Bildgebende Verfahren in der Medizin: von der Technik zur medizinischen Anwendung
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin ; Heidelberg
Springer Vieweg
[2016]
|
| Ausgabe: | 2. Auflage |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Ausführliche Beschreibung Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | xxx, 513 Seiten Illustrationen, Diagramme |
| ISBN: | 9783642544064 3642544061 |
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՜ -֊-"'՜ "՜-։՜- z.¡-.-֊--ՀՀ-.:-.Նր ■_ - ;.ր-ք î ՝ г- ■ Inhalts vwsaíchüfs 1 2 Bildgebung in der Medizin. 1.1 Bildgebende Verfahren als Bestandteil der Diagnostik und Therapie. . 1.2 Überblick über die verschiedenen bildgebenden Verfahren in der Medizin. Literatur. 1 2 Projektionsröntgen. 2.1 Grundlagen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. 2.1.1 Grundprinzip der Erzeugung von Röntgenstrahlen. 2.1.2 Bremsstrahlung. 2.1.3 Charakteristische Strahlung. 2.1.4 Wirkungsgrad. 2.2 Schwächung vonRöntgenstrahlen. 2.2.1 Allgemeines Schwächungsgesetz. 2.2.2 Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie. 2.2.3 Wirkungsquerschnitte und Monte-Carlo-Simulationen. 2.2.4 Massenschwächungskoeffizient von Blei und Wasser. 2.3 Technik zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. 2.3.1 Qualitätskriterien für
Röntgenquellen. 2.3.2 Die schräg gestellte Anode. 2.3.3 Drehanode. 2.3.4 Anodenmaterial. 2.3.5 Anodenaufbau. 2.3.6 Drehlager. 2.3.7 Vakuumkammer, Durchführungen und Gehäuse. 2.3.8 Filter. 2.3.9 Motor. 2.3.10 Drehkolben-Röhre. 2.3.11 Neue Ansätze zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. 5 5 5 7 9 11 14 14 15 18 20 21 21 24 24 26 27 29 30 31 31 31 32 3 3 V
Inhaltsverzeichnis 2.3.12 Kathode und Stromregelung. 2.3.13 Generator. 2.3.14 Belichtungssteuerung. 2.3.15 Generator mit „fallender Last“. 2.4 Techniken der Röntgen-Bildaufnahme. 2.4.1 Röntgenfilm. 2.4.2 Verstärkerfohen. 2.4.3 Speicherfolien: digitale Lumineszenz ֊ Radiographie . 2.4.4 Bildaufnahme mit Selen-Filmen (Xeroradiographie). 2.4.5 Der Röntgenbildverstärker. 2.4.6 Flache digitale Röntgen-Bildaufnehmer. 2.4.7 Raster. 2.5 Einführung der Modulationsübertragungsfunktion MTF. 2.6 Rauschen. 2.6.1 Poisson-Verteilung. 2.6.2 Zahl der Quanten pro Energiedosis. 2.6.3 Quantenstatistik am Beispiel Röntgenbildverstärker. 2.6.4 „Detective Quantum Efficiency“ ֊ DQE. 2.6.5 Optimierung von DQE und
MTF. 2.7 Anwendungen der Projektions-Röntgentechnik. 2.7.1 Kontrastmittel. 2.7.2 Digitale Subtraktionsangiographie DSA. 2.7.3 Der C-Bogen. 2.7.4 Ventrikulographie. 2.7.5 Koronarangiographie. 2.7.6 Interventionelle Röntgenbildgebung. 2.7.7 Übersicht über verschiedene Anwendungen der Röntgentechnik. 2.8 MV-Imaging. 2.8.1 Problematik beim Nachweis von MeV-Quanten. 2.8.2 Umwandlung der Gamma-Quanten in Licht. 2.8.3 Umwandlung der Leuchtschirm-Bilder in ein Videosignal. . . Literatur. Systemtheorie abbildender Systeme. 3.1 lD-Fouriertransformation. 3.2 2D-Fouriertransformation. 3.3 Faltung. 3.4
Korrelation. 3.5 Linearität und Verschiebungsinvarianz. 3.6 Hauptsatz der Systemtheorie abbildender Systeme. 33 33 33 35 36 3^ 43 45 47 50 52 56 63 63 65 67 69 70 71 71 73 74 75 76 77 77 78 78 80 82 33 85 85 92 gş 95 լqq 101
