Schalom Dr. House

House-Ärzte - Schalom, Dr. House
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13.06.12: Epidemie
04.07.12: Schalom, Dr. House
(Hörsaal 2 LFI, 18 Uhr c.t.)
Auskunft:
Prof. Lehmann (Anästhesie)
PDF-Handouts auf
www.anfofo.de
House-Ärzte
Symptome
Diagnostik
Medikamente
abdominelle Blutung
ACTH-Stimulationstest
Ampicillin
Beinschmerzen
Belastungs-EKG
Cortisol
Blasenschwäche
Ephedrin
Desaturierung
Blutuntersuchung
(BSG, Elektrolyte)
Dyspnoe
CT
Indomethacin
Fraktur (Bein)
diagnostische Laparotomie
Hämaturie
Haaranalyse (Toxine)
Hypothermie
Herzkatheter (EPU)
Hypotonie
MRT, fMRT(MRI), MRA
Kollaps
Pulsoxymetrie
Krampfanfall
Schweißtest
Orthostase-Störung
Ultraschall
Fludrocortison
Wesensveränderung Zystoskopie
(SS 2012)
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Bildgebung (1)
Differentialdiagnosen
Arrhythmie
Polycythaemia vera
arterielle Torsion
Porphyrie
autonome Neuropathie (Riley-Day-Syndrom)
Rippenfehlbildung
Dünndarm-Volvulus
systemische Sklerose
Echinokokken-Zyste
Thrombose
Endometriose
Thrombozytopenie
Historische Aufnahme
(Röntgen, 23. Januar 1896)
Harnwegsinfekt
Kryoglobulinämie
Therapieformen
Lupus erythematodes
Bluttransfusion
M. Addison, M. Parkinson, M. Wegener
Beingips
Nephroptose (Wanderniere)
Hämatin-Therapie
Nierenzellkarzinom
Phlebotomie (Aderlass)
Phäochromozytom
Sauerstoff-Gabe
Spannungspneumothorax
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Bildgebung (2)
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Bildgebung (3)
CT eines Nierentumors rechts
(im Bild links)
MRT eines schlagenden
menschlichen Herzens
CT-Angiographie der Hände in
einer 3D-Rekonstruktion
MRT eines menschlichen Kniegelenks
1
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Bildgebung (4)
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PET nach Injektion von 18F-FDG: neben den normalen
Anreicherungen des Tracers in Blase, Nieren und Gehirn sieht
man Lebermetastasen eines kolorektalen Tumors
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Bildgebung (5)
Szintigraphie (99mTc) eines
Patienten mit M. Basedow
vor und nach Radioiodtherapie.
Oberhalb der Schilddrüse
sind die Unterkieferspeicheldrüsen zu
erkennen.
Knochenszintigramm
eines Patienten mit
multiplen Metastasen
eines Prostata-Karzinoms
fMRT: Gehirns eines 24-jährigen Mannes
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Bildgebung (6)
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Sonographie (1)
Sonographie ist die Anwendung von Ultraschall als bildgebendes Verfahren zur
Untersuchung von organischem Gewebe in der Medizin sowie von technischen
Strukturen. Das Bild wird Sonogramm genannt.
Doppler-Sonographie bei einer Herzuntersuchung:
Mitralklappe mit Mitralinsuffizienz
Die Sonographie ist das wichtigste Verfahren bei der Differentialdiagnose eines
akuten Abdomens, bei Gallensteinen oder bei der Beurteilung von Gefäßen und
deren Durchlässigkeit. Weiterhin wird sie standardmäßig zur Untersuchung der
Schilddrüse, des Herzens (Echokardiographie), der Nieren, der Harnwege und
der Harnblase benutzt. Mit Ultraschall können krebsverdächtige Herde erkannt
und erste Hinweise auf ihre Bösartigkeit gewonnen werden. Darüber hinaus
sind ultraschallgesteuerte Biopsien und Zytologien durchführbar.
Ultraschall:
3D-Darstellung eines menschlichen Fötus
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Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Röntgen liegt in der Unschädlichkeit
der eingesetzten Schallwellen. Auch sensible Gewebe wie bei Ungeborenen
werden nicht beschädigt, die Untersuchung verläuft weitgehend schmerzfrei.
Neben der Herztonwehenschreibung (Kardiotokographie) ist sie ein
Standardverfahren in der Schwangerschaftsvorsorge.
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Sonographie (2)
Sonographie (3)
Ultraschall ist Schall mit einer Frequenz oberhalb der menschlichen Hörgrenze,
ab 20 kHz bis 1 GHz. In der Diagnostik verwendet man Frequenzen zwischen 1
und 40 MHz. Die Ultraschallwellen werden mit in der Sonde („Schallkopf“)
angeordneten Kristallen durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt und auch
wieder nachgewiesen.
Die Stärke der Reflexion wird als
Grauwert auf einem Monitor dargestellt.
So stellen sich Strukturen geringer
Echogenität als schwarze, Strukturen
hoher Echogenität als weiße Bildpunkte
dar. Gering echogen sind vor allem
Flüssigkeiten wie Harnblaseninhalt und
Blut. Eine hohe Echogenität besitzen
Knochen, Gase und sonstige stark Schall
reflektierende Materialien.
