Bildgebende Verfahren in der Medizin von der Technik zur medizinischen Anwendung
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Berlin [u.a.]
Springer
2000
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Röntgentechnik 1
1.1 Grundlagen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung 1
1.1.1 Grundprinzip der Erzeugung von Röntgenstrahlen 1
1.1.2 Bremsstrahlung 2
1.1.3 Charakteristische Strahlung 4
1.1.4 Wirkungsgrad 8
1.2 Grundlagen zur Schwächung von Röntgenstrahlen 9
1.2.1 Allgemeines Schwächungsgesetz 9
1.2.2 Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie 10
1.2.3 Wirkungsquerschnitte und Monte Carlo Simulationen 10
1.2.4 Massenschwächungskoeffizient von Blei und Wasser 13
1.3 Technik zur Erzeugung von Röntgenstrahlen 16
1.3.1 Qualitätskriterien für Röntgenquellen 16
1.3.2 Die schräg gestellte Anode 17
1.3.3 Drehanode 18
1.3.4 Anodenmaterial 19
1.3.5 Anodenaufbau 20
1.3.6 Drehlager 21
1.3.7 Gehäuse und Durchführungen 21
1.3.8 Filter 22
1.3.9 Motor 22
1.3.10 Kathode und Stromregelung 22
1.3.11 Generator 23
1.3.12 Belichtungssteuerung 24
1.3.13 Generator mit „fallender Last 26
1.4 Techniken der Bildaufnahme 28
1.4.1 Röntgenfilm 28
1.4.2 Verstärkerfolien 30
1.4.3 Speicherfolien: digitale Lumineszenz Radiographie 33
1.4.4. Bildaufnahme mit Selen Filmen (Xeroradiographie) 35
1.4.5 Flache digitale Röntgen Bildaufnehmer 36
1.4.6 Raster 37
1.5 Röntgenbildverstärker „42
1.6 Einführung der Modulationsübertragungsfunktion MTF 46
VIII Inhaltsverzeichnis
1.7 Rauschen 52
1.7.1 Poisson Verteilung 52
1.7.2 Zahl der Quanten pro Energiedosis „54 i
1.7.3 Quantenstatistik am Beispiel Röntgenbildverstärker 56
1.7.4 „Detective Quantum Efficiency DQE 57
1.7.5 Optimierung von DQE und MTF 58
1.8 Anwendungen der Projektions Röntgentechnik 59
1.8.1 Kontrastmittel 59
1.8.2 Digitale Substraktionsangiographie DSA 60
1.8.3 Ventrikulographie 62
1.8.4 Koronarangiographie 63
1.8.5 Übersicht über verschiedene Anwendungen der Röntgentechnik 64
1.9 MV Imaging 67
1.9.1 Problematik beim Nachweis von MeV Quanten 67
1.9.2 Umwandlung der Gamma Quanten in Licht 67
1.9.3 Umwandlung der Leuchtschirm Bilder in ein Videosignal 69 :
2 Systemtheorie abbildender Systeme .....70
2.1 lD Fouriertransformation 70
2.2 2D Fouriertransformation 74
2.3 Faltung 77
2.4 Korrelation 78
2.5 Linearität und Verschiebungsinvarianz 79
2.6 Hauptsatz der Systemtheorie abbildender Systeme 80
2.7 Hochpaß und Tiefpaß 82
2.8 Messung der MTF 83
2.9 Abtastung 84
2.10 Abtasttheorem 85
2.11 Die begrenzte Fenstergröße 88
2.12 Rauschen in der Systemtheorie 88
3 Kleiner Ausflug in die digitale Bildverarbeitung 92
3.1 Punktoperationen 92
3.2 Geometrische Transformationen 93
3.3 Interpolation 95
3.4 Faltungsfilter. 96
3.4.1 Mittelwertfilter und Gaußfilter 97
3.4.2 Gradienten Filter und Sobel Filter 97
3.4.3 Laplace Filter 98
3.5 Rangordnungsfilter 98
3.6 Restauration 100
3.7 Bewegungs und Verschiebungsanalyse 100
3.8 Segmentierung 101
Inhaltsverzeichnis IX
3.9 Klassifizierung 103
3.10Multi Modality Imaging 104
3.11 Bildkommunikation und Archivierung 105