Inhaltsverzeichnis vii 3.7 Hochpass und Tiefpass. 3.8 Messung der MTF. 3.9 Abtastung und Abtasttheroem. 3.10 Die begrenzte Fenstergröße. 3.11 Rauschen in der Systemtheorie. Literatur. 102 103 104 108 108 112 4 Kleiner Ausflug in die digitale Bildverarbeitung. 4.1 Punktoperationen. 4.2 Geometrische Transformationen. 4.3 Interpolation. 4.4 Faltungsfilter. 4.4.1 Mittelwertfilter und Gaußfilter. 4.4.2 Gradienten-Filter und Sobel-Filter. 4.4.3 Laplace-Filter. 4.5 Rangordnungsfilter. 4.6
Restauration. 4.7 Bewegungs- und Verschiebungsanalyse. 4.8 Segmentierung. 4.9 Klassifizierung. 4.10 Multi-Modality-Imaging. 4.11 Bildkommunikation und Archivierung. Literatur. 113 113 115 117 119 120 120 121 122 123 124 125 127 128 129 130 5 Computertomographie. 5.1 Radon-Transformation. 5.2 Fourier-Scheiben-Theorem. 5.3 Radon-Transformation und Computertomographie. 5.4 Fourier-Rekonstruktion. 5.5 CT-Scanner der L, 2., 3. und 4. Generation. 5.6 Röntgendetektoren in der CT. 5.7 Iterative CT-Rekonstruktion. 5.8 CT-Rekonstruktion mit der gefilterten
Rückprojektion. 5.8.1 Ableitung der Grundgleichung. 5.8.2 Gefilterte Projektionen. 5.8.3 Rückprojektion. 5.8.4 Vergleich zwischen gefilterter und ungefilterter Rückprojektion. 5.8.5 Interpolation bei der Rückprojektion. 5.8.6 Begrenzen des Filters. 5.8.7 Gleichungen für die digitale gefilterte Rückprojektion. . 5.9 MTF bei der CT. 131 131 134 136 137 137 143 144 146 146 149 149 151 152 152 155 156
Inhaltsverzeichnis viii 5.10 5.11 5.12 Rauschen bei der CT. Das Problem mit dem Abtasttheorem. CT Artefakte. 5.12.1 Teilvolumenartefakte. 5.12.2 Artefakte durch die Strahlaufhärtung. 5.12.3 Artefakte durch Streustrahlung. 5.12.4 Bewegungsartefakte. 5.13 Hounsfield-Skala. 5.14 Spiral-CT. 5.15 Mehrzeilen-CT und Mehrzeilen-Spiral-CT. 5.16 Cone-Beam-CT. 5.17 Elektronenstrahl-CT. 5.18 Dual Source CT. 5.19 Anwendungen der CT. 5.20 Phasenkontrast CT.
Literatur. 6 159 166 167 168 ^8 169 170 I7* 8 I77 '7^ l7^ *76 178 Tomosynthese. 6.1 Grundprinzip der Tomosynthese und die Verwischungstomographie. 6.2 Analytische Methoden der Bildrekonstruktion bei der Tomosynthese. 6.3 Iterative Bildrekonstruktion bei der Tomosynthese. 6.4 Klinische Anwendungen der Tomosynthese. Literatur. '7 9 7 Biologische Wirkungionisierender Strahlen und Dosimetrie. 7.1 Wirkung ionisierender Strahlen auf Zellen. 7.2 Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie. 7.3 Dosimeter. 7.4 Typische Dosis in der Röntgendiagnostik. 7.5 Äquivalentdosisleistungskonstante. 7.6 Risiken durch die Exposition mit ionisierender Strahlung. 7.7 Dosis, Kontrast und
Detailerkennbarkeit. Literatur. 187 187 189 191 192 192 194 196 19g 8 Szintigraphie und SPECT. 201 8.1 Kemphysikalische Grundlagen. 201 8.1.1 Isotope eines Elements. 201 8.1.2 Ionisierende Strahlung. 202 8.1.3 Radioaktiver Zerfall und Zerfallsgesetz. 202 8.1.4 Aktivität. 204 179 182 185 186 186
