Wichtige diagnostische Verfahren: Allgemein

Wichtige diagnostische Verfahren: Allgemein
1930
Entdeckung der bis dahin unbekannten Strahlung durch
W.C.Röntgen => "X-Strahlen" (Würzburg)
Entwicklung der Hochvakuumröhre mit Glühkathode
durch W.D.Coolidge
Einführung der Drehanodenröhre durch A.Bouwers und
Einführung der Tomographie durch A.Vallebona
1936
Einführung der Schirmbildmethode durch M.deAbreu
1952
Einführung der Bildverstärker-Technik
1974
Anwendung des Ultraschalls durch Kosoff
1895
1913
1957
1967
1946
1974
Entwicklung der Computertomographie durch
A.MacLeod/Cormack
Einführung der Computertomographie durch
Godfrey N. Hounsfield
Entwicklung der Grundlagen zur Magnetresonanz
Spektroskopie durch F. Bloch und E.M.Purcell
Anwendung der MRT als bildgebendes Verfahren
durch P.C.Lauterbur/Damadian
Grundlagen aller Verfahren Y Elektromagnetische Wellen:
Erzeugung von Röntgenstrahlen
Anode
Röntgenstrahlen
Beschleunigungsspannung
Kathode
Heizspannung
Kathode: Negativ geladen
Anode: Positiv geladen
Beschleunigungsspannung: Frequenz
Heizspannung: Intensität der Strahlung
Einteilung
Spannungsbereich
Wellenlänge [D]
"Weich"
20-60 kV
0.6-0.2
"Hart"
120-250 kV
0.1-0.05
"Überhart"
über 250 kV
weinger als 0.05
Intensität
Röntgenstrahlung besteht aus 2 Anteilen
β
α
λgrenz
a) Bremsstrahlen
8
8
8
8
Abbremsung von Elektronen durch die Anode
Umwandlung von Wkin in Wst rahlung
"Kontinuierliches" Spektrum
Es existiert "Grenzfrequenz": Maximale Energie
W = 1/2 m v = e U = h f = h c/λ
2
h: 6.626 H 10-34 Js (Planck-Konstante)
-19
e: 1.602 H 10 C (Elementarladung)
8
c: 3 H 10 m/s (Lichtgeschwindigkeit)
b) Charakteristische Röntgenstrahlung
8 Abhängig vom Anodenmaterial
8 Übergänge Kernfern Y Kernnah
8 Im Falle von Kupferanode: Kα und Kβ Linien
Kα
Kβ
Kγ
Kδ
Null
O
N
M
L
K
Lage der Linien bei Kupfer:
α-Linie: 1.57 D
β-Linie: 1.41 D
Die Absorption von Röntgenstrahlen
nimmt mit der Dicke, der Dichte und der 3. Potenz der Ordnungszahl des durchstrahlten Gewebes zu, mit zunehmender
Strahlenenergie ab. Folgende Parameter spielen ein Rolle:
8
8
8
8
Die Dicke des durchstrahlten Stoffes
Die Dichte des durchstrahlten Stoffes (spez. Gewicht)
Die Ordnungszahl der Elemente des Gewebes
Die Energie der Röntgenstrahlen
Das absorbiert schlecht...
...und das gut...
Atom
OZ
Atom
OZ
Wasserstoff (H)
Kohlenstoff (C)
Stickstoff (N)
Sauerstoff (O)
Calcium (Ca)
Phosphor (P)
1
6
7
8
15
20
Jod (I)
Barium (Ba)
53
56
74
82
Wolfram W
Blei (Pb)
Daraus ergibt sich folgende Liste zunehmender Absorption und
damit steigender Röntgendichte für die verschiedenen Gewebe:
Luft (absorbiert die Röntgenstrahlung nicht)
Fettgewebe
Parenchymatöse Organe
Knochen
Metall (Fremdkörper)
Es existiert eine große Spannungsabhängigkeit
Die Abschwächung, die Strahlung
durch verschiedene Gewebe erfährt
( "Massenabsorptionskoeffizient" )
belegt, daß sich die bei niedrigen
Spannungen bestehenden großen
Absorptionsunterschiede zwischen
Knochen und Weichteilen mit steigender Spannung verringern:
Wenn Gewebe mit hohen Absorptionsunterschieden zur Bilderzeugung beitragen Y hohe U zur
Verminderung des Kontrastes (z.B.
bei Thorax-Aufnahmen: 120 kV, Y
"Hartstrahltechnik").