Gemessen wird die Impedanz, der
Widerstand, der der Ausbreitung von
Wellen entgegenwirkt. An der
Grenzfläche von Stoffen mit großem
Impedanzunterschied wird der Schall
stark reflektiert. Dieser Unterschied ist
zwischen Luft und z.B. Wasser
besonders stark ausgeprägt, deshalb
wird die Sonde immer mittels eines
wasserhaltigen Gels angekoppelt, um
Reflexionen von Lufteinschlüssen
zwischen dem Sondenkopf und der
Hautoberfläche zu reduzieren.
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2
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Sonographie (4)
Szintigraphie (1)
Die Aussagekraft der Sonographie kann erheblich durch die Anwendung des
Dopplereffekts erhöht werden. Dopplerverfahren werden benutzt zur Bestimmung
von Blutfluss-Geschwindigkeiten, zur Entdeckung und Beurteilung von
Herz(klappen)-Fehlern, Stenosen, Verschlüssen oder Kurzschlussverbindungen
(Shunts).
Die Szintigraphie ist ein bildgebendes Verfahren der nuklearmedizinischen
Diagnostik. Dabei werden radioaktiv markierte Stoffe (Radiopharmaka,
Gammastrahler) in den Körper eingebracht, die sich im zu untersuchenden
Zielorgan anreichern und anschließend mit einer speziellen Kamera sichtbar
gemacht werden.
Der Dopplereffekt tritt immer dann auf, wenn Sender und Empfänger einer Welle
sich relativ zueinander bewegen. Zur Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit in
den Gefäßen oder im Herzen detektiert man das von den Erythrozyten reflektierte
Echo.
Sie eignet sich zur Funktions- und Lokalisationsdiagnostik, z.B. bei
Schilddrüsenerkrankungen, Entzündungsherden oder Tumoren im Skelett.
Durch Messung des zeitlichen Ablaufs lassen sich weitere Informationen
gewinnen (z.B. Nierenfunktions-Szintigraphie).
Das Ergebnis wird in Falschfarben
überlagert (rot und blau für
verschiedene Blutgeschwindigkeit,
grün für Turbulenz). Hierbei steht
üblicherweise rot für Bewegung auf
den Schallkopf zu, während mit
blauen Farbtönen Flüsse weg von
der Sonde codiert werden. Bereiche
der Geschwindigkeit 0 werden
durch die Elektronik unterdrückt.
Die Strahlenbelastung ist bei
diesen Untersuchungen meist
geringer als bei den vergleichbaren
Röntgenuntersuchungen.
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Farbdoppler: Carotisstenose
In Deutschland werden pro Woche
etwa 60.000 Szintigraphien durchgeführt.
Injektion von 99mTc. Die Spritze mit dem Radionuklid
ist von einer Abschirmung umgeben.
Wikipedia
Szintigraphie (2)
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Szintigraphie (3)
Schilddrüsenszintigramme (
Wikipedia
99m
Tc)
A) normale Schilddrüse,
B) M. Basedow
C) autonomes Adenom
D) toxisches Adenom
E) Thyroiditis
Mit Hilfe einer Gamma-Kamera kann die
ausgesandte Strahlung als Lichtblitze
detektiert und in ein farbvisualisiertes Bild
transformiert werden.
Als radioaktiver Marker wird dabei meist das
Technetium-Isotop 99mTc verwendet.
Für medizinische Zwecke wird Technetium durch
Neutronenbeschuss von 98Molybdän gewonnen:
98
42
Mo + n →
99
42
Mo
Die 99Mo-Kerne zerfallen unter Aussendung von
Betastrahlung mit einer Halbwertszeit von 2 Tagen und
19 Stunden in angeregte (metastabile) 99mTc-Kerne:
99
42
Mo →
99m
43
Tc + e-
Diese werden am Einsatzort extrahiert und in geeignete
Komplexe überführt. 99mTc geht mit einer Halbwertszeit
von nur 6 Stunden durch Aussendung von
Gammastrahlung in den Grundzustand 99Tc über:
99m
43
Tc →
99
43
Gamma-Kamera zur Schilddrüsen-Szintigraphie
Ventilations-Perfusions-Szintigramm einer Frau nach Einnahme von
Kontrazeptiva und dem Analgetikum Valdecoxib (COX2-Hemmer)
oben: Ventilation (Inhalation von 133Xe)
unten: Perfusion (i.v. 99mTc an Albumin-Makroaggregaten)
Tc + γ
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→ Nachweis von Lungenembolien
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Szintigraphie (4)
Strahlenbelastung (1)
Der radioaktiv markierte Tracer reichert sich vorzugsweise in Gewebe an,
das einen erhöhten Stoffwechsel aufweist und daher stärker vaskularisiert ist
(„Hot Spot“, z.B. im Tumorgewebe).
Ionisierende Strahlung ist überall
vorhanden. Die natürliche Belastung
stammt teils aus der kosmischen
Höhenstrahlung, teils aus RadioNukliden in der Erdkruste (meist 222Rn
aus dem natürlichen Zerfall von Uran).
