Bildgebende Verfahren III

Bildgebende Verfahren III
H. Bergmann, W. Birkfellner, P. Homolka, R. Nowotny
Zentrum für Biomedizinische Technik und Physik, MUW
Einleitung ................................................................................................................................... 1
Strahlungsarten und Verfahren................................................................................................... 1
Bildgebung von Funktionssystemen und biologischer Regulation: ein Beispiel....................... 2
Bildgebung in der Nuklearmedizin ............................................................................................ 3
Prinzip der Computer-Tomographie .......................................................................................... 7
Digitale Bilder .......................................................................................................................... 11
Vergleich von Verfahren .......................................................................................................... 16
Weiterführende Literatur und Software ................................................................................... 17
Einleitung
Die medizinische Bildgebung ermöglicht die nicht invasive Untersuchung von Funktion und
Morphologie. Dies erfolgt durch Visualisierung des Körperinneren. Da eine direkte
Betrachtung wegen der Absorption von sichtbarem Licht nicht möglich ist, wird Strahlung
verwendet, die durch den Körper nur teilweise absorbiert wird.
Bei aktiver Bildgebung wird dem Körper während des Abbildungsvorgangs Energie
zugeführt. Dies trifft für die Bildgebung mit Röntgenstrahlung, Magnetresonanz und
Ultraschall zu.
Bei passiver Bildgebung werden Signale aus dem Körper zur Bildgebung verwendet.
Bekanntestes Beispiel ist die nuklearmedizinische Bildgebung, bei der eine in das
Körperinnere eingebrachte radioaktive Substanz ein Signal liefert, das zur Bildgebung
herangezogen wird. (EEG-Mapping wäre ein weiteres, weniger bekanntes Beispiel)
Zweck der medizinischen Bildgebung ist
- Hilfestellung bei der Diagnose einer Erkrankung
- Unterstützung bei der Therapieplanung
- Verlaufskontrollen
Strahlungsarten und Verfahren
Abbildung mit Röntgenstrahlen
Ein Bild entsteht durch die unterschiedliche Schwächung der Röntgenstrahlung in den
Geweben des menschlichen Körpers.
Nuklearmedizin
Hier wird die Verteilung einer r.a. markierten Tracersubstanz bildlich dargestellt. Das
Verteilungsmuster ist abhängig von der Funktion des Zielorgans und dem
Aufnahmezeitpunkt.
Ultraschall
Erzeugt ein Bild über die Reflexion von Ultraschall an akustischen Grenzflächen (z.B.
Organbegrenzung, Zysten) und die Streuung von Ultraschall an kleinenObjekten (z.B.
Erythrozyten).
Magnetresonanz
Erzeugt ein Bild der Verteilung verschiedener Relaxationszeiten der Wasserstoffkerne und
der Protonendichte. Die Relaxationszeiten sind vom chemischen Milieu oder
Konzentrationsänderungen abhängig.
Bildgebung von Funktionssystemen und biologischer
Regulation: ein Beispiel
Überprüfung der Nierenfunktion mit 99mTc-MAG3
Szintigraphie der Nieren mit dem Tracer 99mTc-MAG3. Die Substanz wird vorwiegend tubulär
sezerniert. Die Aufnahmeserie besteht aus 120 Bildern á 10 Sekunden, wobei nur jedes 2. Bild
gezeigt ist. Die linke Niere (links in den Bildern, die Aufnahme erfolgt von hinten) zeigt eine
rasche Aufnahme des Tracers und ein rasches Ausscheiden in die Blase (der obere Rand der
Blase ist in den späteren Bildern sichtbar). Die rechte Niere nimmt den Tracer nur langsam
auf und nimmt während der Untersuchung ständig an Intensität zu.Es findet offenbar keine
Ausscheidung über das Nierenbecken statt.
Durch Regionen wird der Verlauf der Traceraktivität in den Nieren gut sichtbar. Im folgenden
Bild sind Regionen um die Nieren eingezeichnet, daneben der Aktivitätsverlauf
(= Intensitätsverlauf).
