Computergrafik in der Medizin. Röntgen oder Computertomographie?

Inhaltsverzeichnis

Vorbemerkung

Abstract

1 Einleitung

2 Bildgebende Verfahren in der Medizin
2.1 Röntgen
2.1.1 Entwicklungsgeschichte
2.1.2 Arbeitsweise
2.2 Ultraschall/Sonographie
2.2.1 Entwicklungsgeschichte
2.2.2 Arbeitsweise
2.3 Infrarot/Thermographie
2.3.1 Entwicklungsgeschichte
2.3.2 Arbeitsweise
2.4 Magnet-Resonanz-Tomographie/Kernspintomographie
2.4.1 Entwicklungsgeschichte
2.4.2 Arbeitsweise
2.5 Computertomographie
2.5.1 Entwicklungsgeschichte
2.5.2 Arbeitsweise
2.6 Positronen-Emissions-Tomographie
2.6.1 Entwicklungsgeschichte
2.6.2 Arbeitsweise

3 Vergleich zwischen Röntgen und Computertomographie
3.1 Vor- und Nachteile der Röntgenstrahlung
3.1.1 Vorteile der Röntgenstrahlung
3.1.2 Nachteile der Röntgenstrahlung
3.1.3 Zwischenresümee
3.2 Vor- und Nachteile der Computertomographie
3.2.1 Vorteile der Computertomographie
3.2.2 Nachteile der Computertomographie
3.2.3 Zwischenresümee

4 Verdeutlichung der Methode der Computertomographie an einem Modell
4.1 Anforderung an das Modell
4.2 Praktische Anwendung des Modells

5 Resümee

6 Literatur

7 Abkützungsverzeichnis

Vorbemerkung

Diese Arbeit wurde im Schuljahr 2014/2015 erstellt.

Das Thema "Computergrafik in der Medizin - Die bessere Methode: Röntgen oder Computertomographie?" wurde deshalb ausgewählt, weil es die Absicht des Verfassers ist, Medizin zu studieren.

Abstract

Die vorgelegte Facharbeit befasst sich mit der Computergrafik in der Medizin und deren Entwicklung. Es werden die einzelnen Methoden der Medizintechnik vorgestellt, die der Medizin in der täglichen Arbeit zur Verfügung stehen.

In der Arbeit werden die einzelnen Untersuchungsmethoden "Röntgenstrahlung", "Ultraschall/Sonographie", "Infrarot/Thermographie", "Magnet-Resonanz-Tomographie/Kernspintomographie", "Computertomographie" und "Positronen-Emissions-Tomographie" erklärt. Eine Konkretisierung erfolgt sodann für die Gebiete "Röntgen" und "Computertomographie".

Der praktische Bezug wird hergestellt anhand eines Modells, dass sich mit der Methodik der Mehrschichtigkeit der Tomographie befasst.

1 Einleitung

Bis zum Jahr 1895 war es nicht möglich, Knochen- und Gewebestrukturen ohne operative Eingriffe zu visualisieren. Conrad Wilhelm Röntgen entdeckte am 8. November 1895 die nach ihm benannten "Röntgenstrahlen". Diese Entdeckung war der Grundstein für viele weitere Entwicklungen, wie z.B. die Computertomographie. Diese wurde ca. 7 Jahrzehnte darauf von G. Hounsfield und A. Cormack entwickelt und ermöglichte mehrere Aufnahmen und eine schichtweise Betrachtung des menschlichen Körpers. Im 20. Jahrhundert kamen noch weitere Bildgebungsverfahren, die komplett ungefährlich für den Menschen sind, hinzu.

Das zweite Kapitel der Gliederung dieser Facharbeit ist nach dem Schema der Entwicklungszeitpunkte geordnet. Die Gliederung fängt mit der Röntgenstrahlung an, die 1895 entwickelt wurde. Die nachfolgenden Methoden wurden in zeitlich aufsteigender Reihenfolge nach ihren Entwicklungszeitpunkten geordnet.

2 Bildgebende Verfahren in der Medizin

2.1 Röntgen

2.1.1 Entwicklungsgeschichte

Heutzutage hat sich das digitale Röntgen etabliert und wird computergrafisch dargestellt. Das Röntgen hat seinen Anfang in der analogen Technik gefunden. Um die derzeit digitale Technik des Röntgens als computergrafische Methodik verstehen zu können, wird zunächst die Entwicklungsgeschichte aus der analogen Technik dargestellt.

