Die bildgebenden Verfahren umfassen
Die Prinzipien der einzelnen Verfahren sowie eine grobe Einschätzung ihrer Bedeutung für einzelne Organsysteme sollen hier erläutert werden, zu den einzelnen Indikationen und differentialdiagnostischen Stellenwerten wird in den Kapiteln über einzelne Organe Stellung genommen.
DURCHLEUCHTUNG
Technisches Verfahren
Die Durchleuchtung ermöglicht die Verfolgung einer Röntgenuntersuchung auf einem Monitor mittels Bildverstärkertechnik.
Prinzip des Bildverstärkers: Röntgenquanten (1) fallen auf einen Eingangsleuchtschirm (2) und werden hier in Lichtphotonen umgewandelt. Diese lösen Elektronen aus der Photokathode (3) des Eingangsschirms, die in einem elektrischen Feld von 25 kV beschleunigt werden (4). Sie prallen auf eine Anode auf und bewirken so eine Emission von Lichtquanten aus dem Ausgangsleuchtschirm (5).
Schema des Bildverstärker
Durchführung
Der Patient wird zwischen Röntgenröhre und Bildverstärker positioniert. Der Bildverstärker wandelt die aus dem Patienten austretenden Röntgenquanten zunächst in Licht, dann in Elektronen und schließlich wieder in Licht um. Dieses Lichtsignal wird von einer Fernsehkamera an einen Monitor weitergeleitet. Auf diese Weise kann der Röntgenvorgang dynamisch verfolgt werden. Parallel besteht die Möglichkeit der Dokumentation statischer Bilder mit normalen Filmkassetten.
Bildverstärkeranlage
Indikationen
Die Durchleuchtung wird als Zusatzuntersuchung zur Ergänzung von Übersichtsaufnahmen eingesetzt, um eine bessere Lokalisation pathologischer Prozesse durch Drehung oder Lageänderung des Patienten zu ermöglichen und um dynamische Vorgänge zu beobachten (z.B. Herzpulsationen, Klappenverkalkungen, Lungenrundherde). Außerdem ist sie wichtiger Bestandteil dynamischer Untersuchungen wie z.B. Magen-Darm-Passagen oder Angiographien.
KONVENTIONELLE TOMOGRAPHIE
Technisches Verfahren
Röntgenaufnahmen sind in der Regel Summationsaufnahmen. Durch die Durchführung von Aufnahmen in verschiedenen Ebenen versucht man, pathologische Prozesse besser lokalisieren zu können. Die so gewonnene Information reicht jedoch nicht immer aus.
Durch die Tomographie läßt sich eine überlagerungsfreie Darstellung von Körperanteilen erreichen ("tome" = Schnitt). Der Begriff "Tomographie" bezeichnet also allgemein die bildliche Darstellung eines Schnittes durch den Körper. Man unterscheidet verschiedene Schnittbildverfahren:
Die konventionelle Tomographie arbeitet mit Röntgenstrahlen; es werden Röntgenfilme angefertigt wie bei den normalen Röntgen-Übersichtsaufnahmen. Prinzip der Tomographie ist die Darstellung einer ausgewählten coronaren Schicht des Körpers unter Verwischung aller anderen, darüber oder daruntergelegenen Schichten.
Durchführung der konventionellen Tomographie:
Bei der mit einer konventionellen Röntgenröhre durchgeführten Untersuchung wird der Patient auf einem beweglichen Tisch gelagert. Röntgenröhre und Filmkassette bewegen sich um den Schichtwinkel (SW) um einen Zentrierpunkt (b). Auf diese Weise werden alle Strukturen, die in dieser Schichtebene (SE) liegen, immer an demselben Punkt und damit scharf abgebildet, alle außerhalb der Schicht liegenden Strukturen (a) jedoch an ständig wechselnden Punkten (a', a''), führen damit nirgends zu einer umschriebenen Filmschwärzung und werden dadurch verwischt. Nach Weiterfahren des Tisches (meist in 0,5 bis 1 cm-Schritten) wird der Vorgang mit einer neuen Kassette wiederholt. Auf diese Weise kann der gesamte interessierende Bezirk in einzelnen Schichten überlagerungsfrei abgebildet werden.