4 Computer Tomographie 107
4.1 Radon Transformation 107
4.2 Fourier Scheiben Theorem. 109
4.3 Radon Transformation und Computer Tomographie 110
4.4 Fourier Rekonstruktion 112
4.5 CT Scanner der 1., 2., 3. und 4. Generation 112
4.6 Röntgendetektoren in der CT 117
4.7 Iterative CT Rekonstruktion 118
4.8 CT Rekonstruktion mit der gefilterten Rückprojektion 121
4.8.1 Ableitung der Grundgleichung 121
4.8.2 Gefilterte Projektionen 122
4.8.3 Rückprojektion 123
4.8.4 Vergleich zwischen gefilterter und ungefilterter Rückprojektion.... 125
4.8.5 Interpolation bei der Rückprojektion 126
4.8.6 Begrenzendes Filters 126
4.8.7 Gleichungen für die digitale gefilterte Rückprojektion 128
4.9 MTF bei der CT 129
4.10 Rauschen bei der CT 132
4.11 Das Problem mit dem Abtasttheorem 135
4.12 CT Artefakte 136
4.12.1 Teilvolumenartefakte 136
4.12.2 Artefakte durch die Strahlaufhärtung 138
4.12.3 Artefakte durch Streustrahlung 139
4.12.4 Bewegungsartefakte 140
4.13 Hounsfield Skala 140
4.14 Spiral CT 141
4.15 Cone Beam CT 142
4.16 Elektronenstrahl CT 143
4.17 Anwendungen der CT 144
5 Biologische Wirkung ionisierender Strahlen und Dosimetrie 146
5.1 Wirkung ionisierender Strahlen auf Zellen 146
5.2 Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie 148
5.3 Dosimeter 151
5.4 Typische Dosis in der Röntgendiagnostik 152
5.5 Äquivalentdosisleistungskonstante 153
5.6 Dosis, Kontrast und Detailerkennbarkeit 154
X Inhaltsverzeichnis
6 Bildgebende Verfahren in der nuklearmedizinischen Diagnostik 157
6.1 Kernphysikalische Grundlagen 157
6.1.1 Isotope eines Elements 157
6.1.2 Ionisierende Strahlung 157
6.1.3 Radioaktiver Zerfall und Zerfallsgesetz 158
6.1.4 Aktivität 159
6.2 Herstellung von Radionukliden 159
6.2.1 Kernreaktionen zur Herstellung von Radionukliden 159
6.2.2 Radionuklidgenerator 160
6.2.3 Radionuklide für die nuklearmedizinische Diagnostik 161
6.3 Problemstellung in der nuklearmedizinischen Diagnostik 162
6.4 Nuklearmedizinische Meßtechnik 163
6.4.1 Detektoren für y Quanten 163
6.4.2. Kollimatoren 166
6.4.3 Impulshöhenanalysator 169
6.4.4 Gamma Kamera 170
6.5 Planare Szintigraphie 172
6.5.1 Technik der planaren Szintigraphie 172
6.5.2 Anwendungen der planaren Szintigraphie 172
6.6 Single Photon Emission Computer Tomography SPECT 174
6.6.1 SPECT Methode und Systeme 174
6.6.2 Abbildungsfehler und Absorptionskorrektur 176
6.6.3 Anwendungen der SPECT 178
6.7 Positronen Emissions Tomographie 178
6.7.1 PET Methode 178
6.7.2 PET Detektoren 180
6.7.3 Herstellung der Isotope 181
6.7.4 Auflösung 181
6.7.5 Bildrekonstruktion 182
6.7.6 Abbildungsfehler und Absorptionskorrektur 182
6.7.7 Anwendungen der PET 183
7 Ultraschall 185
7.1 Wellengleichung für Schallwellen in Flüssigkeiten und Gasen 185
7.2 Schallwellenausbreitung 188
7.2.1 Reflexion, Brechung 188
7.2.2 Reflexion an rauhen Grenzflächen 189
7.2.3 Streuung 189
7.2.4 Absorption „190
7.3 Erzeugung von Schallwellen 191
7.3.1 Aufbau eines US Wandlers 191
7.3.2 Schallfeld eines kreisförmigen US Wandlers 193
Inhaltsverzeichnis XI
7.4 Auflösung 194
7.4.1 Laterale Auflösung 194
7.4.2 Axiale Auflösung 194
