едицинская визуализация

Wilhelm Röntgen entdeckte 1896 die Röntgenstrahlung und 1900 die erste Röntgenaufnahme des Brustkorbs. Dann erscheint die Röntgenröhre. Und wie es heute aussieht. Das erfahren Sie im folgenden Artikel.

1806 Philippe Bozzini entwickelt das Endoskop in Mainz und veröffentlicht aus diesem Anlass „Der Lichtleiter“ – ein Lehrbuch zur Erforschung der Tiefen des menschlichen Körpers. Der erste, der dieses Gerät in einer erfolgreichen Operation einsetzte, war der Franzose Antonin Jean Desormeaux. Vor der Erfindung der Elektrizität wurden externe Lichtquellen verwendet, um Blase, Gebärmutter und Dickdarm sowie die Nasenhöhlen zu untersuchen.

1. Das erste Röntgenbild - die Hand von Röntgens Frau

1896 Wilhelm Röntgen entdeckt Röntgenstrahlen und ihre Fähigkeit, Festkörper zu durchdringen. Die ersten Spezialisten, denen er seine "Röntgenbilder" zeigte, waren keine Ärzte, sondern Röntgenkollegen - Physiker (1). Das klinische Potenzial dieser Erfindung wurde einige Wochen später erkannt, als eine Röntgenaufnahme einer Glasscherbe im Finger eines vierjährigen Kindes in einer medizinischen Fachzeitschrift veröffentlicht wurde. In den nächsten Jahren verbreitete die Kommerzialisierung und Massenproduktion von Röntgenröhren die neue Technologie auf der ganzen Welt.

1900 Erstes Röntgenbild der Brust. Der weit verbreitete Einsatz der Thorax-Röntgenaufnahme ermöglichte die frühzeitige Erkennung von Tuberkulose, die damals eine der häufigsten Todesursachen war.

1906-1912 Die ersten Versuche, Kontrastmittel zur besseren Untersuchung von Organen und Blutgefäßen einzusetzen.

1913 Es entsteht eine echte Röntgenröhre, eine sogenannte Heißkathoden-Vakuumröhre, die durch das Phänomen der thermionischen Emission eine effiziente kontrollierte Elektronenquelle nutzt. Er leitete eine neue Ära in der medizinischen und industriellen Radiologiepraxis ein. Ihr Schöpfer war der amerikanische Erfinder William D. Coolidge (2), der im Volksmund als „Vater der Röntgenröhre“ bekannt ist. Zusammen mit einem beweglichen Gitter, das vom Chicagoer Radiologen Hollis Potter entwickelt wurde, machte die Coolidge-Lampe die Radiographie während des Ersten Weltkriegs zu einem unschätzbar wertvollen Werkzeug für Ärzte.

1916 Nicht alle Röntgenbilder waren gut zu lesen – manchmal verdeckten Gewebe oder Gegenstände die Untersuchung. Deshalb entwickelte der französische Dermatologe Andre Bocage eine Methode zur Emission von Röntgenstrahlen in verschiedenen Winkeln, die solche Schwierigkeiten beseitigte. Sein .

1919 Es erscheint die Pneumoenzephalographie, ein invasives diagnostisches Verfahren des Zentralnervensystems. Dabei wurde ein Teil der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit durch Luft, Sauerstoff oder Helium ersetzt, durch eine Punktion in den Wirbelkanal eingeführt und eine Röntgenaufnahme des Kopfes angefertigt. Die Gase bildeten einen guten Kontrast zum Ventrikelsystem des Gehirns, was es ermöglichte, Bilder der Ventrikel zu erhalten. Die Methode war Mitte des 80. Jahrhunderts weit verbreitet, wurde jedoch in den XNUMXer Jahren fast vollständig aufgegeben, da die Untersuchung für den Patienten äußerst schmerzhaft war und ein hohes Risiko für Komplikationen birgt.