Prinzip der Tomographie: Verwischung aller nicht in der Abbildungsebene gelegenen Strukturen [2]
Indikationen zur konventionellen Tomographie:
Im Zuge der Entwicklung der modernen Schnittbildverfahren (CT und MRT) hat die konventionelle Tomographie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung verloren und wird dies wohl auch noch in Zukunft tun.
Heute noch eingesetzt wird die konventionelle Tomographie
Technisches Verfahren
Die von Hounsfield 1967 eingeführte Computertomographie (CT) erlaubt die überlagerungsfreie Darstellung aller Körperregionen in Querschnitten.
Die Computertomographie arbeitet wie die konventionelle Tomographie mit Röntgenstrahlen. Während in der konventionellen Tomographie die unterschiedliche Strahlenintensität, verstärkt durch die Leuchtstoffolien, eine entsprechend abgestufte Filmschwärzung bewirkt, wird bei der CT die durch den Körper in unterschiedlichem Maße absorbierte Strahlung von den Detektoren gemessen. Die so erhaltenen Werte werden computergesteuert in einen bildlichen Querschnitt umgesetzt.
Schema der Komponenten eines Computertomographen
Durchführung
Die Röntgenröhre rotiert um die Längsachse des Patienten.
Detektoren auf der gegenüberliegenden Seite messen die ankommende
Strahlung und geben die Werte an einen Computer weiter.
Dieser
wertet nun aus allen, ihm für eine Schicht zukommenden Werten aus,
in welchem Bereich der Schicht es zu starken oder geringen Schwächungen
kommt und ordnet so jedem Volumenelement der Schicht einen Dichtewert zu.
Nach dem Entdecker des Verfahrens wird dieser in "Hounsfield-Einheiten
(HE)" angegeben.
Jedem Dichtewert wird anschließend eine Graustufe zugeordnet: weiß bei starker Absorption und hohen HE-Werten (Knochen), schwarz bei fehlender Absorption und weit negativen HE-Werten (Luft); als Nullpunkt wird die Dichte von Wasser festgelegt. Fett hat eine Dichte von etwa -100 bis -200 HE, die parenchymatösen Organe liegen zwischen 40 und 70 HE .
|
Gewebe |
Dichte [HE] |
|
Knochen |
+1000 |
|
Nieren |
50 bis 70 |
|
Fettleber |
20 bis 40 |
|
Leber |
50 bis 60 |
|
parenchym.Organe |
40 bis 70 |
|
Zysten |
10 bis 20 |
|
Wasser |
0 |
|
Fett |
-100 bis -200 |
|
Lungengewebe |
-600 bis -700 |
|
Luft |
-1000 |
Prinzipiell ändert sich an der Tatsache der nur wenig differenten Strahlenabsorption in parenchymatösen Organen natürlich auch in der CT nichts. Hier besteht jedoch eine höhere Empfindlichkeit und die technische Möglichkeit, durch die Verschiebung des elektronischen Fensters auch geringe Absorptionsunterschiede sichtbar zu machen. (Anmerkung: die Verschiebung des elektronischen Fensters betrifft die Auswertung bzw. Bildgebung!, an der Untersuchung des Patienten ändert sich nichts, es braucht auch keine zweite Untersuchung durchgeführt zu werden. Geändert wird lediglich die bildliche Darstellung des einmal aufgenommenen Datensatzes).
Außerdem lassen sich die parenchymatösen Organe durch den zwischen ihnen gelegenen Fettsaum gut voneinander trennen. Eine Ergänzung der CT ist die Untersuchung mit Kontrastmittel (jodhaltige, wasserlösliche KM) zur Darstellung von Gefäßen und dem Anreicherungsverhalten der Organe und der pathologischen Prozesse. Hierdurch ergeben sich wichtige Aufschlüsse in der Differentialdiagnostik.
