dr. Lothar Schad

Lehrstuhl für Computerunterstützte Klinische MedizinMedizinische Fakultät MannheimUniversität HeidelbergTheodor-Kutzer-Ufer 1-3D-68167 Mannheim, GermanyLothar.Schad@MedMa.Uni-Heidelberg.dewww.ma.uni-heidelberg.de/inst/cbtm/ckm/

HeiCuMed: Blockkurs Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz



11/12/2008 | Page 24Lernziele MRT

• Physikalische Grundlagen

• Spin-Gitter Relaxationszeit T1

• Spin-Spin Relaxationszeit T2

• Literatur- The Basics of MRI. Hornak JP, eds.

http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htmChapter 1 und 3

- NMR für Mediziner und Biologen. Hausser KH, Kalbitzer, eds.Springer, Kapitel 1.

- Magnetresonanztomographie. Reiser M, Semmler W, eds.Springer, Kapitel 2.

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11/12/2008 | Page 25Wozu MRT?

1. Bester Weichteilkontrast2. Keine Strahlenbelastung

CTWHS: 1025 HuGHS: 1035 Hu } Δ = 1%LIQ: 1000 Hu

T2 T1 MRTWHS: 90 ms 550 msGHS: 100 ms 1000 ms } Δ = 100%LIQ: >1000 ms 2000 ms

ρ T2 T1

CT

Beispiel: Patient Astrozytom II



11/12/2008 | Page 26

Nuclear

Magnetic

Resonance

(Kernspin)

Magnet

Resonanz

N S

Begriffe: MRT & NMR

(Imaging) Tomographie

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11/12/2008 | Page 27Atomkern: Proton

Magnetisches Moment

Mechanisches Moment (Spin)

Eigendrehung

Ladung

N Nuclear

M Magnetic

R Resonance

Max Planck (1858–1947)

Nobelpreis 1918

Sir Ernest Rutherford (1871–1937)

Nobelpreis 1908

Louis de Broglie (1892–1987)

Nobelpreis 1929



11/12/2008 | Page 28

S

N

B = 0

B = B0

M0

Σ =

Atomkern: Magnetisierung M0

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11/12/2008 | Page 29

B0

M0m = -1/2

m = +1/2

B = 0 B = B0

Aufspaltung der Energieniveaus(Zeemann-Effekt)

Curie’s Gesetz: M0 = ρ • I(I+1)•γ2•h2•B03kT

Atomkern: Quantenmechanik I



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ca. 1023 Protonen / Mol (Avogadro-Zahl)

1 ppm (10-6) Besetzungsverhältnis bei 1.5 T

ca. 1017 parallele Spins in M0

Bohr’s Korrespondenzprinzip

lim QM kl. Physik8nM0

Proton

Atomkern: Quantenmechanik II

Niels Bohr (1885–1962)

Nobelpreis 1922

Albert Einstein (1879–1955)

Nobelpreis 1921

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11/12/2008 | Page 31

Externes Magnetfeld B0Statisches Magnetfeld

Feldstärke 1.5 TeslaHomogenität 1.0 ppm

Kryostat

Kühlflüssigkeitflüssig He, (N2)

Supraleitende SpulenNbTi, Nb3Sn

M0

Magnetfeld: Grundfeld B0



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M0

hν

Magnetfeld: Vergleich CT - MRT

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11/12/2008 | Page 33

StimmgabelnSchaukel

Resonanz: Grundlagen



11/12/2008 | Page 34

G

Präzession

Eigen-drehung

MechanischesMoment

Auslenkkraft

G

Resonanz: Mechanischer Kreisel

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11/12/2008 | Page 35Resonanz: Protonen im Magnetfeld B0

B0

Hochfrequenz-impuls HF

90° - Puls180° - PulsAusgangslage

M0

M0

M0

Präzessionsfrequenz ω = γ • B0Larmorfrequenz: 64 MHz bei 1.5 T



11/12/2008 | Page 36Signalgewinnung

N S

x

y

z

My

Fahrrad-dynamo

Leiterschleife mit bewegtem Magneten

Rotierende magnetische Momente

Faraday’sche Induktion

Zeit

Sig

nalin

tens

ität Mxy

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11/12/2008 | Page 38

Hochfrequenz:ω = γ • (B0+Gz)

Gradient Gz

Magnetfeld-Gradient, z.B. Gz

z

G

Bildgebung: Schichtselektion



11/12/2008 | Page 39Bildgebung: Magnetfeld-Gradienten

Präzessionsfrequenz ω = γ • B

mit B = B0 + Gx + Gy + Gz

Magnetfeld-Gradienten G

Gy

Gx

b_

#

“3D Piano”

Gx

Gz

Gy

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11/12/2008 | Page 40

k-Raum

Bild

FourierTransformation

kx

ky

y

x

Hologramm

BetragsbildBildgebung: k-Raum

Jean Baptiste Fourier (1768–1830)



11/12/2008 | Page 41

Sender

Empfänger

Gradienten

Shim

Bild

-re

chne

r350 MHz

KonsoleSteuer-rechner

350 MHz

Grundfeld B0 M0

Hochfrequenz HF Signal

Gradienten Gxyz Bild

Geräteaufbau

Hochfrequenz HF Gradienten Gxyz Grundfeld B0Shimspulen

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11/12/2008 | Page 42Spin-Gitter-Relaxation T1

Mz

xy

z

Ausgangs-zustand

Mz

xy

z

Endzustand(=Ausgangszustand)

xy

z

M

Zwischen-zustand

B0

xy

z

My

Angeregter Zustand

HF90°- Puls



11/12/2008 | Page 43

TI0

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11/12/2008 | Page 44Spin-Spin-Relaxation T2

Ausgangs-zustand

Mz

xy

z

xy

z

My = 0

B0

y

HF90°- Puls

x

z

My

ZeitSig

nalin

tens

ität

Mxy

yx

z

My



11/12/2008 | Page 45

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11/12/2008 | Page 47MR-Herzbildgebung

Proband: Herz, TrueFISP

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