Bildgebung in der Nuklearmedizin
Tracerprinzip
Die physiologische Funktion eines Organs ist mit einer Reihe von biochemischen Prozessen
eindeutig verknüpft. Funktionsdiagnostik besteht in der Überprüfung biochemischer Prozesse.
Charakteristische Parameter sind z.B. die Konzentration der Reaktionspartner und ihre
Bildungs- und Verschwinderaten. Grundlage der nuklearmedizinischen Funktionsdiagnostik
ist das von Hevesy (Nobelpreis für Chemie 1943) entwickelte Tracerprinzip mit radioaktiven
Substanzen. Dabei wird durch Zugabe sehr geringer Mengen einer radioaktiv markierten
Verbindung in das zu überprüfende System dessen Stoffwechsel durch Messung der
radioaktiven Strahlung von außen, also nicht invasiv, beobachtet. Die applizierte
Substanzmenge ist äußerst gering und liegt im subphysiologischen Bereich. Daher kommt es
zu keiner Beeinflussung des zu untersuchenden Stoffwechselvorgangs und zu keinerlei
toxischen Reaktionen.
Die nuklearmedizinische Bildgebung nützt das Tracerprinzip, indem sie Bilder der Verteilung
der Radioaktivität eines Tracers anfertigt. Sie ist somit immer eine Funktionsdiagnostik, da
auch bei Einzelbildern die biophysikalische oder biochemische Aktivität des Vorgangs, der
für die Tracerverteilung verantwortlich ist, abgebildet wird.
Radioaktivität
Radioaktiver (r.a.) Zerfall
Ursache ist die Instabilität bestimmter Nuklide (Atomkerne mit bestimmter Protonen- und
Neutronenzahl). Sie gehen in einen energetisch stabileren Zustand unter Abgabe
einergiereicher Strahlung über. Man unterscheidet 2 Zerfallssarten.
α-Zerfall
besteht in der Kernumwandlung durch Emission eines α-Teilchens, das sich aus 2 Protonen
und 2 Neutronen zusammensetzt. α-Strahlung hat derzeit keine Anwendungen in der Medizin,
trägt aber zur natürlichen Strahlenbelastung bei.
β-Zerfall
besteht in der Kernumwandlung durch Emission eines Elektrons (β-Strahlung) oder Positrons
(positiv geladenes Elektron; β+-Strahlung). Dabei wird im Atomkern entweder ein Neutron in
ein Proton unter Emission des Elektrons umgewandelt oder ein Proton unter Emission seiner
positiven Ladung in Form des Positrons in ein Neutron umgewandelt.
Das Positron ist ein instabiles Teilchen, das praktisch am Zerfallsort durch Vereinigung mit
einem Elektron zerstrahlt, und zwar unter Emission zweier entgegengesetzter Gammastrahlen
mit der charakteristischen Energie von je 0.511 MeV. Diese Strahlung wird
Vernichtungsstrahlung oder Annihilationsstrahlung genannt und ist Grundlage der als
PET (Positronen Emissions Tomographie) bekannten nuklearmedizinischen
Abbildungstechnik.
γ-Strahlung
Der nach α- oder β-Zerfall übergebliebene Restkern ist durch Restenergie noch in einem
angeregten Zustand. Diese Energie wird als γ-Strahlung emittiert.
γ-Strahlung ist hochenergetische EM (elektromagnetische) Strahlung mit großer
Durchdringungfähigkeit und kann mit geeigneten Detektoren außerhalb des menschlichen
Körpers gemessen werden.