Inhaltsverzeichnis 8.2 Herstellung von Radionukliden. 8.2.1 Kernreaktionen zur Herstellung von Radionukliden. 8.2.2 Radionuklidgenerator. 8.2.3 Radionuklide für die nuklearmedizinische Diagnostik. 8.3 Problemstellung in der nuklearmedizinischen Diagnostik. 8.4 Nuklearmedizinische Messtechnik. 8.4.1 Detektoren für γ — Quanten. 8.4.2 Kollimatoren. 8.4.3 Impulshöhenanalysator. 8.4.4 Gamma-Kamera. 8.5 Planare Szintigraphie. 8.5.1 Technik der planaren Szintigraphie. 8.5.2 Anwendungen der planaren Szintigraphie. 8.6 Single Photon Emission Computed Tomography SPÉCT. 8.6.1 SPÉCT Methode, Rekonstruktions-Algorithmen und Systeme. 8.6.2 Abbildungsfehler und Absorptionskorrektur. 8.6.3 Anwendungen der SPECT. Literatur. 9 ¡x 204
204 205 206 206 208 208 210 213 215 217 217 219 220 220 222 226 226 Positronen-Emissions-Tomographie PET. 227 9.1 Die Methodik bei der Positronen-Emissions-Tomographie. 227 9.2 Das PET-System. 229 9.3 PET-Detektoren. 229 9.4 Herstellung der Isotope. 231 9.5 Auflösung. 232 9.6 Bildrekonstruktion. 232 9.7 Abbildungsfehler und Absorptionskorrektur. 233 9.8 Anwendungen der PET. 234 Literatur. 237 10 Ultraschall. 10.1 Wellengleichung für Schallwellen in Flüssigkeiten und Gasen. 10.2 Schallwellenausbreitung im Körper. 10.2.1 Reflexion und Brechung an Grenzflächen. 10.2.2 Streuung und Speckle-
Rauschen. 10.2.3 Absorption. 10.3 Erzeugung von Schallwellen. 10.3.1 Aufbau eines US Wandlers. 10.3.2 Schallfeld eines kreisförmigen US-Wandlers. 239 239 244 244 246 247 248 248 249
Inhaltsverzeichnis x 10.4 Auflösung. 10.4.1 Laterale und elevationale Auflösung. 10.4.2 Axiale Auflösung. 10.5 . 10.5.1 1D-Messungen: A-Mode. 10.5.2 Zeitabhängige 1D-Messungen: M-Mode. 10.6 2D-Ultraschall-Systeme: B-Mode. 10.6.1 Mechanische Scanner. 10.6.2 Elektronische Scanner: Linear- und Curved-Arrays . . . 10.6.3 Elektronische Scanner: Phased Arrays. 10.7 3D-Ultraschall-Systeme. 10.8 Bildfehler. 10.9 Sicherheitsaspekte. 10.10 CW-Doppler-Ultraschall. 10.11 PW-Doppler-Ultraschall. 10.12 Farbdoppler-Ultraschall. 10.13 Anwendungen der Ultraschall-Diagnostik.
Literatur. 11 Magnetresonanz-Tomographie. 11.1 Der klassische magnetische Kreisel. 11.1.1 Kompassnadel im Magnetfeld. 11.1.2 Magnetisierung paramagnetischer und diamagnetischer Stoffe. 11.1.3 Magnetischer Kreisel im konstanten Magnetfeld (klassisch). 11.1.4 Magnetischer Kreisel im konstanten Magnetfeld Bz mit überlagertem transversalen Wechselfeld. 11.1.5 Signale in einer Antenne. 11.1.6 Quadratur Detektor. 11.2 Kemspin. 11.2.1 Gyromagnetisches Verhältnis. 11.2.2 Präzession von Kemspins im konstanten Magnetfeld. 11.2.3 Richtungsquantisierung des Drehimpu!ses. 11.2.4 Energieniveauschema für Spin-l/2-Teilchen. 11.2.5 Besetzung der Energieniveaus. 11.2.6 Quantenmechanischer Kreisel im konstanten Magnetfeld mit überlagertem transversalen
Wechselfeld. 11.2.7 Spin-Gitter-Relaxation bzw. Längsrelaxationszeit T։. 11.2.8 Spin-Spin-Relaxation bzw. Querrelaxation. 251 251 252 256 256 260 261 261 262 262 263 265 266 267 272 278 284 284 285 285 285 286 287 290 292 293 297 297 297 299 300 301 302 303 304