30er und 40er Jahre Die Energie von Ultraschallwellen wird zunehmend in der physikalischen Medizin und Rehabilitation eingesetzt. Der Russe Sergei Sokolov experimentiert mit Ultraschall, um Metallfehler zu finden. Im Jahr 1939 wird eine Frequenz von 3 GHz verwendet, die jedoch keine zufriedenstellende Bildauflösung liefert. Im Jahr 1940 stellten Heinrich Gore und Thomas Wedekind von der Medizinischen Hochschule Köln in ihrer Arbeit „Der Ultraschall in der Medizin“ die Möglichkeit einer Ultraschalldiagnostik auf Basis von Echoreflextechniken vor, ähnlich denen, die bei der Defekterkennung in Metallen eingesetzt werden. .

Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass diese Methode die Erkennung von Tumoren, Exsudaten oder Abszessen ermöglichen würde. Überzeugende Ergebnisse ihrer Experimente konnten sie jedoch nicht veröffentlichen. Bekannt sind auch die ultraschallmedizinischen Experimente des Österreichers Karl T. Dussick, eines Neurologen an der Universität Wien in Österreich, die Ende der 30er Jahre begannen.

1937 Der polnische Mathematiker Stefan Kaczmarz formuliert in seinem Werk „Algebraische Rekonstruktionstechnik“ die theoretischen Grundlagen der algebraischen Rekonstruktionsmethode, die dann in der Computertomographie und digitalen Signalverarbeitung eingesetzt wurde.

40-s. Die Einführung eines tomographischen Bildes mithilfe einer Röntgenröhre, die um den Körper des Patienten oder einzelne Organe gedreht wird. Dadurch konnten wir anatomische Details und pathologische Veränderungen in den Schnitten erkennen.

1946 Die amerikanischen Physiker Edward Purcell und Felix Bloch erfanden unabhängig voneinander die Kernspinresonanz-NMR (3). Sie erhielten den Nobelpreis für Physik für „die Entwicklung neuer Methoden zur präzisen Messung und damit verbundene Entdeckungen auf dem Gebiet des Kernmagnetismus“.

3. NMR-Gerätesatz

1950 steigt auf Gerader Linienscanner, zusammengestellt von Benedict Cassin. Diese Version des Geräts wurde bis in die frühen 70er Jahre mit verschiedenen auf radioaktiven Isotopen basierenden Arzneimitteln verwendet, um Organe im gesamten Körper abzubilden.

1953 Gordon Brownell vom Massachusetts Institute of Technology entwickelt ein Gerät, das der Vorläufer der modernen PET-Kamera ist. Mit ihrer Hilfe gelingt es ihm und dem Neurochirurgen William H. Sweet, Hirntumoren zu diagnostizieren.

1955 Dynamische Röntgenbildverstärker werden entwickelt, um Röntgenbilder von bewegten Bildern von Geweben und Organen zu erzeugen. Diese Röntgenaufnahmen lieferten neue Informationen über Körperfunktionen wie das schlagende Herz und das Blutgefäßsystem.

1955-1958 Der schottische Arzt Ian Donald beginnt, Ultraschalltests in großem Umfang für die medizinische Diagnostik einzusetzen. Er praktiziert Gynäkologie. Sein am 7. Juni 1958 in der medizinischen Fachzeitschrift Lancet veröffentlichter Artikel „Investigation of Abdominal Masses by Pulsed Ultrasound“ definierte den Einsatz der Ultraschalltechnologie und legte den Grundstein für die pränatale Diagnose (4).

1957 Das erste faseroptische Endoskop wurde entwickelt – der Gastroenterologe Basili Hirschowitz und seine Kollegen von der University of Michigan patentieren ein faseroptisches, halbflexibles Gastroskop.

1958 Hal Oscar Anger präsentiert auf der Jahrestagung der American Society of Nuclear Medicine eine Szintillationskammer, die Dynamik ermöglicht Visualisierung menschlicher Organe. Ein Jahrzehnt später kommt das Gerät auf den Markt.