Zerfallsgesetz
Durch den r.a. Zerfall vermindert sich die Zahl der ursprünglich vorhandenen radioaktiven
Kerne. Die Aktivität A gibt die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde an. Sie ist proportional zur
Anzahl N der r.a. Kerne:
A=λ×N
λ ist für jedes Radionuklid eine charakteristische Konstante und kann weder durch
physikalische (Temperatur, Magnetfeld, etc.) noch chemische (verschiedene Verbindungen)
Einflüsse verändert werden. Da die Zahl der noch r.a. Kerne ständig abnimmt, muß auch die
Aktivität mit der Zeit abnehmen. Die zeitliche Abnahme der Aktivität wird durch das
Zerfallsgesetz ausgedrückt:
A = A0 × e − λt
Die physikalische Halbwertszeit (HWZ oder T1/2) ist gegeben durch
ln 2 0.693
HWZ =
=
λ
λ
Sie besagt, daß nach Ablauf einer Halbwertszeit nur mehr die Hälfte der Ausgangsaktivität
vorhanden ist.
Die Maßeinheit der Aktivität ist das Bequerel, Kurzzeichen Bq:
1 Bq = 1 Zerfall/Sekunde = 1 s-1
Es gelten die üblichen Einheitenvielfache, z.B.
1 MBq = 106 Bq
1 GBq = 109 Bq
Die veraltete Einheit der Aktivität ist
1 Curie = 3.7x1010 Bq.
Sie wird noch häufig vor allem in den USA verwendet.
Die Abbildung zeigt die Abnahme der Radioaktivität als Funktion der Halbwertszeit:
Eigenschaften der r.a. Strahlung
Für die Bildgebung sind zwei Eigenschaften wesentlich: die beim Zerfall auftretenden
Strahlungsarten und die Halbwertszeit des Nuklids. α- und β-Strahlung sind stark ionisierende
Teilchenstrahlung und erhöhen die Strahlenbelastung des Patienten ohne zur Bildgebung
beizutragen. Lediglich β+-Strahlung trägt indirekt durch die Annihilationsstrahlung zur
Bildgebung bei. γ-Strahlung ist schwach ionisierend und hat daher eine gute
Durchdringungsfähigkeit. Die Halbwertszeit bestimmt zusammen mit der biologischen
Aufenthaltsdauer des Tracers ebenfalls die Strahlenbelastung. Zu rascher Zerfall kann aber
den Transport und die Herstellung bestimmter Tracer erschweren.
Produktion von Nukliden und Tracern
Radionuklide werden im Reaktor oder im Zyklotron hergestellt.
Ein spezielles praktisch sehr wichtiges Herstellungsverfahren ist der Radionuklidgenerator.
Hier entsteht durch Zerfall einer langlebigen r.a. Muttersubstanz die ebenfalls r.a. kurzlebige
Tochtersubstanz. Das chemisch unterschiedliche Verhalten erlaubt die einfache Abtrennung
der Tochtersubstanz. Bekanntes Beispiel ist das in der Natur nicht vorkommende 99mTechnetium, das wegen seiner günstigen Strahlungseigenschaften in der
nuklearmedizinischen Bildgebung universell eingesetzt wird. 99mTc entsteht aus dem Zerfall
von 99-Molybdän. Es ist ein metastabiler Zustand des 99-Technetium, in das es mit einer
Halbwertszeit von 6 Stunden zerfällt.
99
42
−
β , 2.7 d
, 6.0 h
m
⎯
⎯→ 9943
⎯→ 99
Mo ⎯⎯
Tc ⎯γ⎯
43Tc
Ein Tracer entsteht durch Einbau des r.a. Nuklids in eine Trägersubstanz mit dem
gewünschten metabolischem Verhalten. Diese radiochemischen Verfahren erfolgen unter
üblichen pharmazeutischen Bedingungen. Eine große Hilfe für den Anwender sind
sogenannte Markierungskits, bei denen es nur erforderlich ist, die lyophilisierten
Reaktionspartner mit dem Radionuklid zu vermischen, woraus die injektionsfertige
Tracersubstanz entsteht.