Inhaltsverzeichnis 11.3 x¡ Die Blochschen Gleichungen. 306 11.3.1 Bewegungsgleichung ohne Relaxation im ruhenden Koordinatensystem. 306 11.3.2 Bewegungsgleichung ohne Relaxation im rotierenden Koordinatensystem. 308 11.3.3 Bewegungsgleichungen mit Relaxation: die BlochGleichungen. 312 11.4 Echos. 318 11.4.1 Spin-Echos. 318 11.4.2 Hahn-Echos. 320 11.4.3 Gradienten-Echos. 322 11.5 Grundlagen der Tomographie. 322 11.5.1 Selektive Anregung. 323 11.5.2 Phasencodierung. 328 11.5.3 Frequenzcodierung. 331 11.5.4 Kartesische Abtastung im k-Raum. 332 11.5.5 Abtastung mit Projektionen. 334 11.5.6 Surfen durch den k-Raum. 337
11.5.7 Berücksichtigung der Relaxation. 338 11.5.8 3D-Abtastung im k-Raum. 339 11.6 Aufbau eines MR-Tomographen. 340 11.6.1 Magnet. 340 11.6.2 Gradientenspulen. 343 11.6.3 Sende-und Empfangsspule. 345 11.6.4 HF-Generator und Empfangsteil. 348 11.7 Kontrast. 349 11.7.1 Kontraste bei der „Saturation Recovery“. 350 11.7.2 Kontraste bei der „Inversion Recovery“. 353 11.7.3 Optimierung des Kontrastes. 353 11.8 Auflösung. 354 11.9 Signal-Rausch-Verhältnis. 356 11.10 Schnelle MR-Tomographie. 359 11.10.1 Multi-Slice-Technik. 359 11.10.2 Turbo-Spinecho (TSE). 360 11.10.3 Echo Planar Imaging (EPI). 362 11.10.4
Gradient und Spin Echo (GRASE). 363 11.10.5 „Steady State“. 363 11.10.6 Gradientenecho mit verkürzter Repetitionszeit. 365 11.11 Kontrastmittel. 366 11.12 MR-Angiographie mit Kontrastmittel und MR-Perfusions-Bildgebung. 367
Inhaltsverzeichnis xii 11.13 11.14 Funktionelle MR-Tomographie. MR-Angiographie mit Flussmessung und MR-Diffusions-Bilder. 11.14.1 „Time-of-Flight“-Angiografie. 1114.2 Phasensensitive MR-Angiographie. 11.14.3 Diffusions-Bildgebung. 11.15 Abbildungsfehler. 11.15.1 Bewegung und Fluss. 11.15.2 Suszeptibiltäts-Artefakte. 11.15.3 Chemische Verschiebung. 11.15.4 Abtastfehler. 11.16 Parallele Bildgebung. 11.17 In vivo MR-Spektroskopie. 11.17.1 Kerne für die in֊vivo MR-Spektroskopie. 11.17.2 Chemical Shift Imaging (CSI). 11.17.3 Spatially Resolved Spectroscopy. 11.17.4 k-Raum-Spektroskopie. 11.18
Sicherheitsaspekte. 11.18.1 Magnetische Teileim Untersuchungsraum. 11.18.2 Metallische Teileund Implantate im Patienten. 11.18.3 Statisches Magnetfeld. 11.18.4 HF-Feld. 11.18.5 Gradientenfelder. 11.18.6 Schall. 11.19 Anwendungen der MR — Tomographie. Literatur. 368 368 369 37? 373 373 374 375 37^ 378 380 380 381 383 383 386 386 386 386 386 387 387 387 390 12 Magnetic Particle Imaging MPI. 12.1 Idee und Zielsetzung des Magnetic Particle Imaging. 12.2 Die Bildrekonstruktion. 12.3 Zukünftige Entwicklungen. 12.4 Mögliche Anwendungen. Literatur. 391 392 395 396 396 397 13
Impedanztomographie. 13.1 Elektrische Impedanz von Körpergewebe. 13.2 Elektroden. 13.3 Stromquelle. 13.4 Messverstärker. 13.5 Datenerfassungssystem. 13.6 Strategien für Stromeinspeisung und Spannungsmessung. 13.7 Bestimmung der Äquipotentiallinien im homogenen Zylinder. 399 399 402 402 403 404 405 407
Inhaltsverzeichnis xiii 13.8 13.9 13.10 13.11 13.12 13.13 13.14 13.15 Bildrekonstruktion mit der gefilterten Rückprojektion. Bilder der Änderung der Impedanz („dynamic imaging“). Finite Elemente Methode (FEM). Impedanztomographie mit morphologischen Randbedingungen. . Bestimmung der komplexen Impedanzen. Projektionsbilder der Impedanz. Induktive Stromeinspeisung. Impedanztomographie mit einem Magnetresonanz-TomographieSy stem . 13.16 Anwendungen der Impedanztomographie. Literatur. 409 411 411 414 415 415 416 Abbildung bioelektrischer Quellen. 14.1 Grundlagen bioelektrischer Quellen. 14.1.1 Neurophysiologische Grundlagen. 14.1.2 Depolarisation des Herzens. 14.2 Messung bioelektrischer Signale. 14.2.1 EEG/EKG. 14.2.2 MEG/MKG: SQUID-
