Bildgebende Verfahren

Neuronale und biochemische Ursachen neuronaler
Erkrankungen I – Bildgebende Verfahren
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dwMRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
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Zusammenfassung
Einleitung
Allgemeines
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Apparative diagnostische Verfahren, die einen Befund visuell darstellen
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Darstellung von Funktionen bzw. Aktivitäten des Körpers sowie krankhafter
Veränderungen
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Neurologie: Darstellung von Struktur und Funktion des lebenden Gehirns
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Pioniere:
Wilhelm Conrad Röntgen: Entdeckt 1895 zufällig X-Strahlen und legt so die
Grundlage für die Radiologie
Sir Godfried Hounsfield: Idee Röntgenstrahlen auf vielen Achsen per
Computer auszuwerten -> überlagerungsfreie Schichtaufnahmen
(Grundlage für die CT)
Paul Christian Lauterbur: Theorie ist Basis für die Magnet-ResonanzTomographie (MRT)
Einleitung
Beispiele
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Röntgen:
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Thermografie: Von Objekten ausgehende Wärmestrahlung
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Sonografie:
Darstellung zweidimensionaler Schnittbilder mit Hilfe von
Reflexion, Absorption und Schwächung der Schallwellen
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Szintigrafie:
Verfolgung von Verstoffwechselung kurzlebiger Radionuclide
bzw. Radiopharmaka zur Funktionsdiagnostik von Organen
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Tomografie:
Darstellung und Kombination beliebiger Schnittebenen
Darstellung von Strukturen mit ausreichender Materiedichte
basierend auf verschiedenen physikalischen Typen
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Hybridmethoden wie SPECT oder PET-CT
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
Röntgen
Verfahren
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Energiereiche Elektronen + Hochspannung → in elektrischen Feld
beschleunigt und durch Hindernis abgebremst (kin. Energie →
electromagnet. Strahlungsenergie)
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Jede Geschwindigkeits- und Richtungsänderung → Aussenden von
Röntgenstrahlung verbunden
Röntgen
Verfahren
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Erzeugt: Röntgenstrahlung, Wärme (99%), Bremsstrahlung
•
Röntgenstrahlung besteht aus bestimmten Wellenlängen
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Zusammenstoß Kathodenelektron und Anodenatom → Anodenelektron wird
herausgeschleudert, Platz wird von anderem Elektron eingenommen →
Entstehung von Eigenstrahlen
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Attenuation: Teil der Strahlungsenergie
wird vom Gewebe absorbiert
Röntgen
Verfahren
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Absorption/ Blockierung des Gewebes je nach Dichte und Energie der
Strahlung
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Zwei Mechanismen: Photoeffekt und Compton-Effekt
Photoeffekt: Röntgenphoton stößt ein Elektron aus dem Atom
→ Photon wird vernichtet und Elektron entfernt sich mit hoher Energie
Ist das Photon nach dem Stoß noch vorhanden, spricht man vom
Compton-Effekt → Photon verliert nur an Energie
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Detektor/ Film fängt Strahlen auf der anderen Seite auf
→ Bremsstrahlung: Ablenkung der Kathodeelektronen durch Atomkerne
der Anode
Röntgen
Anwendungsgebiete
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Nativ oder mit Kontrastmitteln
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Häufigste: Röntgen-Thorax
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Verletzungen und Krankheiten der Knochen
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Mammografie
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Angiografie (Darstellung der Blutgefäße)
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CT
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
Computertomografie (CT)
Verfahren
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Durchstrahlung: schichtweise aus allen Richtungen durch drehende
Röntgenröhre
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Erzeugte Strahlung durch Blenden zu einem vereint
→ Strahl wird auf dem Weg durch den Körper → Strahl trifft auf Detektor
→ Intensität des Strahls wird in elektrisches Signal umgewandelt
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Röntgenröhre und Detektor werden
senkrecht zum Strahl verschoben
→ Drehung
→ neue Durchstrahlung bis Körper
einmal umkreist wurde
→ Querschnitt von PC rekonstruiert
Computertomografie (CT)
Anwendungsgebiete
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bei Untersuchungen am Kopf (z.B. Blutungen, Basisfrakturen, Tumore), Knochen,
Lunge, Leber, Lymphknoten, Magen, Darm und Gefäße (akute Blutungen,
Aneurysmen)
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Weichgewebe besser darstellbar → räumliche Zuordnung krankhaften
Gewebe
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Vorteil: sind innerhalb von Sekunden fertig; dreidimensional
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Nachteil: hohe Strahlenbelastung
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