7.5 1 D US Systeme 196
7.5.1 1 D Messungen: A Mode 196
7.5.2 Zeitabhängige lD Messungen: M Mode 197
7.6 2D US Systeme: B Mode 198
7.6.1 Mechanische Scanner 198
7.6.2 Elektronische Scanner: Linear und Curved Arrays 199
7.6.3 Elektronische Scanner: Phased Arrays 200
7.7 3D US Systeme „200
7.8 Bildfehler 201
7.9 Sicherheitsaspekte 203
7.10 CW Doppler US 203
7.11 PW Doppler US 206
7.12 Farbdoppler US 211
7.13 Anwendungen der US Diagnostik 212
8 Thermographie 214
8.1 Strahlungsgesetze 214
8.1.1 Definitionen 214
8.1.2 Strahlungsgesetze und Folgerungen 215
8.2 Wärmehaushalt des Menschen 217
8.3 Fragestellungen der Thermographie 218
8.4 Optimaler Wellenlängenbereich für die Temperaturmessung 218
8.5 „IR Fenster der Atmosphäre 219
8.6 „IR Fenster von optischen Bauelementen 220
8.7 Detektoren 220
8.8 Bildgebende Systeme 222
8.9 Anwendungen der Thermographie 223
9 Impedanz Tomographie 224
9.1 Elektrische Impedanz von Körpergewebe 224
9.2 Elektroden 226
9.3 Stromquelle 227
9.4 Meßverstärker 228
9.5 Datenerfassungssystem 228
9.6 Strategien für Stromeinspeisung und Spannungsmessung 229
9.7 Bestimmung der Äquipotentiallinien im homogenen Zylinder 231
9.8 Bildrekonstruktion mit der gefilterten Rückprojektion 232
9.9 Bilder der Änderung der Impedanz („dynamic imaging ) 234
9.10 Finite Elemente Methode (FEM) 234
9.11 Impedanztomographie mit morphologischen Randbedingungen 237
XII Inhaltsverzeichnis
9.12 Bestimmung der komplexen Impedanzen 237
9.13 Projektionsbilder der Impedanz 238
9.14 Mikrowellen Impedanztomographie 238
9.15 Anwendungen der Impedanztomographie 239
10 Abbildung bioelektrischer Quellen 240
10.1 Grundlagen bioelektrischer Quellen 240
10.1.1 Neurophysiologische Grundlagen 240
10.1.2 Depolarisation des Herzens 241
10.2 Messung bioelektrischer Signale 242
10.2.1 EEG/EKG 242
10.2.2 MEG/MKG: SQUID Magnetometer 242
10.3 Quellenmodelle 245
10.3.1 Stromdipol 245
10.3.2 „Uniform double layer 247
10.4 „Leadfields 249
10.4.1 Definition der „lead fields 249
10.4.2 „Lead fields von Elektrodenpaaren und Magnetometern 249
10.4.3 Reziprozitätstheorem 251
10.5 Das inverse Problem 251
10.5.1 Das Problem mit dem „inversen Problem 251
10.5.2 Volumenleitermodelle 252
10.5.3 Stromdipol Lokalisierung 253
10.5.4 Stromdipol Verteilungen 254
10.6 Anwendungen der Abbildung bioelektrischer Quellen 258
11 Optische Tomographie 260
11.1 Optische Eigenschaften von Körpergewebe 260
11.2 Modelle zur Ausbreitung von Licht im Körpergewebe 262
11.3 Messungen im Zeit und Frequenzbereich 263
11.4 Lösung der Diffusionsgleichungen für homogene Medien 266
11.5 Diaphanographie 269
11.6 Tomographie mit Licht 269
11.7 Anwendungen der optischen Tomographie 270
12Endoskopie 272
12.1 Einführung 272
12.2 Linsenendoskope 272
12.3 Faserendoskope 273
12.4 Videoendoskope 275
12.5 Qualitätsmerkmale von Endoskopen .276
12.6 Anwendungen der Endoskopie 277
Inhaltsverzeichnis XIII
13 MR Tomographie 278
13.1 Der klassische magnetische Kreisel 278
13.1.1 Kompaßnadel im Magnetfeld 278
13.1.2 Magnetisierung paramagnetischer und diamagnetischer Stoffe 279