Gammakamera
Mit ihr werden Bilder der Tracerverteilung gemacht. Die Aufnahmetechnik nennt man
Szintigraphie, eine Aufnahme selbst nennt man Szintigramm. Die Bezeichnungen kommen
daher, daß zur Aufzeichnung der r.a. Strahlung Szintillationsdetektoren verwendet werden,
analog zur Verwendung von Verstärkerfolien in der Radiologie. Die Gammakamera ist
sowohl zur Aufnahme planarer Bilder – analog zum normalen Röntgenbild - als auch zur
Computertomographie (SPECT und PET) geeignet.
Die Gammakamera ist ein passives bildgebendes System, die Signale zur Bilderzeugung
kommen in Form der Gammastrahlung des Tracers aus dem Patienten.
Abbildung: Gammakamera mit zwei massiven Detektorköpfen ober und unter dem Patienten.
Hier wird eine Ganzkörper-Knochenszintigraphie durchgeführt, wobei die Kameraköpfe den
Patienten über die ganze Körperlänge abscannen. Zwei Beispiele einer
Ganzkörper-Knochenszintigraphie finden sich unten.
Prinzip
Um die Strahlenbelastung klein zu halten, wird eine möglichst geringe Radioaktivitätsmenge
appliziert. Daher ist die Intensität der Strahlung sehr gering. Eine Aufnahme mit
photographischem Film ist nicht möglich, man benötigt für Gammastrahlung spezielle
hochempfindliche Detektoren, die Szintillationsdetektoren. Die Emission der Strahlung beim
r.a. Zerfall erfolgt isotrop, d.h. Gammastrahlung tritt nach allen Richtungen gleichmäßig aus
dem Patienten aus. Um eine bestimmte Projektionsrichtung auszuwählen, wird ein Kollimator
verwendet. Das Gesichtsfeld einer Gammakamera beträgt ca. 45x60 cm. Das ist für
Organaufnahmen ausreichend. Will man ein größeres Organ (das Skelett) aufnehmen, wird
der Patient zusätzlich gescannt.
Mit der Gammakamera können auch dynamische Aufnahmen durchgeführt werden, bei denen
das zeitliche Verhalten eines Radiotracers in Bildern erfaßt wird.
Beispiele
−
Szintigramm einer Schilddrüse mit dem r.a. Tracer 99 mTcO4 . Das Pertechnetat hat einen
ähnlichen Ionenradius wie das Jodid und wird aktiv in der Schilddrüse gespeichert.
Zwei Ganzkörper-Knochenszintigramme in ap und pa Projektion. Als r.a. Tracer wird
99mTc-MDP (Hydroximethylendiphosphonat) verwendet. Links eine normale
Skelettdarstellung, rechts ein Patient mit multiplen Knochenmetastasen.
Prinzip der Computer-Tomographie
Grundlagen
Bei der Projektionsradiographie und der planaren Nuklearmedizin kommt es in der Aufnahme
zur Überlagerung verschiedener Objekte und Strukturen. Dies kann die Interpretation
erheblich erschweren. Die Computertomographie ist ein seit Beginn der 1970er Jahre
eingesetztes neues Verfahren, mit dem Schichten des menschlichen Körpers überlagerungsfrei
abgebildet werden können. Voraussetzung für dieses Verfahren sind digitale Projektionsbilder
aus mehreren Richtungen, aus denen mit einem Computer die Schnittbilder berechnet werden.
Ausgangspunkt für die Berechnung einer Schicht sind Schwächungsprofile (beim RöntgenCT) oder Aktivitätsprofile (bei SPECT oder PET) dieser Schicht, gemessen aus zahlreichen
Projektionsrichtungen. Dafür sind um den Patienten rotierende Röntgengeräte oder
Gammakameras nötig. Aus den Profilen wird die Schicht durch das Verfahren der gefilterten
Rückprojektion (Filtered Back Projection, FBP) berechnet.
Die von störenden Überlagerungseffekten freien Schichtbilder zeigen einen weitaus höheren
Kontrast als die Projektionsbilder und ermöglichen so z.B. im Röntgen-CT die
Sichtbarmachung von Weichteilgewebe wie Liquorräume, Blutungen und Tumore im Gehirn
ohne Verwendung von Kontrastmittel.