Abbildung 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Am 8. November 1895 entdeckte Conrad Wilhelm Röntgen die nach ihm benannte "Röntgenstrahlung"¹. Dies geschah jedoch durch Zufall, da er in einem anderen Themengebiet Nachforschungen anstellte. Seine eigentliche Absicht bestand darin, "Kathodenstrahlung" zu untersuchen. Diese war in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts sehr populär und befasste sich mit dem Transport elektrischer Ladungen in Gasen. Röntgen hatte hierzu eine Entladungsröhre mit einem Vakuum darin aufgebaut. (vgl. Abb. 1² )

"Die Kathode bestand aus einem heißen Glühdraht, welcher Elektronen produzierte. Zwischen Kathode und Anode wurde (wird) eine sehr hohe Spannung angelegt, welche die Elektronen stark beschleunigte (beschleunigt). [...]" ³ Damals waren Elektronen in der Physik noch unbekannt. "Alles, was man sah, war, dass zwischen den beiden Elektroden ein schmaler Streifen glühte. Es war nicht klar, ob dies Teilchen oder Wellen waren. Man nannte diese Art von Strahlung "Kathodenstrahlen"." ⁴

Zufällig standen Fotoplatten neben der Versuchsanordnung, die sich leicht schwärzten. Dieses Phänomen wurde von Röntgen näher untersucht. Um auszuschließen, dass es sich um UV-Licht handelte, bedeckte Röntgen die Entladungsröhre mit schwarzer Pappe, sodass kein normales Licht und auch kein UV-Licht durchdringen konnten. Das erneute Aufleuchten des Fotoschirms bedeutete für Röntgen, dass es eine bisher unentdeckte, unsichtbare Strahlung geben müsse. Mit der Untersuchung dieser Strahlung befasste er sich durchgängig 6 Wochen, bevor er seine Entdeckung veröffentlichte. ⁵

Es dauerte fast ein Jahrhundert bis eine weitreichende Verbesserung der Röntgentechnik erreicht wurde. 1973 wurde von der Firma Eastman Kodak das erste Patent zum digitalen Röntgen eingereicht. Damit ersparte man sich die Arbeit mit Fotoschirmen und ging zu Computern über. Es dauerte jedoch ein Jahrzehnt bis die Methode auch angewendet wurde, und etabliert hat sie sich erst etwa kurz vor dem Jahr 2000.⁶

2.1.2 Arbeitsweise

"Röntgenstrahlen werden generell immer dann erzeugt, wenn Elektronen beziehungsweise ein Kathodenstrahl auf Material treffen. Es gibt jedoch zwei verschiedene Möglichkeiten, wie bei diesem Aufprall Röntgenstrahlen entstehen können. Deswegen unterscheidet man zwischen charakteristischer Strahlung und Bremsstrahlung."⁷

Charakteristische Strahlung:

Bei der charakteristischen Strahlung werden Elektronen aus den Schalen von Atomen herausgeschossen. Dies geschieht durch Elektronen, die auf das jeweilige Atom treffen. Die entstehenden "Löcher" werden sofort wieder "gefüllt" durch Elektronen aus den weiter außen gelegenen "Elektronenschalen"⁸. Beim "Füllen der Löcher" wird Energie in Form von Röntgenstrahlung freigesetzt. ⁹

Bremsstrahlung:

Wird ein beschleunigtes Elektron auf einen Stoff gesendet, so fliegt es in das Atomgitter und an den einzelnen Atomen vorbei. Da das Elektron negativ geladen ist und die Atomkerne positiv geladen sind, findet eine Wechselwirkung zwischen beiden statt. Die Flugbahn des Elektrons wird durch die Anziehungskraft zu den Atomkernen gekrümmt und somit abgebremst. Dabei wird Energie in Form von Röntgenlicht abgestrahlt. Durch Bremsstrahlung erzeugte Röntgenstrahlung hat jedoch einen viel kleineren Anteil als die, die durch charakteristischen Strahlung erzeugt wurde.

Die Röntgenstrahlung findet in mehreren Anwendungsbereichen Verwendung.¹⁰ Diese Facharbeit befasst sich jedoch ausschließlich mit den medizinischen Aspekten.

Die Entdeckung der Röntgenstrahlung war ein immenser Meilenstein für die Geschichte der Medizintechnik. Da Röntgenstrahlen Materie unterschiedlich gut durchdringen können und nicht durch elektrische Felder o.ä. ablenkbar sind, eignen sie sich dazu, menschliches Körpergewebe zu visualisieren. Da sie beispielsweise durch Haut nur geringfügig absorbiert werden, durch Knochen jedoch sehr stark, lässt sich die "übriggebliebene" Strahlung analog auf einem Fotoschirm abbilden. Je mehr Röntgenstrahlen auf den Fotoschirm treffen, desto geschwärzter wird er. Das ist der Grund dafür, dass beim Röntgen die Knochen weiß dargestellt werden, die Haut und anderes Gewebe eher schwarz oder in Graustufen.

