Bildgebende Verfahren und Physik

Bildgebende Verfahren und Physik ist der Bereich der radiologischen Anatomie, der sich mit den physikalischen Prinzipien befasst, nach denen Schnittbild- und Projektionsbilder des lebenden Körpers erzeugt werden, und damit, wie die Wahl des Verfahrens die sichtbaren anatomischen Informationen beeinflusst. Er umfasst die ionisierenden Strahlungsmodalitäten (Radiographie, Fluoroskopie, Computertomographie, Nuklearmedizin), die Magnetresonanztomographie und den Ultraschall, wobei jedes Verfahren Gewebe durch ein anderes physikalisches Signal abfragt.

Definition

Die diagnostische Bildgebung umfasst die Techniken, die visuelle Darstellungen innerer Körperstrukturen erzeugen, indem sie erfassen, wie eine physikalische Sonde – Röntgenstrahlen, Hochfrequenzsignale von Kernspins, hochfrequenter Schall oder emittierte Strahlung eines Tracers – mit Gewebe interagiert.

Scope

Dieser Bereich führt den Leser in die Familien der diagnostischen Bildgebung ein, die zur Darstellung der Anatomie verwendet werden: wie jede Modalität Kontrast erzeugt, welche physikalische Größe sie abbildet und welche Kompromisse zwischen räumlicher Auflösung, Gewebekontrast, Erfassungszeit und Patientenexposition bestehen. Er behandelt diese Modalitäten als Werkzeuge zur Visualisierung normaler und varianter Anatomie, nicht als Handbuch für klinische Entscheidungen.

Sub-topics

• Computertomographie-Bildgebung
• Magnetresonanztomographie
• Nuklearmedizin und PET-Bildgebung
• Radiographie und Fluoroskopie
• Ultraschall und Sonographie

Core questions

• Welches physikalische Signal detektiert jede Modalität, und welche Gewebeeigenschaft bildet dieses Signal ab?
• Wie verhalten sich räumliche Auflösung, Kontrast, Erfassungsgeschwindigkeit und Strahlenexposition bei den verschiedenen Modalitäten zueinander?
• Welche Modalität stellt eine bestimmte anatomische Struktur oder einen Gewebetyp am besten dar?
• Wie werden Bildintensitäten kalibriert, damit Messungen über Scanner und Zentren hinweg vergleichbar sind?

Key concepts

• Bildkontrast und sein physikalischer Ursprung
• Räumliche und zeitliche Auflösung
• Signal-Rausch-Verhältnis
• Ionisierende versus nicht-ionisierende Strahlung
• Abschwächung und die Hounsfield-Skala
• Gewebsrelaxation und akustische Impedanz
• Quantitative Bildgebung und Standardisierung

Mechanisms

Jede Modalität bildet eine unterschiedliche physikalische Interaktion ab. Radiographie und Computertomographie messen die differentielle Abschwächung von Röntgenstrahlen durch Gewebe, wobei die CT eine Schnittbildkarte der Abschwächung in Hounsfield-Einheiten rekonstruiert (Hounsfield, 1973). Die Magnetresonanztomographie kodiert das räumlich aufgelöste kernmagnetische Resonanzsignal von Wasserstoffkernen und nutzt Unterschiede in der Protonendichte und den Relaxationszeiten (Lauterbur, 1973). Der Ultraschall erzeugt Bilder aus den Echos von hochfrequentem Schall an akustischen Impedanzgrenzen. Die Nuklearmedizin und PET bilden die Verteilung eines verabreichten Radiotracers ab, nicht direkt die Anatomie. Da der Kontrast aus unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften entsteht, ergänzen sich die Modalitäten, und viele der physikalischen Grundlagen sind in Standardlehrbüchern der medizinischen Physik zusammengefasst (Bushberg et al., 2012).

Clinical relevance

Das Verständnis der Modalitätenphysik ist die Grundlage für die radiologische Beurteilung der normalen Anatomie und ihrer Varianten, da dieselbe Struktur je nach dem erfassten Signal unterschiedlich erscheint. Das Bewusstsein für die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, insbesondere durch die Computertomographie, beeinflusst, wie die Bildgebung als populationsbezogene Ressource genutzt wird (Brenner & Hall, 2007). Dieser Eintrag beschreibt, wie Bilder der Anatomie erzeugt werden, und ist keine Grundlage für individuelle diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

Epidemiology

Insbesondere die Computertomographie ist in vielen Gesundheitssystemen zu einer wichtigen und wachsenden Quelle medizinischer Strahlenexposition geworden, was die Aufmerksamkeit auf Rechtfertigung und Dosisoptimierung gelenkt hat (Brenner & Hall, 2007). Die quantitative Bildgebung – die Behandlung von bildbasierten Messungen als Biomarker – hat formale Metrologiestandards angestoßen, damit Werte über Geräte und Zeiträume hinweg vergleichbar sind (Sullivan et al., 2015).

History

Die Projektionsradiographie folgte Roentgens Entdeckung der Röntgenstrahlen im Jahr 1895 und dominierte die anatomische Bildgebung über Jahrzehnte. Die Schnittbildgebung kam mit Hounsfields Beschreibung der Computertomographie im Jahr 1973, und im selben Jahr zeigte Lauterbur, dass räumlich aufgelöste kernmagnetische Resonanz Bilder erzeugen konnte, womit die Magnetresonanztomographie begründet wurde. Ultraschall- und nuklearmedizinische Bildgebung entwickelten sich im selben Zeitraum, und die späteren Jahrzehnte fügten quantitative und standardisierte Bildgebung hinzu, die in Metrologie-Leitlinien kodifiziert wurde (Sullivan et al., 2015).

Key figures

• Godfrey Hounsfield
• Paul Lauterbur
• Allan Cormack
• Peter Mansfield

Seminal works

• hounsfield-1973
• lauterbur-1973

Frequently asked questions

Was unterscheidet die bildgebenden Verfahren voneinander?

Jedes detektiert ein anderes physikalisches Signal: Röntgenstrahlenabschwächung (Radiographie, Fluoroskopie, CT), das magnetische Resonanzsignal von Wasserstoffkernen (MRT), reflektierter hochfrequenter Schall (Ultraschall) oder von einem Tracer emittierte Strahlung (Nuklearmedizin und PET). Das Signal bestimmt, welche Gewebeeigenschaft abgebildet wird und somit, welcher Kontrast sichtbar ist.

Welche Modalitäten verwenden ionisierende Strahlung?

Radiographie, Fluoroskopie, Computertomographie und Nuklearmedizin (einschließlich PET) verwenden ionisierende Strahlung, während Magnetresonanztomographie und Ultraschall dies nicht tun.