Nuklearmedizin: SPECT und PET
Aufnahmetechnik SPECT
Die Gammakamera rotiert um den Patienten. Es werden pro Projektionswinkel viele Profile
simultan aufgenommen. Entsprechend erhält man durch Rekonstruktion zahlreiche
Schichtbilder gleichzeitig, die ein bestimmtes Körpervolumen abbilden. Wir erhalten einen
3D-Bilddatensatz, der so genannt wird, weil aus ihm 3-dimensionale Bilder generiert werden
können.
Beispiel Myocardszintigraphie: Abbildung der Perfusion des Herzmuskels durch das
Kaliumanalog 201Tl. Bild A: Schema der tomographischen Schnittführung, Bild B: Normale
Durchblutung, Bild C: Minderperfusion lateral und postlateral (Stenose? Infarkt?). Die
Aufnahmen werden unter ergometrischer Belastung und in Ruhe durchgeführt.
Aufnahmetechnik PET
Die Verwendung von Tracern mit Positronenzerfall ermöglicht die Messung der begleitend
auftretenden Annihilationsstrahlung. Die Bildgebung erfolgt durch spezielle Geräte mit
Detektorringen und mit Koinzidenzkollimierung (elektronischer Nachweis der
Gleichzeitigkeit zweier Gammastrahlen ermöglicht die Lokalisation des Zerfallsortes entlang
der Verbindungslinie der beiden betroffenen Detektoren)
Abbildung:
PET-Scanner mit Patient (limks) und mit abgenommener Verkleidung (rechts), wobei der
Detektorenring sichtbar ist.
Beispiel
18
F-FDG koronales Ganzkörperszintigramm einer Patientin mit metastasierendem
SchilddrüsenKarzinom
Röntgen-Computertomographie (CT)
Aufnahmetechniken
Einzelschichtverfahren
Die Schwächungsprofile werden mit einem Röntgenstrahlenfächer und vielen Detektoren
erzeugt. Die technische Entwicklung ist durch immer kürzere Aufnahmezeiten und feinere
Auflösung gekennzeichnet.
Ein 3D-Bilddatensatz wird durch aufeinander folgende Einzelschichtaufnahmen erzeugt.
Spiral-CT
Röntgenröhre und Detektorkranz tasten den Patienten mit einer spiralförmigen rotierenden
Bewegung ab. Auf diese Weise wird in sehr kurzer Zeit ein 3D-Bilddatensatz erzeugt. Die
Auflösung kann durch Veränderung der Ganghöhe der Spiralbewegung leicht verändert
werden.
Auflösung, Kontrast und Rauschen
Die Erkennung von Bilddetails wird durch das Bildrauschen begrenzt. Dabei haben die
zumutbare Strahlenbelastung (die zusammen mit der Häufigkeit und der Aussagekraft einer
Untersuchung gesehen werden muß) und die gewünschte Kontrastauflösung gegenläufigen
Effekt.
Digitale Bilder
Grundlegende Begriffe
Bildmatrix: Die Intensitätswerte des Bildes werden in einer Bildmatrix digital gespeichert.
Die Bildmatrix kann auf den üblichen Speichermedien (Floppy, Festplatte, Zipdrive,
Magnetband, CD-R, etc.) digital gespeichert werden und für Bearbeitung und Befundung in
den Speicher (Memory) eines Computers geladen werden. Das digitale Bild ist charakterisiert
durch Anzahl und Anordnung (Länge x Breite) seiner Zellen sowie durch den maximalen
Zahlenwert, der pro Speicherzelle zugelassen ist. Die Größe der Bildmatrix hängt von der
Bildgüte ab. Bilder mit hoher Auflösung (Lungenröntgen) benötigen viele Elemente, solche
mit geringer Auflösung (Gammakamera) wesentlich weniger.