13.1.3 Magnetischer Kreisel im konstanten Magnetfeld (klassisch) 280
13.1.4 Magnetischer Kreisel im konstanten Magnetfeld Bz mit
überlagertem transversalem Wechselfeld 282
13.1.5 Signale in einer Antenne 284
13.1.6 Quadratur Detektor 284
13.2 Kernspin 287
13.2.1 Gyromagnetisches Verhältnis 287
13.2.2 Präzession von Kernspins im konstanten Magnetfeld 287
13.2.3 Richtungsquantisierung des Drehimpulses 288
13.2.4 Energieniveauschema für Spin l/2 Teilchen 289
13.2.5 Besetzung der Energieniveaus 290
13.2.6 Quantenmechanischer Kreisel im konstanten Magnetfeld mit
überlagertem transversalen Wechselfeld 292
13.2.7 Spin Gitter Relaxation bzw. Längsrelaxationszeit T, 292
13.2.8 Spin Spin Relaxation bzw. Querrelaxation 293
13.3 Die Blochschen Gleichungen 295
13.3.1 Bewegungsgleichung ohne Relaxation im ruhenden
Koordinatensystem 295
13.3.2 Bewegungsgleichung ohne Relaxation im rotierenden
Koordinatensystem 296
13.3.3 Bewegungsgleichungen mit Relaxation: die Bloch Gleichungen.„299
13.4 Echos 304
13.4.1 Spin Echos 304
13.4.2 Hahn Echos 307
13.4.3 Gradienten Echos 308
13.5 Grundlagen der Tomographie 309
13.5.1 Selektive Anregung 310
13.5.2 Phasenkodierung 314
13.5.3 Frequenzkodierung 316
13.5.4 Kartesische Abtastung im k Raum 317
13.5.5 Abtastung mit Projektionen 319
13.5.6 Surfen durch den k Raum 321
13.5.7 Berücksichtigung der Relaxation 322
13.5.8 3D Abtastung im k Raum 324
13.6 Aufbau eines MR Tomographen 324
13.6.1 Magnet 324
13.6.2 Gradientenspulen 328
13.6.3 Sende und Empfangsspule 329
13.6.4 HF Generator und Empfangsteil 332
XIV Inhaltsverzeichnis 13.7 Kontrast 333
13.7.1 Kontraste bei der „Saturation Recovery 334
13.7.2 Kontraste bei der „Inversion Recovery 336
13.7.3 Optimierung des Kontrastes 337
13.8 Auflösung 337
13.9. Signal Rausch Verhältnis 339
13.10 Schnelle MR Tomographie 341
13.10.1 Multi Slice Technik 341
13.10.2 Turbo Spinecho (TSE) 342
13.10.3 Echo Planar Imaging (EPI) 343
13.10.4 Gradient und Spin Echo (GRASE) 344
13.10.5 „Steady State 345
13.10.6 Gradientenecho mit verkürzter Repetitionszeit 347
13.11 Kontrastmittel 348
13.12 MR Angiographie mit Kontrastmittel und MR Perfusions Bilder 349
13.13 Funktionelle MR Tomographie 349
13.14 MR Angiographie mit Flußmessung und MR Diffusions Bilder 350
13.14.1 „Time of Flight Angiographie 350
13.14.2 Phasensensitive MR Angiographie 351
13.14.3 Diffusions Bildgebung 354
13.15 Abbildungsfehler 354
13.15.1 Bewegung und Fluß 354
13.15.2 Suszeptibiltäts Artefakte 355
13.15.3 Chemische Verschiebung 356
13.15.4 Abtastfehler 357
13.16 In vivo MR Spektroskopie 358
13.16.1 Kerne für die in vivo MR Spektroskopie 358
13.16.2 Chemical Shift Imaging (CSI) 359
13.16.3 Spatially Resolved Spectroscopy 360
13.16.4 k Raum Spektroskopie 361
13.17 Sicherheitsaspekte 363
13.17.1 Magnetische Teile im Untersuchungsraum 363
13.17.2 Metallische Teile und Implantate im Patienten 363
13.17.3 Statisches Magnetfeld 363
13.17.4 HF Feld 363
13.17.5 Gradientenfelder 364
13.17.6 Schall 364
13.18 Anwendungen der MR Tomographie 364
Literaturverzeichnis 370
Sachverzeichnis 372
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