Wenn Gewebe mit geringen Absorptionsunterschieden zur Bilderzeugung beitragen, Y kleine U zur Erhöhung des Kontrastes (z.B. bei der
Mammographie: 30-40 kV, Y
"Weichstrahltechnik").
Computer-Tomographie (CT)
CT (Hounsfield 1967) arbeitet wie die konventionelle Tomographie mit
Röntgenstrahlen. Während in der konventionellen Tomographie die unterschiedliche Strahlenintensität, eine entsprechend abgestufte Filmschwärzung bewirkt, wird bei CT die durch den Körper in unterschiedlichem Maße durch Absorption geschwächte Strahlung von den Detektoren gemessen.Die so erhaltenen Werte werden computergesteuert in
einen bildlichen Querschnitt umgesetzt.
8
8
8
8
8
8
Die Röntgenröhre rotiert um die
Längsachse des Patienten
Detektoren auf der gegenüberliegenden Seite messen die ankommende Strahlung
Meßwerte Y Computer Y Auswertung, d.h. wo kommt es zu starken oder geringen Schwächungen
Y Zuordnung von Dich-tewerten Y
Angabe in "Hounsfield-Einheiten (HE)" Y Zuordnung von
Graustufen:
Weiß Y Starke Absorption Y Hohe
HE-Werte (Knochen)
Schwarz Y Schwache Absorption
Y Negative HE-Werte (Luft)
Nullpunkt : Dichte von Wasser
Gewebe
Dichte [HE]
Knochen
+1000
Nieren
50-70
Fettleber
20-40
Par. Organe
40-70
Zysten
10-20
Wasser
0
Fett
(-100)-(-200)
Lungengewebe
(-600)-(-700)
Luft
-1000
Grundlagen der Magnetischen Kernresonanz
Synonyme:
>
>
>
Kernspintomographie
Nuklearmagnetresonanztomographie
Magnetresonanz-Imaging
Geschichtliche Entwicklung:
1924 Pauli : Magnetisches Drehmoment
1946 Purcell, Bloch : Kernspinresonanz
1950 Hahn : Kernspinechos
1960 Knight, Dickinson, Proctor : Chemische Analyse
1971 Damadian, Lauterbur : Kernspintomographie
1973 Moon : 31P-Spektroskopie
Bestimmbare Parameter:
1.
2.
3.
Protonendichte (Wassergehalt)
Relaxationszeiten (T1, T2)
Flowbestimmung (zur Gefäßdarstellung)
Merke:
T1 Y Fett Y Hell
T2 Y Wasser Y hell
Essentielle Voraussetzungen:
8
8
8
8
Kernspin
Homogenes Magnetfeld
Magnetresonanz
Relaxation
Der Kernspin
Unter "Kernspin" versteht man den Eigendrehimpuls von Atomkernen
um ihre Längsachse (vergleichbar mit einem Kreisel).
Diese Eigenschaft besitzen Atomkerne mit einer ungeraden Zahl von
Protonen und Neutronen. Der einfachste Atomkern mit Kernspin ist der
Wasserstoffkern (H+); er kommt außerdem im Körper am häufigsten vor
(der Körper besteht zu 70% aus Wasser, in jedem Tropfen Wasser befinden sich etwa 1024 Wasserstoffkerne - Protonen -). Die MRT wird daher
auch als "Protonenimaging" bezeichnet.
Weitere Elemente mit Kernspin, die zur NMR verwendet werden können:
Kohlenstoff-13, Fluor-19, Natrium-23, Phosphor-31.