Pixel und Voxel: Die einzelne Speicherzelle eines digitalen Bildes nennt man Pixel (von
Picture Element). Dem Pixel entspricht eine bestimmte kleine Fläche im Bild. Liegt ein
Volumenbild vor, also ein Anzahl von aufeinander folgenden Schichtbildern, so entspricht
dem Pixel ein Volumen. Man spricht dann vom Voxel (volume picture element), dem ein
kleines Volumen entspricht.
Grauwert, Farbe: Die Intensitätswerte des Bildes können als Grauwerte oder in Farbe
dargestellt werden. Die Zuordnung von Farben ist willkürlich und hat nur den Zweck, die
Befundung zu erleichtern.
3D-Bilddatensatz: MR, SPECT, PET und Spiral-CT erzeugen automatisch eine Serie von
Schichtbildern, die ein ganzes Volumen abbilden. Auch mit Einzelschicht-CT können solche
3D-Bilddatensätze erzeugt werden. Dies bietet die Möglichkeit 3-dimensionaler
Darstellungen, wie z.B. der Hirnoberfläche, von Gefäßbäumen u.a. mehr.
Bildserie: Bei der Untersuchung zeitlicher Änderungen werden Serienaufnahmen
durchgeführt, die aus einer zeitlich aufeinander folgenden Serie von Einzelbildern oder sogar
von 3D-Bilddatensätzen bestehen können.
Display-Grundlagen
Interpolation
Digitale Bilder müssen für die Befundung so präsentiert werden, daß störende Effekte der
Digitalisierung beseitigt werden. Dies erfolgt durchVergrößerung mit Interpolation der
ursprünglichen Daten. Auch bei schrägen Schnitten durch einen 3D-Bilddatensatz wird zur
Verbesserung der Darstellung interpoliert.
Kontrastverstärkung, Histogramm
Ein großer Vorteil bei digitalen Bildern ist die Möglichkeit, bestimmte Intensitätsbereiche
auszuwählen und kontrastverstärkt darzustellen. So ist die „Fensterung“ bei der Betrachtung
von CT-Bildern erforderlich, um Weichteilgewebe sichtbar zu machen. Die
Kontrastverstärkung besteht darin, einen ausgewählten Intensitätsbereich des digitalen Bildes
(das Fenster) über den gesamten Helligkeitsbereich des Displaygeräts zu verteilen.
Das Histogramm eines Bildes ist die Häufigkeitsverteilung der in ihm enthaltenen
Intensitäten. Es wird bei der automatischen Kontrastverstärkung und bei der Segmentierung
benutzt.
Segmentierung und Messung
Segmentierung bedeutet die räumliche Abgrenzung bestimmter Bildregionen. Diese sind in
der Regel anatomisch oder funktionell zusammenhängend.
ROI
Eine ROI (Region Of Interest) umfaßt ein Organ oder eine Struktur. Sie kann auf viele Arten
manuell oder automatisch eingezeichnet werden. Eine Erweiterung der ROI ist das VOI
(Volume of Interest) für Volumenbilder.
ROIs und VOIs werden z.B. zur Messung von Flächen und Volumina von Organen und
Tumoren, zur Bestimmung der Speicherintensität, der Dichte u.a. verwendet.
Profil
Intensitätsprofile sind eine einfache Methode um die Intensität symmetrischer Bildbereiche zu
vergleichen.
Zeit-Aktivitätskurven
Zeit-Aktivitätskurven (TAC, Time-Activity-Curve) geben den zeitlichen Ablauf von
Intensitätsänderungen in einer Bildserie wieder. Sie sind z.B. dazu geeignet, die Bewegung
eines r.a. Tracers oder von Kontrastmitteln quantitativ zu erfassen. Ein Beispiel für ZeitAktivitätskurven wird bei der Überprüfung der Nierenfunktion gezeigt. Dabei wurden
zunächst die Nieren durch 2 ROIs segmentiert.