Hierbei gibt es deutliche regionale
Unterschiede.
Bei Fragestellungen, die sich auf das Skelettsystem beziehen, lässt sich sehr
schnell ein umfassender Überblick gewinnen (z.B. bei Verdacht auf gelockerte
Endoprothesen, Verteilungsmuster von rheumatischen Erkrankungen).
Wenn bei Kindern der Verdacht auf Misshandlung besteht (häufige klinische
Angabe „Sturz von der Wickelkommode“), kann eine Szintigraphie erhöhten
Knochenstoffwechsel als Reparaturmaßnahme feststellen und Rückschlüsse auf
die Anwendung äußerer Gewalt ziehen. Dazu müssen die Knochen noch nicht
einmal gebrochen sein, schon leichte Prellungen lassen sich nachweisen.
Die Strahlenexposition variiert je nach durchgeführter Untersuchung und liegt
zum Beispiel für eine Schilddrüsen-Szintigraphie in der Höhe einer einfachen
Röntgenaufnahme (etwa 0,5 mSv), für die meisten Untersuchungen unterhalb
der einer umfangreicheren Computertomographie.
Je nach verwendetem Isotop sollte in den ersten 24-48 Stunden nach der
Untersuchung allzu enger Kontakt zu Schwangeren, Kindern und Jugendlichen
vermieden werden.
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Etwa 1,5% ist auf künstliche Quellen
(z.B. aus Tests mit Atomwaffen oder
aus Kernkraftwerken) zurückzuführen.
Radioaktive Isotope gelangen in die
Nahrungskette (am häufigsten 40K).
In Deutschland entfallen etwa 45%
der Gesamt-Strahlenbelastung von
etwa 4 mSv/Jahr auf medizinische
Anwendungen (größtenteils durch
Computertomogramme).
Strahlenexposition in Deutschland 2004/2005
3
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Strahlenbelastung (2)
Becquerel (Bq) beschreibt die Aktivität eines radioaktiven Stoffes. Sie gibt die mittlere Anzahl der
Atomkerne an, die pro Sekunde radioaktiv zerfallen. Die Einheit Becquerel ersetzt im SI-System die alte
Einheit für die Aktivität, das Curie (Ci):
1 Bq = 1 Zerfall/sec = 60 dpm (disintegrations per minute); 1 Ci = 3,7 · 1010 Bq, 1 Bq = 2,7027 · 10−11 Ci
Gray (Gy) gibt im SI-System die durch ionisierende Strahlung verursachte Energiedosis an und
beschreibt die pro Masse absorbierte Energie. Sie ist der Quotient aus der aufgenommenen Energie
und der Masse des Körpers. Die alte Einheit war das rad (rd):
Sievert (Sv) [J/kg] ist die Maßeinheit verschiedener gewichteter Strahlendosen. Sie dient zur Bestimmung
der Strahlenbelastung biologischer Organismen und wird bei der Analyse des Strahlenrisikos verwendet.
Die Äquivalentdosis beschreibt die vom Körper aufgenommene Energiedosis durch ionisierende Strahlung
multipliziert mit einem Qualitätsfaktor, welcher der relativen biologischen Wirksamkeit der jeweiligen
Strahlungsarten Rechnung trägt. Die Äquivalentdosis wurde früher in Rem (Roentgen equivalent man)
angegeben (1 Sv = 100 Rem). Da die verschiedenen Strahlungsarten bei gleicher Energiemenge im
Körpergewebe unterschiedliche biologische Wirkungen haben, werden weitere Korrekturen vorgenommen.
Das Produkt aus Organenergiedosis und Wichtungsfaktor ist die Organdosis.
Die Effektivdosis ist die Summe der gewichteten Dosen aller einzelnen Organe und ein Maß für das Risiko,
das durch die Strahlung verursacht wird. Die Angabe einer Strahlendosis ohne genauere Bezeichnung
bezieht sich meistens auf die Effektivdosis. Vereinfacht gesagt wird also aus der vom Körper
aufgenommenen Energiedosis durch Gewichtung der biologischen Gefährlichkeit der Strahlenart und der
Gefährdung der belasteten Organe die Rechengröße „Effektivdosis“ ermittelt.
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Strahlenbelastung (4)
natürliche Strahlenbelastung pro Jahr
2,1
0,02 - 0,1
1,5 - 2,3
5,3 - 10
Thorax-CT
5,8 - 8
Schwellendosis für akute Strahlenschäden
Filmdosimeter in einer Kassette
für austauschbare Filme mit
variabler Empfindlichkeit
Füllhalterdosimeter: Kondensatorspannung wird durch
einfallende ionisierte Strahlung vermindert.
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9,9
30 - 70
250
Deutschland nimmt mit etwa 1,3 Röntgenaufnahmen pro Einwohner und Jahr
einen Spitzenplatz ein. Die medizinische Anwendung von ionisierender Strahlung
führt zu einer zusätzlichen Strahlenexposition von grob 2 mSv/a pro Einwohner.