Magnetresonanztomografie (MRT)
Verfahren
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Kombination von Magnetfeld und HF-Impuls zur Anregung von
Wasserstoffprotonen → spiegelt Protonendichte im Gewebe wieder
(nicht allgem. Gewebedichte wie beim Röntgen)
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Atomkerne mit ungerader Protonen- oder Neutronenzahl verfügen über
einen Eigendrehimpuls (=Spin)
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1) Magnetfeld:
- Im Normalzustand sind Spins ungeordnet
- bei starkem Magnetfeld richten sich
Atomkerne wie Kompassnadel parallel
oder antiparallel zur Feldrichtung aus
Magnetresonanztomografie (MRT)
Verfahren
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2) Hochfrequenzimpuls:
- Senkrecht zur Richtung des Magnetfelds wird kurzer Hochfrequenzimpuls
eingestrahlt (Lamorfrequenz)
- längs des äußeren Magnetfelds ausgerichtete Kernspins werden kurz zum
"Schlingern" gebracht und "umgeklappt„
- Kreiselbewegung (Präzession) aller Atomkerne wird kurzzeitig synchronisiert (=
Phasenkohärenz)
→ senkrecht zu den Feldlinien des äußeren Magnetfelds
verlaufende Transversalmagnetisierung
•
3) T1-Relaxation:
- Nach Impuls → Ausrichtung des Kernspins nach äußerem Magnetfeld und
Wärmeabgabe (= Wiederausrichtung/ Wiederaufbaus der Längsmagnetisierung)
- hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Gewebes ab (Gewebe mit schnellem
Wärmetransfer (z.B. Fettgewebe) → hell
- Gewebe mit langsamem Wärmetransfer→ dunkel (z.B. Liquor)
Magnetresonanztomografie (MRT)
Verfahren
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4) T2-Relaxation
- Ausschalten des Hochfrequenzimpulses → Atomkerne verlieren ihre
phasensynchrone Kreiselbewegung → Rückgang der
Transversalmagnetisierung
- Aufrechterhalten von Transversalmagnetisierung
→ hell (z.B. Wasser)
•
konkrete elektromagnetische Pulssequenz
→ MRT-Sequenz
•
Durch Veränderung der Geräteparameter (MRTSystemparameter), z.B. der Pulswiderholzeit (TR)
oder der Echozeit (TE) kann man am MRT
unterschiedliche Wichtungen einstellen (T1-, T2-,
Protonendichte-gewichtete Bilder)
Magnetresonanztomografie (MRT)
Anwendungsgebiete
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Vorteil: Hohes Auflösungsvermögen → Schon kleine Tumoren oder
Entzündungsherde können entdeckt werden
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Strukturen, die einen geringen Wassergehalt haben (z.B. Knochen) oder
luftreiche Regionen (Lunge) stellen sich nicht so gut dar
•
Nachteil: Untersuchungen dauern verhältnismäßig lang (15-30 Minuten),
Enge und laute Klopfgeräusche für den Patienten oft unangenehm, sehr
teuer, kontraindiziert bei Implantaten/ Schrittmachern
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dwMRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
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Zusammenfassung
Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dw-MRT)
Verfahren
- Misst Diffusionsbewegung von Wassermolekülen
- Pulse elektromagnetischer Wellen treffen auf Wasserteilchen
→ je nach Diffusionsgeschwindigkeit anderes “Echo” (SpinEcho)
- Faserstrukturen, in denen sich Wasser bewegt erkennbar
→ Einteilung der Messbereiche in Voxel
- Darstellung als Tensor:
→ gleichmäßige Bewegung = Kugelförmig;
→ gerichtete Bewegung = Stäbchenförmig
Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dw-MRT)
Anwendung
- Ermöglicht den Verlauf von Axonen (Nervenfasern) nachzuvollziehen
→ Zusammenhängende Hirnstrukturen erkennbar
- Zur frühen Erkennung von Schlaganfällen genutzt
- Aufklärung über Nervenbahnen vor Operationen
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dwMRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
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Zusammenfassung
funktionelle Magnetresonanztomopraphie (fMRT)
Verfahren
- Darstellung aktiver Hirnareale (basierend auf Blutoxygenierung)
- Bold – Effekt
- oxygeniertes Hämoglobin nicht magnetisch (kein unpaares
Elektonenpaar)
→
desoxygeniertes Hämoglobin magnetisch; beeinflusst
umgebendes Magnetfeld
- Mehr desoxyg. Hämoglobin in aktiven Hirnarealen
→ Stärkeres Signal der T2*-Gewichtung
- Schnittbilder erzeugen 3D-Bild
funktionelle Magnetresonanztomopraphie (fMRT)
Anwendung
- Darstellung aktiver Hirnareale bei verschiedenen Reizen
→ z.B. Visueller Eindruck erzeugt Aktivität im visuellen
Cortex
- Medizinische Hauptanwendung zur Erkennung von Sprachzentren
- Unmittelbare Erzeugung von Bildern
- Nachteil:
- Blutoxygenierung beschreibt Hirnaktivität indirekt
- Benötigt Vergleich mit unerregtem Zustand
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dwMRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
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Zusammenfassung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Verfahren
- Verabreichung eines radioaktiven Tracers → wird verstoffwechselt
- Basierend auf ß+-Zerfalls (Proton im Kern → Neutron + Positron +
Elektron-Neutrino) eines Radionuclids
- Positron + Elektron → Annihilation + Gammastrahlung
- Gammastrahlung entsteht in
zwei Richtungen
→ 90° Winkel
- Detektoren messen eintreffende
Gammastrahlung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Anwendung
- Basierend auf Tracer unterschiedlicher Zerfall
- Onkologie: Krebszellen verbrauchen mehr Glucose (Tracer:FDG)
→ größerer Zerfall
- Entzündungen können ähnlichen Effekt
auslösen
- Nachteil: Keine klare Darstellung von Geweben etc.