Orthogonale Schnittbilder
Im 3D-Bilddatensatz wird die Orientierung und Befundung wesentlich durch simultane
Betrachtung von transversalen, sagittalen und coronalen Schnitten erleichtert. Der
Basisdatensatz besteht bei CT, SPECT und PET aus transversalen Schnittbildern, bei MR
kann die Orientierung des Basisdatensatzes davon abweichen. Aus dem Basisdatensatz
werden durch Interpolation die anders orientierten Schnittbilder berechnet.
Abbildung
zeigt die transversale, koronale und sagittale Schnittführung an einem Knochenszintigramm
des Schädels mit 99mTc-MDP. In den koronalen und sagittalen Schnitten ist die vermehrte
Aktivitätsanreicherung xxx deutlich erkennbar.
Prinzipiell kann die Orientierung von Schnittbildern beliebig sein. Dies ist bei speziellen
Anwendungen nützlich. Z.B. ist die Längsachse des linken Ventrikels bei der
Myokardszintigraphie eine ausgezeichnete Richtung zur Anordnung der Schnittebenen.
Ebenso sind beim Dental-CT Schnitte senkrecht zum Verlauf des Kiefers besonders nützlich.
3D-Display
Die (Pseudo-) 3D-Darstellung wird bei 3D-Bilddatensätzen eingesetzt. Sie ist dazu geeignet,
die räumliche Lage anatomischer Strukturen anschaulich darzustellen. Sie wird auch bei der
Planung und Durchführung von Operationen benötigt, z.B. zur Planung der Positionierung
von Dentalimplantaten oder der Anfertigung von Ersatzknochenteilen.
Beispiel 3-D Darstellung:
3-D Darstellung einer CT-Aufnahme des Beckens, mit Knochenfenster
Beispiel virtuelle Endoskopie
Virtuelle Laryngoskopie im CT-Datensatz, wird normalerweise als Film dargestellt. Hier ein
Ausschnitt, bei dem die Stimmlippen und eine cranial einwachsende Geschwulst sichtbar
sind.
Registrierung und Fusion
Die gemeinsame Befundung von Bilddaten verschiedener Abbildungsmodalitäten trägt
wesentlich zur Befundsicherheit bei, da sich die oft sehr unterschiedlichen Aussagen der
einzelnen Verfahren vorteilhaft ergänzen können. Ein solches Beispiel wäre die Kombination
von CT-Bildern mit hervorragender anatomischer Information mit SPECT-Bildern mit hoher
funktioneller Information. Die gemeinsame Betrachtung erfordert aber eine vergleichbare
Darstellung der unterschiedlichen Bilder. Registrierung ist der Vorgang, bei dem für die
beiden 3D-Bilddatensätze ein übereinstimmendes Referenzsystem erzeugt wird. Fusion ist die
gleichzeitige, übereinander gelegte Darstellung der beiden registrierten 3D-Bilddatensätze.
Prinzip
Ausgehend von anatomischen Marken oder eigens für den Zweck der Registrierung am
Patienten angebrachten Markierungspunkten wird durch Verschiebung, Drehung und
Umrechnung der Voxel auf übereinstimmende Größe die Beiden Volumenbilder aufeinander
abgestimmt. Für die Fusion werden spezielle Displaytechniken verwendet, z.B. die
Überlagerung zweier korrespondierender Bilder in verschiedenen Farben.
Beispiel PET-MR des Gehirns
Die Abbildung zeigt das Ergebnis der 3-D Registrierung der MR-Aufnahme mit den FDGBildern der PET-Aufnahme eines Patienten. Bei der Registrierung wurden die beiden
Bilddatensätze in gleichen Maßstab und gleiche Orientierung gebracht. Der obere rechte
Quadrant enthält das fusionierte Bild. Man kann das Ergebnis auch als Fusion der
Morphologie des Patienten mit seinem Gehirnstoffwechsel interpretieren.
Vergleich von Verfahren
Grundlage ist die Wirksamkeit (efficacy) einer Modalität im Management des Patienten. Dies
ist in so allgemeiner Form nicht zu eruieren, man beschränkt sich daher auf den Vergleich von
Teilaspekten.