Auf diese lassen sich theoretisch 1,5% der jährlichen Krebsfälle zurückführen.
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Bei einem Flug von Frankfurt nach Tokio
wird man durch die kosmische Strahlung
einer Belastung in der Größenordnung von
60 µSv (beim Flug in niedrigen Breiten, etwa
über Indien) bis über 100 µSv (beim Flug
über den Pol, wo das Erdmagnetfeld weniger
schützend ist) ausgesetzt. Das fliegende
Personal zählt zu den Berufsgruppen mit der
höchsten mittleren Strahlenexposition.
3
Abdomen-CT
Strahlentherapie
1 mSv Jahresdosis für Personen der allgemeinen Bevölkerung,
15 mSv im normalen Feuerwehreinsatz (Einsatzdosis),
100 mSv zur Lebensrettung – dieser Wert darf einmal pro Jahr
aufgenommen werden (Lebensrettungsdosis),
250 mSv im Katastrophenfall, diese darf nur einmal im Leben
aufgenommen werden (Katastrophendosis).
Am 8. November 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg die nach ihm
benannten Strahlen (angloamerikanisch: X-ray).
Effektivdosis (mSv)
Kopf-CT
Thorax-, Abdomen- und Becken-CT
Für den Schutz der Bevölkerung sind Grenzwerte in der Strahlenschutzverordnung festgelegt:
Röntgenaufnahme (1)
Röntgenaufnahme des Thorax
Screening Mammographie
Wikipedia
Die Berufslebensdosis für strahlenexponierte Personen soll 400 mSv,
für Astronauten 1000–4000 mSv nicht überschreiten.
1 Gy = 1 J/kg = 100 rd
Untersuchung
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Strahlenbelastung (3)
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USA: Durchleuchtung eines Zuges zur
Entdeckung von Menschenschmuggel
historisches Röntgengerät
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Röntgenaufnahme (2)
Röntgenaufnahme (3)
Röntgenstrahlung bezeichnet elektromagnetische Wellen mit Photonenenergien
zwischen 100 eV und einigen MeV, entsprechend Wellenlängen zwischen 10-8 m
(10 nm) und etwa 10-12 m (1 pm). Sie liegt im elektromagnetischen Spektrum
zwischen dem ultravioletten Licht und der Gammastrahlung.
Der Nachweis von Röntgenstrahlen kann mit verschiedenen Methoden erfolgen
(photographischer Film, durch Lumineszenz oder mit elektronischen Sensoren).
In der Röntgenröhre werden Elektronen zunächst von einer Glühwendel
(Kathode) aus beschleunigt und treffen anschließend auf die Anode, in der sie
stark abgebremst werden. Hierbei entsteht Röntgenstrahlung mit insgesamt
rund 1% der eingestrahlten Energie) und Wärme. Die Anoden bestehen aus
Keramik mit aufgelagertem Molybdän, Kupfer oder Wolfram.
Für die Diagnostik benötigt man
„weiche“ und „harte“ Strahlung, um
verschieden dichte Gewebe, wie z.B.
Fett oder Knochen zu durchdringen:
variable Beschleunigungsspannung.
Bei der Mammographie werden etwa
25–35 kV, sonst meist Werte
zwischen 38 und 120 kV gewählt.
Digitales Röntgen basiert auf der
Digitalisierung der Aufnahmen. Es
ist sehr sinnvoll im Zusammenspiel
mit einem Radiologieinformationsund einem Archivierungssystem.
Der wichtigste Unterschied zum
Röntgenfilm ist die bessere
Nachbearbeitung, die Integration in
den Ablauf eines Krankenhauses
oder einer Arztpraxis und die meist
geringere Strahlenbelastung.
4
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Röntgenaufnahme (4)
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Computertomographie (CT) (1)
Durch rechnerbasierte Auswertung einer Vielzahl, aus
verschiedenen Richtungen aufgenommenen Aufnahmen
werden Schnittbilder erzeugt. Damit können Gewebearten mit
sich nur gering voneinander unterscheidender Schwächung für
Röntgenstrahlung dargestellt werden.
Unter dem Begriff Tomographie werden bildgebende
Verfahren zusammengefasst, welche die innere räumliche
Struktur eines Objektes ermitteln und in Form von
Schnittbildern (Tomogrammen) darstellen können.
Ein Schnittbild gibt die inneren Strukturen so wieder, wie
sie nach dem Aufschneiden des Objekts oder nach dem
Herausschneiden einer dünnen Scheibe vorlägen.
Man spricht von überlagerungsfreier Darstellung der
Objektschicht (im Gegensatz zu Projektionsverfahren wie
der normalen Röntgenuntersuchung, bei der sich alle
Strukturen überlagern, die im Strahlengang hintereinander
liegen).
Im Gegensatz zum klassischen Röntgen bestehen die
gemessenen Daten nicht aus einem zweidimensionalen Bild,
sondern sind ein eindimensionales Absorptionsprofil.