Magnetometer. 14.3 Quellenmodelle. 14.3.1 Stromdipol. 14.3.2 „Uniform double layer“. 14.4 „Lead fields“. 14.4.1 Definition der „lead fields“. 14.4.2 „Lead fields“ von Elektrodenpaaren und Magnetometem. 14.4.3 Reziprozitätstheorem. 14.5 Das inverse Problem. 14.5.1 Das Problem mit dem „inversen Problem“. 14.5.2 Volumenleitermodelle. 14.5.3 Stromdipol-Lokalisierung. 14.5.4 Stromdipol-Verteilungen. 14.6 Anwendungen der Abbildung bioelektrischer Quellen. Literatur. 419 419 420 421 422 422 422 425 425 428 430 430 14 15 416 417 418 430 431 432 432 433 434 435 440 441 Endoskopie.
443 15.1 Linsenendoskope. 444 15.2 Faserendoskope. 444 15.3 Videoendoskope. 446 15.4 Qualitätsmerkmale von Endoskopen. 447 15.5 Anwendungen der Endoskopie. 448 Literatur. 450
Inhaltsverzeichnis XIV 16 Diffuse Optische Tomografie und Fluoreszenz-Bildgebung · · 16.1 Optische Eigenschaften von Körpergewebe. 16.2 Modelle zur Ausbreitung von Licht im Körpergewebe . . . 16.3 Messungen im Zeit- und Frequenzbereich. 16.4 Lösung der Diffusionsgleichungen für homogene Medien . 16.5 Transilluminationsbildgebung (Diaphanographie). 16.6 Tomographie mit Licht. 16.7 Optische Tomosynthese. 16.8 Fluoreszenz-Bildgebung. 16.9 Optoakustische Bildgebung - photoakustische Bildgebung 16.10 Akustooptische Bildgebung. 16.11 Anwendungen der optischen Tomographie. Literatur. 451 451 453 456 459 462 462 464 465 466 467 468 469 17 Optische Kohärenztomographie OCT. 17.1 Methode der Time-Domain-OCT. 17.2 Technik der Time-Domain-OCT-Systeme. 17.3 Frequency Domain OCT und Spectral Domain OCT. 17.4 Swept Source OCT und Time-Encoded Frequency Domain OCT . . . 17.5 Anwendungen der OCT in der Medizin.
Literatur. 471 471 476 477 481 481 484 18 Thermographie und Infrarot-Bildgebung. 18.1 Strahlungsgesetze. 18.1.1 Definitionen. 18.1.2 Das Plancksche Strahlungsgesetz und Folgerungen. 18.2 Wärmehaushaft des Menschen. 18.3 Fragestellungen der Thermographie. 18.4 Optimaler Wellenlängenbereich für die Temperaturmessung. 18.5 Das „IR-Fenster“ von der Atmosphäre und von optischen Bauelementen. 18.6 IR-Detektoren und bildgebende Systeme. 18.7 Anwendungen der Thermographie in der Medizin. Literatur. 485 485 485 488 489 491 492 19 497 Abbildung mit Mikrowellen und THz-Wellen. 19-1 Dielektrische Eigenschaften von Körpergewebe bei Frequenzen oberhalb von 1GHz. 19.2 System-Konzept und Messgrößen. 19.3 Algorithmen zur
Bildrekonstruktion. 19.4 Vorschläge zur Mammografie und zur SchlaganfaU-Früherkennung mit Mikrowellen. 492 493 495 495 497 498 499 500
Inhaltsverzeichnis 20 xv 19.5 Vorschläge zur Nutzung von THz-Wellen für die Medizin. Literatur. 501 501 Ausblick. 503 20.1 20.2 20.3 Verbesserung von Auflösung, Kontrast und Aufnahmezeit. 503 Neue Dimensionen der Bildgebung in der Medizin. 504 Neue Modalitäten. 505 Sachverzeichnis. 507 |
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