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dwMRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
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Zusammenfassung
Single-Photon-Emissions-Tomographie (SPECT)
Verfahren
- Verabreichen eines radioaktiven Tracers → stetige Gammastrahlung
- Beweglicher Detektor fährt um Patienten herum (dynamische SPECT)
→ Dreidimensionales Bild
- Verfahren der PET sehr ähnlich
Single-Photon-Emissions-Tomographie (SPECT)
Anwendung
- Ähnlich wie PET, jedoch günstiger
→
schnellerer Zerfall der Nuclide; weniger aufwändige
Messgeräte
- geringere Auflösung
→ Richtung der Strahlung wird mittels “Filtern” (Kollimatoren)
bestimmt
→ nahezu sämtliche Strahlung wird gefiltert
- Heute oft in Kombination mit anderen Verfahren
Hybridverfahren
- Kombination von bildgebenden Verfahren
→ morphologisch & funktionell
- z.B. PET/CT
→ Bei PET keine räumliche Darstellung des Zerfalls; zeitgleiche
CT
- Verknüpfen Informationen einzelner Verfahren
- Schwerpunkt der heutigen Entwicklung bildgebender Verfahren
Gliederung
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Einleitung
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Röntgen
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Computertomografie (CT)
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Magnetresonanztomografie (MRT)
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Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dwMRT)
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Funktionelles Magnetresonanzimaging (fMRI)
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Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
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Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
- Entweder funktionelle oder morphologische Verfahren
- Verfahren lassen sich systematisch einteilen, basierend auf
→ Röntgenstrahlen
→ Radionucliden
→ Kernspinresonanz
- Neben den vorgestellten Verfahren existieren noch:
→ Ultraschall
→ Infrarot
→ Impendanz (Wechselstromwiderstand)
→ sichtbares Licht
Quellen
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https://ec.europa.eu/research/rtdinfo/de/28/images/dossier3a.jpg
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http://online-media.uni-marburg.de/radiologie/lehre/bilder/roe_roehre.gif
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http://www.onmeda.de/behandlung/roentgen.html
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http://www.medizinischestrahlung.de/verfahren-der-medizinischenbildgebung/bildgebende-verfahren-mit-rontgenstrahlung/radiografiekonventionelles-rontgen/
•
http://www.fz-juelich.de/inm/inm-4/DE/Home/home_node.html
•
http://flexikon.doccheck.com/de/R%C3%B6ntgendiagnostik
•
http://www.umm.uniheidelberg.de/inst/cbtm/ckm/lehre/physikalischegrundlagenderroentgen/physkl_g
rundl_roentgen_2.pdf
•
http://flexikon.doccheck.com/de/Bildgebendes_Verfahren
•
http://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/bildgebende-verfahren/1476
•
http://www.vis.uni-stuttgart.de/plain/vdl/vdl_upload/148_18_Vortrag-ChristianDemler.pdf
Quellen
•
http://flexikon.doccheck.com/de/Computertomographie
•
http://www.uni-koblenz.de/~lb/lehre/ws2006/sem/ct.pdf
•
http://www.betaklinik.de/wpcontent/uploads/2014/09/ct_computertomographie.jpg
•
http://www.medizinischestrahlung.de/verfahren-der-medizinischenbildgebung/bildgebende-verfahren-mit-rontgenstrahlung/computertomografie-ct/
•
http://www.ukgm.de/ugm_2/deu/umr_rdi/Teaser/Grundlagen_der_Magnetresonan
ztomographie_MRT_2013.pdf
•
http://flexikon.doccheck.com/de/Kernspintomographie
•
http://www.dr-von-essen.de/files/mrt_bild_1.jpg
•
http://www.diagnostikum-berlin.de/sites/default/files/MRT%20Kopf.jpg
•
http://www.onmeda.de/behandlung/mrt-anwendungsgebiete-2975-3.html
•
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Bilder/INM/INM-4/DE/MRPhysik/TeamFmri/KeyVisual.png?__blob=poster
- https://www.hzdr.de/FWS/FWSF/messtechnik/pet/petschema_en.gif
- http://www.nature.com/jcbfm/journal/v20/n11/images/9591014f9.jpg
http://www.baltic-imaging-center.de/images/3_37_popup_show.php.png