Die Röntgentomographie (auch Verwischungstomographie) ist ein veraltetes
Verfahren zur Darstellung einer Schicht innerhalb des untersuchten Objekts. Man
spricht heute meist von der „konventionellen Schichtaufnahme“, um das Verfahren
von der moderneren Computertomographie abzugrenzen. Während der
Belichtung werden Röntgenfilm und Strahlenquelle gegenläufig bewegt. Dadurch
entsteht eine scharfe Abbildung nur der Strukturen, die in der Fokusebene liegen.
Strukturen außerhalb der Fokusebene werden verwischt.
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Mit einem Computer kann für jedes
Volumenelement des Objektes (sog.
Voxel, entspricht einem dreidimensionalen
Pixel) der Absorptionsgrad ermittelt und
das Bild errechnet werden. Hierfür sind
Projektionen nötig, die mindestens eine
180°-Rotation um das abzubildende
Objekt abdecken.
Mit mehreren aufeinander folgenden
Röhrenumläufen lassen sich angrenzende
Schnitte erzeugen. Volumengrafiken
setzen sich aus bis zu mehreren hundert
Einzelschnitten zusammen.
16-Zeilen-Multidetektor-CT
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Computertomographie (CT) (2)
Computertomographie (CT) (3)
Vor jeder Aufnahme wird eine Übersicht aufgenommen.
Hierbei steht die Röntgenröhre still. Der Patient wird mit Hilfe
des verfahrbaren Tisches am Fächerstrahl der Röhre
vorbeigefahren. Im Ergebnis erhält man ein Bild, das einer
klassischen Röntgenaufnahme ähnelt.
Im CT-Bild wird die Schwächung des Gewebes für das von der Röhre emittierte
Röntgenspektrum in Form von Grauwerten dargestellt. Die Schwächungswerte
werden in sog. CT-Zahlen umgerechnet und diese auf der Hounsfield-Skala
ausgegeben.
Bei der CT-Untersuchung wird die Röhre um
den Patienten gedreht, ein auf der gegenüberliegenden Seite des drehenden Teils
angebrachtes Kreissegment von Detektorzellen nimmt den Strahlenfächer auf.
Ein CT-Bild, das Schwächungswerte direkt darstellen
würde, fiele je nach Aufnahmeparameter verschieden
aus. Eine Vergleichbarkeit von Bildern, wie sie für die
Befundung unabdingbar ist, wäre so nicht möglich.
Scout-View zur
Untersuchungsplanung
Durch Normierung auf die Schwächungswerte von
Wasser (CT-Zahl 1000) und Luft (0) wird dieses
Problem umgangen. Für die bildliche Darstellung wird
jeder CT-Zahl ein Grauwert zugeordnet.
Da das menschliche Auge zwischen den bis zu 4000
Grauwerte nicht differenzieren kann, wird je nach
untersuchtem Organsystem die Fensterung anders
gewählt.
Alle heutigen Geräte arbeiten im
Spiralverfahren, bei dem der
Patient mit konstanter
Geschwindigkeit entlang seiner
Längsachse durch die
Strahlenebene bewegt wird.
hochauflösende kraniale Computertomographie
(Nasennebenhöhlen, Felsenbein, Gehörknöchelchen)
Bewegung der Röhre beim Spiral-CT
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Computertomographie (CT) (4)
Magnetresonanztomographie (MRT) (1)
Die CT gehört heute zum wichtigsten Arbeitsmittel des Radiologen.
Es können sehr sicher und schnell Knochenbrüche, Blutungen, Schwellungen
(z.B. von Lymphknoten und bei Tumoren) und oft auch Entzündungen
diagnostiziert werden. Computertomographen finden sich deshalb fast
ausnahmslos auch in der Nähe der Notfallaufnahme.
Die MRT basiert auf sehr starken stationären Magnet- sowie elektromagnetischen
Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne
(meistens die Wasserstoffkerne) im Körper resonant angeregt werden, die dadurch
elektrische Signale induzieren.
Die physikalischen Grundlagen sind kompliziert und werden nachfolgend sehr vereinfacht dargestellt.
Belastende Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung entstehen nicht.
Weichteilorgane, Nervengewebe,
Knorpel und Bänder sind gut im
CT beurteilbar.
Deren Darstellung ist jedoch eine
Stärke der Kernspintomographie
(Magnetresonanztomographie),
weshalb diesem - teureren und
deutlich zeitaufwändigeren Verfahren oft der Vorzug gegeben
wird.
Die Strahlenbelastung bei der CT
ist vergleichsweise hoch und wird
von vielen Ärzten unterschätzt!
andere Bezeichnungen:
Magnetic Resonance Imaging (MRI), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), „Kernspin“
5
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Physikalische Grundlagen Kernspin:
Wikipedia
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Physikalische Grundlagen Kernspin: http://vam.anest.ufl.edu/forensic/nmr.html
Unter normalen Bedingungen sind die magnetischen Dipole der Wasserstoffatome in den
Geweben temperaturabhängig ganz unregelmäßig (isotrop) ausgerichtet.
Ein Wasserstoffatom (bestehend aus Proton und Elektron) ist aus
Sicht der klassischen Physik durch Masse und Ladung charakterisiert.