Auch die digitale Röntgentechnik arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Nur werden anstelle eines Fotoschirms Sensoren und ein Computer genutzt. Die Sensoren messen die Intensität der Strahlung und leiten diese an den Computer weiter. Dieser berechnet daraus ein Bild, indem er die Intensität der Strahlung in Grauwerte umwandelt. Die Grauwerte werden anschließend auf die Pixel eines Computerbildschirms übertragen.

2.2 Ultraschall/Sonographie

2.2.1 Entwicklungsgeschichte

Mit dem Untergang der Titanic nach im Jahr 1912 kam die Idee auf, ein Ortungssystem für Eisberge zu entwickeln. Der deutsche Physiker Alexander Behm ging dieser Idee nach und entwickelte das sogenannte Behm-Echolot. Er verwendete Schallwellen, die im Wasser gut weitergeleitet werden. Sie wurden vom Schiffsboden als hochfrequentes, kurzes Schallsignal ausgesendet und trafen auf den Meeresboden. Das Signal wurde vom Hindernis reflektiert und wieder von einem Empfänger am Schiffsboden empfangen. So konnte die Entfernung zum Meeresboden beziehungsweise zu anderen Hindernissen, wie z.B. Eisbergen, berechnet werden. Da die Geschwindigkeit des Schallsignals und die Laufzeit des Schalls bekannt waren, konnten die beiden Werte einfach multipliziert werden. ¹¹

Zur Zeit des Ersten Weltkrieges entwickelte der Franzose Paul Langevin eine Methode zur Ortung von Unterseebooten. Das Schallsignal war jedoch so stark, dass Fische starben, sobald sie vom Signal getroffen wurden. ¹² An eine medizinische Anwendung des Prinzips war also nicht zu denken.

In den 1940er-Jahren wurden die Methoden beider vorbezeichneter Wissenschaftler aufgegriffen, um eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung zu entwickeln. Beispielsweise wurden Schienen mit Prüfgeräten untersucht, um innere Beschädigungen auszuschließen.

Zwischen den 1940er und -50er-Jahren wurde die Ultraschall-Methode dann erstmals im medizinischen Bereich eingesetzt. Es wurden Untersuchungen am Gehirn und am Herzen durchgeführt und es war erstmals möglich, den Herzrhythmus zu visualisieren. So konnten Herzklappen auf ihre einwandfreie Funktionsfähigkeit überprüft werden. Es war dem Prinzip des heutigen EKGs¹³ schon ziemlich nahe.

1957 gab es einen weiteren Schritt in der Entwicklung der Ultraschall-Diagnostik: Wissenschaftler entwickelten eine Apparatur, die direkt auf der menschlichen Haut aufliegen und auch bewegt werden konnte.¹⁴

Auch wenn die bis dahin vorhandenen Errungenschaften schon eine große Hilfe für die medizinische Diagnostik darstellten, gab es zwei entscheidende Mängel. Einerseits war keine Grauabstufung möglich und andererseits konnten keine Bewegungen dargestellt werden.

Die Grauabstufung ist eine Methode zur Unterscheidung von unterschiedlichen Materialien. Wie bereits beschrieben, kann mit dem Ultraschall die Entfernung zu Objekten gemessen werden. Die reflektierten, wieder empfangenen Schallimpulse waren jedoch unterschiedlich stark. Diese Stärke wurde zunächst nicht berücksichtigt.¹⁵

In später folgenden Weiterentwicklungen kam es dazu, dass man die Signalstärke in Form von Grauabstufungen darstellte. Die einzelnen untersuchten Bestandteile, wie z.B. der menschliche Körper haben eine unterschiedliche Echogenität¹⁶. Besonders feste Stoffe wurden in dunkleren und weichere Gewebe- und Stoffarten in helleren Farbtönen dargestellt.

In den Jahren von 1940 bis 1980 wurden diverse Methoden entwickelt, um die Verfeinerung der Arbeitsweise und der Ergebnisse zu erreichen.

2.2.2 Arbeitsweise

Die Sonographie ist die am häufigsten angewendete Methode in der bildgebenden Medizin. Hintergrund ist, dass Ultraschall komplett ungefährlich, schmerzfrei, schnell, leicht anwendbar, kostengünstig und selbst für Ungeborene im Mutterleib nicht belastend ist.¹⁷

Im Laufe der Entwicklung dieser Bildgebungs-Technik haben sich mehrere Arten, sogenannte Modi, etabliert: A-, B-, 2D-realtime - Mode, die mehrdimensionale Anwendung und Dopplersonographie.