1963 Der frischgebackene Arzt David Kuhl präsentiert zusammen mit seinem Freund, dem Ingenieur Roy Edwards, der Welt ihr erstes gemeinsames Werk, das Ergebnis mehrjähriger Vorbereitung: den weltweit ersten Apparat für die sogenannte. Emissionstomographiedem sie den Namen Mark II geben. In den Folgejahren werden immer genauere Theorien und mathematische Modelle entwickelt, zahlreiche Studien durchgeführt und immer fortschrittlichere Maschinen gebaut. Schließlich entwickelte John Keyes 1976 das erste SPECT-Gerät – die Einzelphotonen-Emissionstomographie – basierend auf den Erfahrungen von Coole und Edwards.

1967-1971 Mit der algebraischen Methode von Stefan Kaczmarz schafft der englische Elektroingenieur Godfrey Hounsfield die theoretischen Grundlagen der Computertomographie. In den folgenden Jahren baute er den ersten funktionierenden CT-Scanner, EMI (5), der 1971 im Atkinson Morley Hospital in Wimbledon die erste menschliche Untersuchung durchführte. Das Gerät ging 1973 in Produktion. 1979 erhielt Hounsfield zusammen mit dem amerikanischen Physiker Allan M. Cormack den Nobelpreis für seinen Beitrag zur Entwicklung der Computertomographie.

5. Scanner für elektromagnetische Interferenzen

1973 Der amerikanische Chemiker Paul Lauterbur (6) entdeckte, dass es durch die Einführung von Gradienten eines Magnetfelds, das durch eine bestimmte Substanz verläuft, möglich ist, die Zusammensetzung dieser Substanz zu analysieren und zu bestimmen. Mit dieser Technik erstellt der Wissenschaftler ein Bild, das zwischen normalem und schwerem Wasser unterscheidet. Basierend auf seiner Arbeit entwickelt der englische Physiker Peter Mansfield seine eigene Theorie und zeigt, wie man die innere Struktur schnell und genau abbilden kann.

Das Ergebnis der Arbeit beider Wissenschaftler war ein nicht-invasiver medizinischer Test, die sogenannte Magnetresonanztomographie, kurz MRT. 1977 wurde das von den amerikanischen Ärzten Raymond Damadian, Larry Minkoff und Michael Goldsmith entwickelte MRT-Gerät erstmals zur Untersuchung eines Menschen eingesetzt. Lauterbur und Mansfield erhielten 2003 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

1974 Der Amerikaner Michael Phelps entwickelt eine Kamera für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Der erste kommerzielle PET-Scanner wurde dank der Arbeit von Phelps und Michel Ter-Poghossian entwickelt, die die Entwicklung des Systems durch EG&G ORTEC leiteten. Der Scanner wurde 1974 an der UCLA installiert. Da Krebszellen Glukose zehnmal schneller verstoffwechseln als normale Zellen, erscheinen bösartige Tumoren auf PET-Scans als helle Flecken (7).

1976 Chirurg Andreas Grünzig präsentiert Koronarangioplastie am Universitätsspital Zürich, Schweiz. Bei dieser Methode wird die Durchleuchtung zur Behandlung von Blutgefäßstenosen eingesetzt.

1978 steigt auf digitale Radiographie. Zum ersten Mal wird ein Bild eines Röntgensystems in eine digitale Datei umgewandelt, die dann für eine klarere Diagnose verarbeitet und für zukünftige Forschung und Analyse digital gespeichert werden kann.

80-s. Douglas Boyd stellt die Technik der Elektronenstrahl-Tomographie vor. Solche Tomographie-Scanner (EBT) verwendeten einen magnetisch angetriebenen Elektronenstrahl, um einen Ring aus Röntgenstrahlen zu erzeugen.

1984 Die erste 3D-Bildverarbeitung wird eingeführt, bei der digitale Computer und CT- oder MRT-Daten verwendet werden, um XNUMXD-Bilder von Knochen und Organen zu erstellen.