Die Quantenphysik fügt den Begriff des „Spin“ hinzu, vereinfacht
interpretierbar als die Rotation des Atoms im oder gegen den
Uhrzeigersinn.
Dies ändert sich beim Anlegen eines starken externen Magnetfeldes: je nach Spin richten sich
die Dipole parallel oder antiparallel zur Longitudinalachse (z-Achse) des Magnetfeldes aus
(ΔE = Energiedifferenz).
Die Rotation des elektrisch geladenen Protons entspricht einem
Stromfluss, der wiederum ein Magnetfeld induziert. Gelangt es in ein
externes (statisches) Magnetfeld, richtet es sich daran je nach Spin
parallel oder antiparallel aus. Kernspin mit paralleler Ausrichtung
besitzt ein etwas geringeres Energieniveau.
Durch die „Gleichschaltung“ ergeben sich parallel oder antiparallel ausgerichtete magnetische
Summenvektoren. Das Ausmaß des Gesamtvektors entlang der z-Achse hängt von der Zahl
der parallel oder antiparallel ausgerichteten Dipole ab.
Wegen des Eigendrehimpulses des Atomkerns kann sich das
magnetische Moment jedoch nicht einfach parallel zum externen Feld
ausrichten, sondern der Kern beginnt wie ein Kreisel zu präzedieren.
Die Präzessionsfrequenz (sog. Larmor-Frequenz) beträgt für das
Wasserstoffisotop 1H 42,58 MHz.
Wenn externe Energie mit genau dieser Larmor-Frequenz
(Resonanzfrequenz) eingestrahlt wird, werden Kerne mit antiparallelem Spin auf das höhere Energieniveau angehoben. Schaltet
man die externe Strahlungsquelle ab, kehren sie wieder in den
energieärmeren Zustand zurück - und senden dabei selbst eine
charakteristische elektromagnetische Strahlung aus. Diese kann mit
geeigneten Detektoren gemessen werden.
ΔE
Mit solchen Signalen lassen sich Wasserstoffatome im Gewebe
aufspüren und bildlich darstellen.
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Physikalische Grundlagen Kernspin: http://vam.anest.ufl.edu/forensic/nmr.html
ΔE
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Nun wird senkrecht zum stationären
Magnetfeld kurzzeitig Energie mit
der Resonanzfrequenz eingestrahlt.
Hierdurch wird bei einigen Protonen
das Energieniveau angehoben
(parallele Ausrichtung geht in
antiparallele über). Der magnetische
Gesamtvektor entlang der z-Achse
nimmt ab.
Ausgangszustand:
überwiegend parallele Ausrichtung niedrigeres Energieniveau
Einstrahlung Resonanzfrequenz:
Zunahme der antiparallelen Ausrichtung:
- höheres Energieniveau,
Gesamtvektor kehrt sich um.
Nach Abschalten der
Resonanzfrequenz fallen die
angeregten Kerne mit einer
gewissen Verzögerung auf das
niedrigere Energieniveau zurück
(der magnetische Gesamtvektor
erhöht sich wieder). Hierbei wird
eine messbare Strahlung
abgegeben, die von einer
Detektorspule gemessen wird.
Die Veränderung des longitudinalen
magnetischen Gesamtvektors ist für
eine Signalkomponente
verantwortlich, die man als T1Relaxation bezeichnet.
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Magnetresonanztomographie (MRT) (2)
Die Dauer einer Untersuchung hängt vom
Körperabschnitt und der klinischen
Fragestellung ab. Für ein MRT des Schädels
braucht man typischerweise 10-30, für eine
LWS 20 Minuten (mehr bei höherer Auflösung).
Häufig werden zwei Aufnahmeserien erstellt,
zuerst eine ohne und danach mit Kontrastmittel.
Prinzip eines MRT-Geräts;
laute Schaltgeräusche!
Magnetisches Material im Körper (z.B.
Schrittmacher, Cochleaimplantat,
Knochennägel, große eisenhaltige Tatoos
usw.) sind Kontraindikationen für die MRT.
Monitore und Hilfsmittel müssen aus nicht
magnetischen Stoffen bestehen.
Bei Klaustrophobie sind Sedativa hilfreich,
besser noch offene Systeme statt der
älteren geschlossenen Röhren.
Physikalische Grundlagen Kernspin: http://vam.anest.ufl.edu/forensic/nmr.html
Durch Wechselwirkung mit benachbarten
Protonen (Spin-Spin-Interaktion) präzediert
auch der magnetische Gesamtvektor.
Seine Projektion auf die y-Achse kann mittels
Fourieranalyse berechnet werden und liefert
eine zweite (transversale) Signalkomponente,
deren Rückgang nach Abschalten der
Resonanzenergie als T2-Relaxation
bezeichnet wird.
Die vom Computer berechneten Tomogramme
können nach T1 oder T2 gewichtet werden und
ergeben dadurch im Bild unterschiedliche
Grauwerte, die je nach diagnostischer
Fragestellung ausgewählt werden.
Änderung des longitudinalen Gesamtvektors bei
Einstrahlung der Resonanzenergie. Nach
Abschalten kehrt er in den Ausgangszustand
zurück (T1-Relaxation).