Ein Proton (Atomkern mit positiver Ladung) dreht sich ähnlich
der Weltkugel um eine Achse.
Diese Drehung bezeichnet man
als Spin.
Die Rotation der elektrischen
Ladung ist mit einem schwachen
Magnetfeld verbunden, d.h. der
Atomkern stellt einen magnetischen Dipol dar.
Was passiert im Magnetfeld?
6
6
6
6
6
Kerne erzeugen durch ihren Spin ein
geringes Magnetfeld
Die Drehachsen sind willkürlich verteilt
Y Ausmittelung der Magnetisierung (Y
Kein NMR-Signal!)
Starkes Magnetfeld Y Ausrichtung!
Parallel (energetisch günstiger)
Antiparallel (energetisch ungünstiger)
Durch den zahlenmäßigen Unterschied parallel und antiparallel orientierter
Protonen entsteht eine Nettomagnetisierung M0 der Materie.
Das Magnetfeld, das zur MRT benötigt wird, muß jedoch eine sehr hohe
Feldstärke haben:
+
+
+
Magnetfeld der Erde: ca. 50 Mikro-Tesla
Haushaltsmagnet: Größenordnung Milli-Tesla
MR-Magnet: 0.1 - 4 Tesla (meist 1-1.5 Tesla)
Einheit für Magnetfeldstärken "Tesla": 1 Tesla = 10000 Gauß
Die Ausrichtung der Kerne im Magnetfeld ist nie völlig parallel, da sich
durch die Eigenrotation immer ein Winkel ergibt. Mit diesem Winkel rotieren
die Atomkerne um ihre Längsachse Y "Präzession". Die Geschwindigkeit
der Kreiselbewegung ("Präzessionsfrequenz", "Larmorfrequenz") hängt
von der Stärke des Magnetfeldes ab:
1. Protonen mit Spin (S) kreiseln (präzedieren) mit einer Präzessionsfrequenz in
einem Magnetfeld (B) um dessen Feldlinien
2. Analogie zu einem Kreisel mit einem
Drehimpuls (L) im Gravitationsfeld (G) der
Erde
Anregung und Relaxation
8
8
8
8
8
8
Einstrahlung eines Hochfrequenzimpulses (MHz-Bereich) Y Drehung der im Magnetfeld ausgerichteten Spins um 90°
Nur möglich, wenn der eingestrahlte Impuls die gleiche Frequenz hat
wie die Spins = "Resonanzbedingung"
Für unterschiedliche Kerne sind bei unterschiedlichen Magnet1
feldstärken unterschiedliche Frequenzen notwendig (z.B. H : 42,6
1
MHz bei B = 1,0 Tesla bzw. H : 64,0 MHz bei B = 1,5 Tesla)
Nach Abschalten des Hochfrequenzimpulses bewegen sich die
Atomkerne wieder in ihre Gleichgewichtslage zurück ("Relaxation")
Man unterscheidet die longitudinale Relaxation (T1-Zeit) und die
transversale Relaxation (T2-Zeit)
Ortsauflösung wird durch "Gradienten" erreicht Y Magnetfeld ist
nicht mehr völlig homogen Y Unterschiedliche Resonanzfrequenzen
Signalverhalten einiger wichtiger Gewebe bzgl. ihrer T1- und T2-Relaxationszeiten:
Signalverhalten
T1-gew. Bild
T2-gew. Bild
Signalreich
Fett
Liquor, Ödem,
Flüssigkeit
Mittlere
Intensität
Signalarm
Lymphknoten, Muskulatur, Knochenmark,
Knorpel
Liquor, Zysten,
Flüssigkeit, Verkalkungen, Kortikalis
Die Schichtauswahl beim MR folgt
dieser Terminologie:
Fett, Knochenmark
Kortikalis, Verkalkungen, Muskulatur
Ultraschall (I)
Allgemein:
8
8
8
8
8
8
8
Ultraschall = Hochfrequente, mechanische Schwingungen
mit Frequenzen von etwa 1 bis 12 MHz
Häufigste Anwendungen: 3.5 - 7.5 MHz
Longitudinalwellen
Ausbreitung nur in Materie (Unterschied zu elektromagnetischen Wellen)
Ausbreitungsgeschwindigkeit in Wasser ~ 1500 m/s
Schallkopf wirkt als Wellenerzeuger sowie auch wiederum
als "Wellendetektor"
Je dichter das Medium, desto schneller der Schall!