1989 Die Spiral-Computertomographie (Spiral-CT) kommt zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um einen Test, der aus einer Kombination aus kontinuierlicher Rotationsbewegung des Lampen-Detektor-Systems und der Bewegung eines Tisches über die Testoberfläche (8) besteht. Ein wichtiger Vorteil der Spiraltomographie ist die Verkürzung der Untersuchungszeit (ermöglicht die Aufnahme von Bildern mehrerer Dutzend Schichten in einem mehrere Sekunden dauernden Scan), die Sammlung von Messwerten aus dem gesamten Volumen, einschließlich der Organschichten, die zwischen den Scans mit der herkömmlichen CT lagen, sowie optimale Scankonvertierung dank neuer Software. Pionier der neuen Methode war Siemens-Forschungs- und Entwicklungsleiter Dr. Willi A. Kalender. Bald folgten andere Hersteller dem Beispiel von Siemens.

8. Schema der Spiral-Computertomographie

1993 Entwicklung einer echoplanaren Bildgebungstechnik (EPI), mit der MRT-Systeme einen akuten Schlaganfall frühzeitig erkennen können. EPI bietet auch funktionelle Bildgebung, beispielsweise zur Messung der Gehirnaktivität, sodass Ärzte die Funktion verschiedener Teile des Gehirns untersuchen können.

1998 Die sogenannten multimodalen PET-Untersuchungen zusammen mit der Computertomographie. Dies wurde von Dr. David W. Townsend von der University of Pittsburgh zusammen mit Ron Nutt, einem Spezialisten für PET-Systeme, durchgeführt. Dies hat enorme Möglichkeiten für die metabolische und anatomische Bildgebung von Krebspatienten eröffnet. Der erste Prototyp eines PET/CT-Scanners, entworfen und gebaut von CTI PET Systems in Knoxville, Tennessee, wurde 1998 in Betrieb genommen.

2018 MARS Bioimaging präsentiert Color-i-Technologie Medizinische XNUMXD-Bildgebung (9), das statt Schwarz-Weiß-Fotografien des Körperinneren eine völlig neue Qualität in der Medizin bietet – Farbbilder.

Der neue Scannertyp nutzt die Medipix-Technologie, die ursprünglich für Wissenschaftler der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) entwickelt wurde, um Partikel am Large Hadron Collider mithilfe von Computeralgorithmen zu verfolgen. Anstatt die Röntgenstrahlen aufzuzeichnen, während sie das Gewebe passieren und wie sie absorbiert werden, erfasst der Scanner das genaue Energieniveau der Röntgenstrahlen, wenn sie auf verschiedene Körperteile treffen. Anschließend werden die Ergebnisse in verschiedene Farben umgewandelt, die Knochen, Muskeln und anderen Geweben entsprechen.

9. Farbabschnitt des Handgelenks, erstellt mit der MARS Bioimaging-Technologie.

Klassifizierung der medizinischen Bildgebung

1. Röntgen (Röntgen) Dies ist eine Röntgenaufnahme des Körpers mit der Projektion von Röntgenstrahlen auf einen Film oder Detektor. Weichteile werden nach Kontrastmittelinjektion sichtbar gemacht. Das Verfahren, das hauptsächlich in der Diagnostik des Skelettsystems eingesetzt wird, zeichnet sich durch geringe Genauigkeit und geringen Kontrast aus. Zusätzlich wirkt sich Strahlung negativ aus – 99 % der Dosis werden vom Testorganismus absorbiert.

2. Tomographie (Griechisch – Querschnitt) – die Sammelbezeichnung für diagnostische Methoden, bei denen ein Bild eines Querschnitts des Körpers oder eines Teils davon erstellt wird. Tomographische Methoden werden in mehrere Gruppen unterteilt:

• Ultraschall (Ultraschall) ist ein nicht-invasives Verfahren, das die Wellenphänomene des Schalls an den Grenzen verschiedener Medien nutzt. Es verwendet Ultraschall (2-5 MHz) und piezoelektrische Wandler. Das Bild bewegt sich in Echtzeit;
• Computertomographie (CT) verwendet computergesteuerte Röntgenstrahlen, um Bilder des Körpers zu erstellen. Die Verwendung von Röntgenstrahlen bringt CT näher an Röntgenstrahlen, aber Röntgenstrahlen und Computertomographie liefern unterschiedliche Informationen. Ein erfahrener Radiologe kann zwar auch aus einem Röntgenbild auf die dreidimensionale Lage beispielsweise eines Tumors schließen, aber Röntgenbilder sind im Gegensatz zu CT-Scans von Natur aus zweidimensional;
• Magnetresonanztomographie (MRT) - Diese Art der Tomographie verwendet Radiowellen, um Patienten zu untersuchen, die sich in einem starken Magnetfeld befinden. Das resultierende Bild basiert auf Radiowellen, die von den untersuchten Geweben ausgesandt werden und je nach chemischer Umgebung mehr oder weniger intensive Signale erzeugen. Das Körperbild des Patienten kann als Computerdaten gespeichert werden. Die MRT erzeugt wie die CT XNUMXD- und XNUMXD-Bilder, ist jedoch manchmal eine viel empfindlichere Methode, insbesondere zur Unterscheidung von Weichgeweben.
• Positronen-Emissions-Tomographie (PET) - Registrierung von Computerbildern von Veränderungen im Zuckerstoffwechsel, die in Geweben auftreten. Dem Patienten wird eine Substanz injiziert, die eine Kombination aus Zucker und isotopenmarkiertem Zucker ist. Letzteres ermöglicht es, den Krebs zu lokalisieren, da Krebszellen Zuckermoleküle effizienter aufnehmen als andere Gewebe im Körper. Nach Einnahme von radioaktiv markiertem Zucker legt sich der Patient ca.
• 60 Minuten, während der markierte Zucker in seinem Körper zirkuliert. Befindet sich im Körper ein Tumor, muss Zucker effizient darin angereichert werden. Dann wird der auf dem Tisch liegende Patient schrittweise in den PET-Scanner eingeführt - 6-7 Mal innerhalb von 45-60 Minuten. Mit dem PET-Scanner wird die Zuckerverteilung im Körpergewebe bestimmt. Dank der Analyse von CT und PET kann eine mögliche Neubildung besser beschrieben werden. Das computerverarbeitete Bild wird von einem Radiologen analysiert. PET kann Anomalien erkennen, selbst wenn andere Methoden die normale Beschaffenheit des Gewebes anzeigen. Es ermöglicht auch die Diagnose von Krebsschüben und die Bestimmung der Wirksamkeit der Behandlung - wenn der Tumor schrumpft, verstoffwechseln seine Zellen immer weniger Zucker;
• Einzelphotonenemissionstomographie (SPECT) – tomographische Technik im Bereich der Nuklearmedizin. Mit Hilfe von Gammastrahlung können Sie ein räumliches Bild der biologischen Aktivität eines beliebigen Körperteils des Patienten erstellen. Mit dieser Methode können Sie den Blutfluss und den Stoffwechsel in einem bestimmten Bereich visualisieren. Es verwendet Radiopharmaka. Sie sind chemische Verbindungen, die aus zwei Elementen bestehen – einem Tracer, der ein radioaktives Isotop ist, und einem Träger, der sich in Geweben und Organen ablagern und die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Träger haben oft die Eigenschaft, selektiv an Antikörper von Tumorzellen zu binden. Sie setzen sich in Mengen ab, die proportional zum Stoffwechsel sind; 
• optische Kohärenztomographie (OCT) - eine neue Methode ähnlich dem Ultraschall, jedoch wird der Patient mit einem Lichtstrahl (Interferometer) sondiert. Wird für Augenuntersuchungen in der Dermatologie und Zahnmedizin verwendet. Rückgestreutes Licht zeigt die Position von Stellen entlang des Weges des Lichtstrahls an, wo sich der Brechungsindex ändert.

3. Szintigraphie - Wir erhalten hier ein Bild von Organen und vor allem ihrer Aktivität, indem wir kleine Dosen radioaktiver Isotope (Radiopharmaka) verwenden. Diese Technik basiert auf dem Verhalten bestimmter Arzneimittel im Körper. Sie wirken als Vehikel für das verwendete Isotop. Das markierte Medikament reichert sich im untersuchten Organ an. Das Radioisotop sendet ionisierende Strahlung (meistens Gammastrahlung) aus, die außerhalb des Körpers eindringt, wo die sogenannte Gammakamera aufzeichnet.