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Magnetresonanztomographie (MRT) (3)
Der Vorteil der MRT ist die gegenüber anderen bildgebenden Verfahren oft
bessere Darstellbarkeit vieler Organe. Sie resultiert aus der Verschiedenheit der
Signalintensität, die von unterschiedlichen Weichteilgeweben ausgeht. Manche
Organe werden erst durch die MRT darstellbar (z.B. Nerven- und Hirngewebe,
Angiographie mit Kontrastmittel: MRA). Durch Variation der Untersuchungsparameter kann die Detailerkennbarkeit gesteigert werden.
MRT Schädel
(Sagittalschnitt)
MRT des linken Sprunggelenks
mit Ödem der Achillessehne
oberhalb des Fersenbeins
Die Fähigkeit eines Patienten, während dieser
Zeit still zu liegen, kann individuell und
krankheitsbedingt eingeschränkt sein.
Zur MRT-Untersuchung von Säuglingen und
Kleinkindern ist gewöhnlich eine Narkose
erforderlich.
Spezielle Verfahren (Herz- oder Mamma-MRT,
Ganzkörperuntersuchungen, Gefäßdarstellungen) werden von den gesetzlichen
Versicherungen nur zum Teil oder gar nicht
bezahlt.
6
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Magnetresonanztomographie (MRT) (4)
Magnetresonanztomographie (MRT) (5)
Je nach Gewichtung kommen die verschiedenen
Gewebe in charakteristischer Intensitätverteilung
zur Darstellung.
Neue, schnellere Aufnahmeverfahren liefern Echtzeit-MRTs. So können z.B.
Bewegungen von Organen dargestellt oder die Position medizinischer Instrumente
während eines Eingriffs überwacht werden (interventionelle Radiologie).
In T1 erscheint Fett hyperintens (signalreich, hell)
und damit auch fetthaltige Gewebe (z.B.
Knochenmark). T1 eignet sich daher gut zur
anatomischen Darstellung von Organstrukturen
und insbesondere nach Kontrastmittelgabe
(Gadolinium) zur besseren Abgrenzbarkeit von
Tumoren.
In T2 erscheinen stationäre Flüssigkeiten hyperintens, so dass flüssigkeitsgefüllte Strukturen (z.B.
Liquorräume) signalreich und damit hell
erscheinen. Dadurch eignet sich T2 zur
Darstellung von Ergussbildungen und Ödemen
sowie z.B. zur Abgrenzung von Zysten gegenüber
soliden Tumoren.
MRT des menschlichen Herzens, Vierkammerblick
→ funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)
MRT der Wirbelsäule
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Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) (1)
Sagittal-Ansicht
House-Ärzte - Schalom, Dr. House
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Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) (2)
Mit der fMRT (oder fMRI, functional magnetic resonance imaging) lassen sich
physiologische Funktionen im Körper mit den Methoden der MRT darzustellen.
fMRT im engeren Sinn bezeichnet Verfahren, die aktivierte Hirnareale mit hoher
räumlicher Auflösung darstellen können.
Grundlage sind Durchblutungsänderungen, die auf Stoffwechselvorgänge
zurückgeführt werden, welche wiederum mit neuronaler Aktivität in Zusammenhang
stehen. Hierbei macht man sich die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften
von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut zu nutze. Hämoglobin stellt sich in
Abhängigkeit vom Oxygenierungsgrad im MRT-Signal unterschiedlich dar (blood
oxygenation level dependent (BOLD) - Effekt).
Bei der Aktivierung von Kortexarealen nimmt der Stoffwechsel und damit der
Blutfluss zu. Dadurch erhöht sich die Konzentration von oxygeniertem relativ zu
desoxygeniertem Hämoglobin.
Um Rückschlüsse auf den Ort einer neuronalen Aktivität zu ziehen, wird das MRTSignal zu zwei Zeitpunkten verglichen - z.B. im stimulierten sowie im Ruhezustand.
Die Aufnahmen können durch statistische Testverfahren miteinander verglichen
und die signifikanten Unterschiede (die den stimulierten Arealen entsprechen)
räumlich zugeordnet und dargestellt werden.
House-Ärzte - Schalom, Dr. House
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) (1)
Um das fMRT-Signal mit ausreichender
Empfindlichkeit zu detektieren, ist eine
spezielle MRT-Kopfspule erforderlich.
fMRT spielt derzeit in der Forschung noch
eine größere Rolle als in der Klinik. Dort
wird sie zur Kartierung des Gehirns, z.B.
bei M. Alzheimer, Schlaganfall oder zur
OP-Planung bei Tumoren erprobt.
Verschiede Beobachtungsebenen einer fMRT-Aufnahme nach linksseitigem „Finger-Tapping“. Die farbig dargestellten Bereiche symbolisieren
erhöhten Stoffwechsel und somit neuronale Aktivität. Je weiter die Farbe
ins Gelbliche abweicht, desto wahrscheinlicher ist Aktivität.