Indikationen
Die Computertomographie ist heute ein unerläßliches diagnostisches Hilfsmittel. Sie dient der überlagerungsfreien Darstellung aller Körperregionen. Sie hat ihre Domäne in der Untersuchung des ZNS, der parenchymatösen abdominellen Organe, der Lungen, des Mediastinums und des Skeletts. Sie erlaubt die Diagnose von Tumoren, ihre Organzuordnung, ihre lokale Ausbreitung sowie das Staging. Auch im Staging von Systemerkrankungen ist sie nicht wegzudenken.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Computertomographie:
MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE (MRT)
Synonyme:
Technisches Verfahren
Geschichtliche Entwicklung:
Essentielle Voraussetzungen für die MRT sind:
1) Kernspin
Unter "Kernspin" versteht man einen Eigendrehimpuls von Atomkernen um ihre Längsachse (vergleichbar mit einem Kreisel). Diese Eigenschaft haben Atomkerne mit einer ungeraden Zahl von Protonen und Neutronen. Der einfachste Atomkern mit Kernspin ist der Wasserstoffkern (H+); er kommt außerdem im Körper am häufigsten vor (der Körper besteht zu 70% aus Wasser, in jedem Tropfen Wasser befinden sich etwa 1024 Wasserstoffkerne - Protonen -). Die MRT wird daher auch als "Protonenimaging" bezeichnet.
Weitere Elemente mit Kernspin, die zur Signalerzeugung verwendet werden können: Kohlenstoff-13, Fluor-19, Natrium-23, Phosphor-31.
Ein Proton (Atomkern mit positiver Ladung) dreht sich ähnlich der Weltkugel um eine Achse. Diese Drehung bezeichnet man als Spin.
Die Rotation der elektrischen Ladung ist mit einem schwachen Magnetfeld verbunden, d.h. der Atomkern stellt einen magnetischen Dipol dar [3].
2) Magnetfeld
Die Kerne erzeugen durch ihre Eigenrotation ein geringes Magnetfeld. Die Drehachsen sind willkürlich verteilt, so daß sich die Magnetisierung gegenseitig ausgleicht. Bringt man die Atomkerne nun in ein hohes Magnetfeld, richten sich die Kerne in diesem Magnetfeld aus. Die Ausrichtung der Kerne kann parallel (energetisch günstig) oder antiparallel (energetisch ungünstig) erfolgen. Solange sich die Anzahl parallel und antiparallel ausgerichteter Kerne ausgleichen, erfolgt kein Signal.
In der Materie sind die Protonen willkürlich verteilt (keine Nettomagnetisierung). Im Magnetfeld erfolgt eine Ausrichtung der Spins bzw. magnetischen Momente. Durch den zahlenmäßigen Unterschied parallel und antiparallel orientierter Protonen entsteht eine Nettomagnetisierung M0 der Materie [3].
Merke: Parallele Ausrichtung ist energetisch günstiger.
Das Magnetfeld, das zur MRT benötigt wird, muß eine sehr hohe Feldstärke haben:
Einheit für Magnetfeldstärken "Tesla": 1 Tesla = 10000 Gauß
Präzession
Die Ausrichtung der Kerne im Magnetfeld kann nie vollständig parallel zur Nord-Süd-Achse des Magnetfeldes erfolgen, da sich durch die Eigenrotation immer ein Winkel ergibt. Mit diesem Winkel rotieren die Atomkerne um ihre Längsachse. Man bezeichnet diese Kreiselbewegung auch als "Präzession". Die Geschwindigkeit der Kreiselbewegung ("Präzessionsfrequenz", "Larmorfrequenz") hängt von der Stärke des Magnetfeldes ab:
omega = Larmorfrequenz, gamma = gyromagnetische Konstante, B = Magnetfeldstärke [T]
Präzession der Spins [3]
3) Kernmagnetresonanz
Durch Einstrahlung eines Hochfrequenzimpulses (MHz-Bereich) werden die im Magnetfeld ausgerichteten Spins nun um 90o (bzw. 180o) aus ihrer Gleichgewichtslage herausgeklappt. Dies ist nur dann möglich, wenn der eingestrahlte Impuls die gleiche Frequenz hat wie die Spins: Hochfrequenzimpuls und Spins müssen in "Resonanz" treten. Die verschiedenen Atome haben unterschiedliche Präzessionsfrequenzen, die wiederum zusätzlich von der Magnetfeldstärke abhängig sind (s.o.). Der eingestrahlte Impuls muß also auf die anzuregenden Atomkerne und das Magnetfeld abgestimmt werden:
Beispiel:
4) Relaxation
Nach Abschalten des Hochfrequenzimpulses bewegen sich die Atomkerne wieder in ihre Gleichgewichtslage zurück ("Relaxation"). Hierbei wird ein Signal abgegeben. Die Zeit bis zur Registrierung des Signals wird als Relaxationszeit angegeben.