Diagnostische Genauigkeit
Die Aussagefähigkeit eines Abbildungsverfahrens wird durch ihre Sensitivität und Spezifität
bestimmt. Dies sind statistische Maßzahlen, die aus der Häufigkeit, mit der eine Diagnose
richtig oder falsch unter Benützung eines bestimmten Verfahrens gestellt wird, berechnet
werden.
Es bestehen folgende Möglichkeiten zwischen dem Vorhandensein einer Krankheit und dem
Ergebnis eines Befundes:
Krankheit
vorhanden
fehlt
positiv
richtig pos (TP)
falsch pos (FP)
negativ
falsch neg (FN)
richtig neg (TN)
alle Erkrankte
alle
Nichterkrankte
Bildbefund
Summe
positive
Befunde
Summe
negative
Befunde
Summe
aller
Damit lassen sich folgende für die Güte eines Tests wichtige Begriffe definieren:
Sensitivität = Wahrscheinlichkeit, daß Test bei kranken Personen positiv ausfällt:
Sensitivität =TP / (TP+FN)
Spezifität = Wahrscheinlichkeit, daß Test bei gesunden Personen negativ ausfällt:
Spezifität =TN / (TN+FP)
Die Sensitivität wird auch als true positive fraction (TPF), die Spezifität als true negative
fraction (TNP) bezeichnet.
Bildgüte
Auflösung
Ist ein Maß für die Bildschärfe. Sie entspricht der Fähigkeit, kleine Strukturen bzw. Details
wiederzugeben. Die Auflösung ist für einen bestimmten Gerätetyp und ein bestimmtes
Abbildungsverfahren vorgegeben und bestimmt zusammen mit dem Kontrast des Objekts die
untere Grenze, bei der kleine Objekte (Tumore) noch sichtbar sind.
Physikalische Auflösung
Ist eine Maßzahl für die Bildschärfe und wird nach einer genau definierten Methode mit
Prüfkörpern gemessen.
Für Röntgenaufnahmen wird die Auflösung gerne als Zahl der Linienpaare pro mm, die noch
im Bild sichtbar sind, angegeben. In der Nuklearmedizin wird die Halbwertsbreite eines
Punktbildes verwendet.
Kontrast
Ist ein Maß für die Intensitätsunterschied zwischen einem Zielobjekt und seiner Umgebung.
In kontrastreichen Bildern sind Objekte und Strukturen besser zu erkennen als in
kontrastarmen. Der Kontrast ist bei der Bilderzeugung bestimmt durch das
Abbildungsverfahren. Bei digitaler Bildbetrachtung kann der Kontrast durch Software
verändert werden.
Bildrauschen
Darunter versteht man Abbildungsfehler, die durch schwache Belichtung, durch
elektronisches Rauschen sowie andere auf die Bildgüte negativ beeinflussende zufällige
Effekte (Atmung, Herzschlag etc.) zustandekommen. Geringe Belichtung wird z.B. durch die
Forderung nach möglichst geringer Strahlenbelastung erzwungen.
Weiterführende Literatur und Software
Kalender, W.A.: Computertomographie, Publicis MCD Verlag,
München 2000
Ewen, K.: Moderne Bildgebung, Georg Thieme Verlag, Stuttgart New
York 1998
Büll, U, et al.: Nuklearmedizin, Georg Thieme Verlag, Stuttgart New
York 1994
ImageJ:
ein universelles Bildverarbeitungsprogramm für die Medizin (Public Domain Software)
http://rsb.info.nih.gov/ij/
Bilddatensammlungen im Internet
Nuklearmedizin
http://gamma.wustl.edu/home.html
Röntgen
http://www.ibiblio.org/jksmith/UNC-Radiology-Webserver/UNCRadTeachingFile.html
http://brighamrad.harvard.edu/education/online/tcd/tcd.html
Kurzfassung der Vorlesung
http://www.meduniwien.ac.at/zbmtp/people/bergmann/BildgebendeVerfahrenIII.pdf