Es gibt auch Hinweise auf zerebrale
Stoffwechselveränderungen bei
chronischen psychischen Erkrankungen
wie Depression, Angst- oder
Zwangsstörungen.
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) (2)
Positronenstrahler werden in der Regel mit Hilfe
eines Zyklotrons hergestellt: mit starken elektromagnetischen Feldern werden Protonen stark
beschleunigt und können verschiedene
Kernreaktionen auslösen (u.a. die Produktion von
Neutronen für die Tumortherapie).
Die Positronen-Emissions-Tomographie ist als Variante der EmissionsComputertomographie ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin, das die
Verteilung einer schwach radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon) im
Organismus sichtbar macht und damit biochemische und physiologische
Funktionen abbildet (funktionelle Bildgebung).
Treffen die Protonen auf ein geeignetes Target
(Wasser mit angereichertem 18O-Isotop, H218O),
entsteht 18F. Dieses Isotop ist wegen seiner
vergleichsweise langen Halbwertszeit das
bevorzugte Isotop für die klinische PET und wird
meist in Glucose eingebaut.
Gemessen werden energiereiche Photonen (γ), die beim Zusammentreffen von
negativ geladenen Elektronen (e-) und ihrem Anti-Teilchen, dem positiv geladenen
Positron (e+) entstehen und in genau entgegengesetzter Richtung ausgesendet
werden (sog. Annihilationsstrahlung).
18
8
O+p→
18
9
F+n
Positronen können beim Zerfall aus instabilen
Atomkernen entstehen. Solche Isotope müssen zuvor
patientennah hergestellt und in geeignete Substrate
eingebaut werden, die sich im Körper verteilen und in
bestimmten Geweben anreichern. Dort reagieren die
emittierten Positronen mit Elektronen des Gewebes.
Die resultierende γ-Strahlung wird mit elektronischen
Detektoren gemessen. Ihre Lokalisation lässt sich in
Schnittbilder umrechnen.
18
9
F→
18
8
O + e+
Positronenstrahler:
Nuklid
20,3 min
13
10,1 min
15
2,03 min
18
110 min
68
68 min
82
75 sec
C
N
O
F
Zyklotron zur Krebstherapie
(University of Washington)
Ga
Fluorodeoxyglucose
Halbwertszeit
11
Rb
7
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) (3)
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) (4)
PET-Prinzip: Positronen entstehen aus
den injizierten oder inhalierten
Radionukliden. Bei der Annihilation
entstehen energiereiche Photonen, die
vom Detektorring erfasst werden.
Computer berechnen die fertigen
Tomogramme.
PET gehört zu den teuersten bildgebenden Verfahren in der modernen Medizin. Die Kosten
einer Untersuchung können bis zu 1.500 € betragen.
Die Gerätekosten liegen je
nach Ausstattung zwischen
1,5 und 3 Mio. €.
Ein großer Teil der für die
Diagnostik notwendigen
Radiopharmaka müssen
mittels eines Zyklotrons
hergestellt werden und
verursachen beim Betrieb
somit hohe Kosten.
PET/CT bei Brustkrebs:
18
F-FDG, 75 min nach Injektion,
Fusionsbild aus CT und PET,
Läsionsgröße ca. 8 cm³
Die Strahlenbelastung
entspricht meist der eines
Computertomogramms und
addiert sich, wenn zusätzlich
ein CT angefertigt wird
(Fusionsbild).
Die Indikation muss deshalb
sehr streng gestellt werden.
PET-Scanner
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) (5)
Typische PET-Anwendungsgebiete
Nuklid
Radiopharmakon
Anwendungsgebiet
11
Cholin
Prostatakrebsdiagnostik (heute meist durch 18F-Cholin ersetzt)
S-Methyl-Methionin
Sichtbarmachung der Proteinsynthese, Gliom-Diagnostik
Acetat
Visualisierung des Sauerstoffverbrauchs des Herzmuskels
C
13
Glutaminsäure
Ammoniak
Darstellung der Herzmuskeldurchblutung
15
Wasser
Darstellung der Durchblutung (Perfusion)
O2
Darstellung der Sauerstoffaufnahme und Verteilung
Cholin
Prostatakrebsdiagnostik
N
O
18
F
Darstellung des Aminosäurenstoffwechsels
Fluoruracil
Darstellung von Tumoren und für die Therapiekontrolle
Fluorethyltyrosin
Darstellung von Hirn-Tumoren (in Kombination mit 11C-S-Methyl-Methionin)
Natriumfluorid
Darstellung des Knochenstoffwechsels
Fluor-2-Desoxy-D-Glukose
Darstellung von Glukosetransport und Glukoseumsatz
6-Fluoro-DOPA
Darstellung des präsynaptischen Dopamin-Pools zur Diagnostik neuroendokriner
Tumore (z.B. medulläres Schilddrüsenkarzinom)
68
DOTATOC
Somatostatin-Rezeptorbildgebung neuroendokriner Tumoren: Pankreastumor,
Meningiom, kleinzelliges Bronchialkarzinom oder Karzinoid
82
Rubidiumchlorid
Darstellung der Herzmuskeldurchblutung
Ga
Rb
8