Man unterscheidet die longitudinale Relaxation (T1-Zeit) und die transversale Relaxation (T2-Zeit).
Die Messung der T1- und T2-Zeit wird als Grundlage für die Bilderzeugung genutzt: je nachdem, welche der beiden Zeiten umgesetzt wird, bezeichnet man diese Bilder als "T1- bzw. T2-gewichtet". Zusätzlich können sog. protonengewichtete Bilder erzeugt werden.
Schema longitudinale und transversale Relaxation [3]
a-d) T1-Relaxationszeit: Rückkehr der Spins in den Ausgangszustand = Zunahme der Längsmagnetisierung Mz
Signalerzeugung durch einen 90°-Impuls:
a) Die Magnetisierung (M0) der Materie zeigt zunächst in
z-Richtung (M0=Mz).
b) Vektor der Kernmagnetisierung kurz nach der Auslenkung durch einen 90°-Impuls
c-d) T2-Relaxationszeit: Auseinanderlaufen der Spins = Abnahme
der Quermagnetisierung Mx,y
Folgende Größen können in der MRT bestimmt werden:
Die nachfolgende Tabelle zeigt das Signalverhalten einiger wichtiger Gewebe bzgl. ihrer T1- und T2-Relaxation:
|
Signalverhalten |
T1-gew. Bild |
T2-gew. Bild |
|
signalreich |
Fett |
Liquor, Ödem, Fküssigkeit |
|
mittlere Intensität |
Lymphknoten, Muskulatur, Knochenmark, Knorpel |
Fett, Knochenmark |
|
signalarm |
Liquor, Zysten, Flüssigkeit, Verkalkungen, Kortikalis |
Kortikalis, Verkalkungen, Muskulatur |
Merke:
Durchführung
Der Magnetresonanztomograph ist ein großer Magnet mit hoher Feldstärke. In diesen wird der Patient wie in eine Röhre gelegt. Anschließend werden ein Hochfrequenzimpuls eingestrahlt, die resultierenden Signale gemessen und zur Bilderzeugung genutzt. Untersuchungszeit: 25-60 Minuten.
Indikationen
Die MRT ermöglicht eine multiplanare Schnittführung. Hierbei kommen v.a. die sagittalen Schichten der Hirnstammdiagnostik zugute. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Weichteildiagnostik.
Die MRT ist das einzige Verfahren, mit dem nichtinvasiv das Rückenmark in seiner Längsausdehnung dargestellt werden kann. Weitere Domänen liegen in der Darstellung des Gehirns, der Weichteile, des Knochenmarks und des Knorpels!
Merke:
Vorteile der MRT:
=> Gute Darstellung von:
Schichtebenen
Aufgrund der hohen magnetischen Feldstärke dürfen keine ferromagnetischen Gegenstände in den Raum eingebracht werden. Dies führt zu folgenden Kontraindikationen:
Hüft-Endoprothesen u.a. metallisches OP-Material sind nach einiger Zeit so weit durch Narbengewebe fixiert, daß sie keine Kontraindikation darstellen. Sie führen jedoch zu so starken Signalartefakten, daß eine Untersuchung dieser Regionen nicht immer sinnvoll ist.
Die MRT arbeitet nicht mit ionisierender Strahlung, negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus sind - unter Berücksichtigung der o.g. Kontraindikationen - nicht bekannt.
SONOGRAPHIE
Technisches Verfahren
Die Sonographie beruht auf der Anwendung von Ultraschallwellen, hochfrequenten mechanischen Schwingungen mit Frequenzen zwischen 1 und 12 MHz. Die häufigsten Anwendungen liegen in einem Bereich von 3,5 bis 7,5 MHz. Ultraschallwellen breiten sich in Materie in Longitudinalwellen mit einer Geschwindigkeit von 1550 m/sec aus.