Grundlagen der Bilderzeugung:
Ausbreitung in biologischen Medien hängt ab von:
8
8
8
8
Absorption
Streuung
Reflexion
Brechung
An Gewebegrenzen erfährt die Schallwelle diese Phänomene
in unterschiedlichem Maß Y Reflexion der Schallwelle Y"Inhomogene Welle", d.h. Veränderungen, die zur Diagnostik
taugen, sind eingetreten!
Ultraschall (II)
Schalleitungszeit:
Y Zeit von Aussendung bis Empfang (gibt aufgrund der annähernd
konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit die
flektierenden Struktur vom Schallkopf wieder)
Entfernung der re-
Schallamplitude:
Y Amplitude des reflektierten Impulses (gibt die Stärke der
Schallreflexion wieder)
Die beiden Faktoren Schallaufzeit und Schallamplitude sind die
Grundlage der Bilderzeugung. Je nach bildlicher Darstellung unterscheidet man folgende Verfahren:
8 A-Mode
8 M-Mode
8 B-Mode.
Der
"A"-Modus
In der eindimensionale Darstellung: Amplitude
auf der Ordinate (A), Schallaufzeit auf der
Abszisse (B).
Hohe Ordinatenwerte Y Starke Schallreflexion
Abszissenwert Y Entfernung vom Schallkopf
M-Mode:
8
8
8
8
Bewegung des "Ziels" Y
Änderung des Abstandes Y
Änderung der Schallaufzeit.
Registrierung als Funktion
der Zeit Y Kurven.
Höhendifferenzen Y
Bewegungsumfang
Die Steigung der Kurve Y
Bewegungsgeschwindigkeit
B-Mode:
8
8
8
Y
Y
Y
Y
Reflektierte Echos werden
als helle und dunkle Punkte
dargestellt.
multiple Piezokristalle Y
Verschiedene Echoimpulse
werden ausgesendet und
empfangen
Y Ortsauflösung und Umsetzung in Graustufen
B-Mode Y Heute am häufgsten angewandtes Verfahren
(Schnittbild, das durch Kippung und Lageveränderung des
Schallkopfes in seiner Schnittebene frei variiert werden
kann). "Schnelles" Verfahren Y Detektion von Organbewegungen in "Real Time".
A-Mode (Ergänzung zum B-Mode) Y Differenzierung umschriebener Raumforderungen (Zyste oder solider Tumor?).
M-Mode Y Echokardiographie
Zur Knorpeldiagnostik: Nur wenn man nix Besseres wie
z.B. MR in der Hand hat!!
Anwendungsbreite der unterschiedlichen
bildgebenden Verfahren
Organsystem
Röntgen
CT
MRT
Sonographie
Knochen
+++
+++
+
-
Knochenmark
-
-
+++
-
Lunge
+++
+++
-
-
+/-
(1)
+++
++++
+++
+++
++++
Rückenmark
-
(+)
Magen/Darm
+++
+/++
Knorpel
-
-/+
Gefäße
+++(5)
++(6)
++/+++(7)
+
Herz
+
+/++
++/+++
+++
Leber/Milz
-
+++
++
+++
Nieren
+/++
+++
++
++/+++
Weichteile
Gehirn
++++
(3)
+/+++
(3)
(2)
-/++
-
++/-(4)
+
1. Ausnahme: Mammographie
2. Ultraschall nur am Gehirn von Säuglingen (offene Fontanellen)
3. Einzige Methode zur direkten Darstellung von Rm bzw. Knorpel
4. Darstellung von Darmwandverdickungen mit Sonographie möglich
5. Angiographie
6. Große Gefäße
7. Großes Zukunftspotential