Allen Methoden liegt der piezoelektrische Effekt zugrunde. Dabei handelt es sich um einen Effekt, der hervorgerufen wird durch ein Kristallgitter, das bei Verformung Ladungsverschiedenheiten aufweist. Durch die Spannung innerhalb des Kristalls kommt es zur Aussendung von Schallwellen, die in einem so hohen Frequenzbereich liegen, dass sie von dem menschlichen Gehör nicht wahrgenommen werden können.¹⁸ Daher kommt auch der Name Ultraschall, also Schall im hohen Frequenzbereich von 20 kHz bis 1 gHz.¹⁹

In einem Ultraschall-Messgerät wird von dieser Kristalleigenschaft Gebrauch gemacht. Der Kristall wird mechanisch verformt, dadurch kommt es zum Ultraschall, der dann von beispielsweise Körperstrukturen reflektiert und anschließend wieder von einem Sensor empfangen wird. Die Daten werden an eine Recheneinheit gesendet, die daraus ein Bild generiert. Problembehaftet sind Grenzschichten im Körper, also dort, wo hartes auf weiches Gewebe trifft, da diese eine hohe Echogenität besitzen. Auch die Grenzschicht zwischen Haut und umgebender Luft stellt eine Schwierigkeit dar. Deshalb wird vom Arzt ein Gel verwendet, das die Ultraschallsonde an die Haut "koppelt".²⁰

2.3 Infrarot/Thermographie

2.3.1 Entwicklungsgeschichte

Im Jahr 1800 entdeckte der Astronom Friedrich Wilhelm Herschel die Infrarotstrahlung. Damit legte er einen Grundstein für die Entwicklung medizinischer Methoden. Herschel machte Experimente mit Prismen und teilte damit das Sonnenlicht in Spektralfarben auf. Er untersuchte die einzelnen Spektren auf ihre Temperatur mit einem Thermometer. Dabei stellte er fest, dass die Temperatur anstieg, je mehr er sich der Spektralfarbe "rot" näherte. Als Herschel dann einen weiteren Temperaturanstieg rechts von der roten Farbe feststellte, obwohl dort keine Farbe zu sehen war, war er sich sicher, eine für das menschliche Auge unsichtbare Strahlung entdeckt zu haben.²¹

2.3.2 Arbeitsweise

Die Infrarotstrahlung liegt in einem Wellenlängenbereich von 0,87 bis 20 µm. Dieses liegt genau über dem Bereich, den das menschliche Auge wahrnehmen kann, nämlich den Wellenlängenbereich zwischen 0,4 und 0,87 µm. Wenn ein Stoff eine Temperatur hat, die über dem absoluten Nullpunkt von -273,15°C - dies entspricht einem Wert von 0 Kelvin - liegt, dann strahlt dieser elektromagnetische Wellen aus. Diese können durch einen Infrarot-Detektor registriert werden. Je nachdem, wie intensiv die Strahlung ist, kann dann durch eine Recheneinheit eine Temperatur im entsprechenden Punkt ermittelt werden. Aus den sich ergebenden Daten kann dann ein Bild erstellt werden mit Farben, die das menschliche Auge registrieren kann und die eine bestimmte Temperatur darstellen sollen. Normalerweise wird für relativ kalte Punkte die Farbe "blau" und für relativ warme bis heiße Punkte die Farbe "rot" verwendet.²²

[...]

¹ siehe 6. Literatur, Punkt 1)

² entnommen aus siehe 6. Literatur, Punkt 2) - siehe Anhang im Ordner Bilder, Abbildung 1

³ siehe 6. Literatur, Punkt 2)

⁴ siehe 6. Literatur, Punkt 2)

⁵ siehe 6. Literatur, Punkt 2)

⁶ siehe 6. Literatur, Punkt 3)

⁷ siehe 6. Literatur, Punkt 4)

⁸ entsprechend Atomschalenmodell

⁹ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 5)

¹⁰ bspw. Material- und Nahrungsmittelprüfung, sowie für geologische Zwecke

¹¹ Anzumerken ist, dass die Laufzeit in Sekunden durch zwei dividiert wurde, was auf den Hin- und Rückweg des Schalls zurückzuführen ist.

¹² vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 6)

¹³ Elektrokardiogramm, siehe 6. Literatur, Punkt 7)

¹⁴ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 32)

¹⁵ vgl. Fn 12 a.a.O.

¹⁶ "Art der Reaktion von Gewebe (z.B. Schilddrüse) auf Ultraschallwellen: z.B. echoreich: vermehrte Reflektion der Schallwellen, echoarm: verminderte Reflektion der Schallwellen" - vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 8)

¹⁷ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 9)

¹⁸ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 33)

¹⁹ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 10)

²⁰ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 9)

²¹ vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 11)

²² vgl. siehe 6. Literatur, Punkt 11)