Die Ultraschallwellen werden in sog. "Schallköpfen" erzeugt, Piezoelektrischen Kristallen, die die vom Generator kommenden elektrischen Impulse in Schallwellen umwandeln. Diese werden als Impuls ausgesandt. Anschließend wirkt der Schallkopf als Empfänger: Er nimmt die von der Materie reflektierten Schallimpulse auf, die wiederum eine elektrische Wechselspannung erzeugen. Diese wird von der Speichereinheit registriert.
Zur Bilderzeugung werden verschiedene Eigenschaften der Ultraschallwellen bei der Ausbreitung in biologischem Gewebe ausgenutzt:
Die vom Schallkopf ausgesandte Schallwelle erfährt je nach Zusammensetzung des Gewebes und der zwischen Geweben unterschiedlicher Zusammensetzung bestehenden Grenzflächen die vier verschiedenen Prozesse in unterschiedlichem Maße. Hierdurch erfolgt eine Reflexion der ursprünglich homogenen Schallwelle, die sich je nach Gewebetyp und -lokalisation in Schalleitungszeit und Schallamplitude unterscheidet:
Schalleitungszeit:
Zeit von Aussendung bis Empfang (gibt aufgrund der annähernd konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung der reflektierenden Struktur vom Schallkopf wieder)
Schallamplitude:
Amplitude des reflektierten Impulses (gibt die Stärke der Schallreflexion wieder)
Die beiden Faktoren Schallaufzeit und Schallamplitude sind die Grundlage der Bilderzeugung. Je nach bildlicher Darstellung unterscheidet man folgende Verfahren: A-Mode, M-Mode und B-Mode.
"A-Mode" (Amplitude)
Die eindimensionale Darstellung zeigt die Amplitude auf der Ordinate (A), die Schallaufzeit auf der Abszisse (B). Hohe Ordinatenwerte bedeuten also eine starke Schallreflexion, der Abszissenwert gibt die Entfernung vom Schallkopf wieder.
Schematische Darstellung des "A-Mode"
"M-Mode" (Time-Motion)
Bewegen sich die reflektierenden Grenzflächen, ändert sich ihr Abstand zum Schallkopf und damit die Schallaufzeit. Wird dieses Maß für die Entfernung Schallkopf - reflektierende Fläche als Funktion der Zeit registriert, entstehen Kurven. Die Höhendifferenzen spiegeln den Bewegungsumfang, die Steigung der Kurven die Bewegungsgeschwindigkeit wieder.
Schematische Darstellung des "M-Mode"
"B-Mode" (Brightness)
Die Stärken der reflektierten Echoimpulse werden hier nicht wie im A-Mode als Amplitudenhöhe, sondern als Punkte proportionaler Helligkeiten dargestellt. Zudem wird nicht nur ein Echoimpuls registriert, sondern der Schallkopf besteht aus multiplen Piezokristallen, die alle Echoimpulse aussenden und empfangen. So können verschiedene Ortspunkte entlang des Schallkopfes unterschieden werden. Durch die zusätzliche Ortsauflösung längs des Echoimpulses durch die Schallaufzeit ergibt sich so eine zweidimensionale Ortsauflösung mit verschiedenen Graustufen (Gray-scale-Verfahren) entsprechend der Helligkeitsmodulation.
Schematische Darstellung des "B-Mode"
Der B-Mode ist das heute am häufgsten angewandte Verfahren, es verschafft ein Schnittbild durch den Körper, das durch Kippung und Lageveränderung des Schallkopfes in seiner Schnittebene frei variiert werden kann. Zusätzlich können durch schnelle B-Bild-Verfahren Bewegungen der reflektierenden Organe in "Real time" beobachtet werden. Der A-Mode findet heute v.a. in Ergänzung zum B-Mode Anwendung, z.B. zur Differenzierung umschriebener Raumforderungen (Zyste oder solider Tumor?). Der M-Mode wird in der Echokardiographie eingesetzt.
Durchführung
Je nach der vom Schallkopf ausgesandten Schallfrequenz unterscheidet man z.B. 3,5-, 5-, 7,5- und 10-MHz-Schallköpfe. Schallwellen mit hoher Frequenz (hohe Energie) haben eine geringe Eindringtiefe, das Auflösungsvermögen ist etwas höher als bei Schallköpfen mit niedriger Frequenz, diese haben jedoch entsprechend höhere Eindringtiefe.
Desweiteren unterscheidet man je nach Form des Schallkopfes und der Anordnung der Piezokristalle [4]:
(a) Linear- oder Parallelscan, (b) Phased array mit 60 und (c) mit 90 Grad, (d) Beispiel eines nechanischen Sektor-Scanners, (e) Curved array
Bei der Durchführung der Sonographie muß einer Eigenschaft der Ultraschallwellen besonders Rechnung getragen werden: Sie sind in ihrer Ausbreitung an Materie gebunden, Luft ist ein absolutes Schallhindernis!
Dies bedeutet, daß der Schallkopf nicht einfach auf die Haut aufgesetzt werden kann, es bedarf einer guten, luftfreien Ankopplung. Hierzu eignet sich am besten Flüssigkeit, da diese die Schallwellen weder schwächt, noch reflektiert, noch bricht. Man verwendet daher zur Untersuchung Wasser-Gel-Substanzen. Diese können, falls sehr oberflächliche Gewebe untersucht werden, durch aufsetzbare, flüssigkeitsgefüllte Kissen ergänzt werden (sog. Wasservorlaufstrecken).
Eine weitere Konsequenz ist, daß luftgefüllte Räume (wie z.B. Lunge) nicht geschallt werden können. Auch luftgefüllte Darmschlingen sind Schallhindernisse; Darmschlingen sind nur dann der Diagnostik zugänglich, wenn sie flüssigkeitsgefüllt sind. Für die Ultraschalluntersuchung des Abdomens muß der Patient daher nüchtern sein, sonst ist der Oberbauch durch Magen- und Darm-Luft nicht ausreichend beurteilbar. Für die Untersuchung des kleinen Beckens gilt, daß die Harnblase gefüllt sein sollte; sie dient dann als sog. "Schallfenster", durch das die dahinter gelegenen Strukturen artefaktfrei beurteilt werden können.
Die Untersuchung der Patienten erfolgt schließlich in der für die zu untersuchenden Organe günstigsten Lage, mit dem den Verhältnissen entsprechenden Schallkopf und unter Dokumentation der Untersuchung anhand von Standbildern, die vom Bildschirm abphotographiert werden. Der Untersucher setzt den Schallkopf in verschiedenen, für die einzelnen Organe klassische Schnitte (transversal, longitudinal, subcostal etc.) auf und beurteilt durch Kippen des Schallkopfs das gesamte Organ.
Kriterien der sonographischen Beurteilung sind:
SONOGRAPHISCHE GRUNDMUSTER
Indikationen
Die Indikationen zur Sonographie sind vielfältig und haben sich durch die deutlich verbesserte Auflösung moderner Geräte sowie durch die Entwicklung neuer Techniken wie den farbcodierten Ultraschall und die Dopplersonographie noch vermehrt. Außerdem ist sie durch das Fehlen jeglicher unerwünschter Nebenwirkungen (insbesondere fehlende Strahlenbelastung) jederzeit wiederholbar.
Außer der fehlenden Beurteilbarkeit einzelner Organe gibt es keine Kontraindikationen zur Ultraschalluntersuchung! Somit ist die Sonographie ein nicht mehr wegzudenkendes Screening-Verfahren für alle schallbaren Organe und Gewebe.
Insbesondere sind hier zu nennen:
Parenchymatöse Organe:
Hohlorgane und Gangsysteme:
Weichteile
Durch die Einführung intracavitärer Sonographien wurde die Zugänglichkeit und Beurteilbarkeit wichtiger Organe deutlich verbessert (z.B. transoesophagealer Schall zur Echokardiographie, transvaginaler und transrektaler Schall zur Beurteilung von Uterus und Ovar bzw. Prostata). Desweiteren besteht heute die Möglichkeit des intravasalen Ultraschalls.
