„Bildgebung“ ist nicht eine einzige Sache. Jede Modalität beruht auf einer anderen physikalischen Sprache: die eine liest die Schwächung von Röntgenstrahlen, die andere das Echo des Schalls, wieder eine andere das magnetische Verhalten von Atomkernen. Im Folgenden nehmen wir sieben Modalitäten einzeln vor, jedes Funktionsprinzip mit einer Animation dargestellt.
Röntgen — ein einzelner Schatten
Die grundlegendste Methode: Der Röntgenstrahl durchquert den Patienten in einem einzigen Durchgang und erzeugt auf einem flachen Detektor eine einzige 2D-Projektion (Schatten). Schnell und günstig, ideal für Knochen und Lunge — doch die Tiefeninformation ist begrenzt; alle Strukturen überlagern sich.
CT — ein Schnitt aus Hunderten Winkeln
Das CT überwindet die Grenze des Röntgens: Röhre und Detektor rotieren um den Patienten (Rotate-Rotate-Geometrie) und sammeln Projektionen aus Hunderten Winkeln; ein Computer rekonstruiert daraus ein Schnittbild.1 In modernen Systemen dreht sich die Gantry mehrere Male pro Sekunde.1
Durchleuchtung — ein Echtzeitfilm
Während das Röntgen ein einzelnes Bild aufnimmt, erzeugt die Durchleuchtung mit kontinuierlichen oder gepulsten Röntgenstrahlen ein bewegtes Bild — für dynamische Eingriffe wie das Vorschieben eines Katheters oder das Beobachten eines Schluckakts.5 Der Preis ist die lange Durchleuchtungszeit und die damit akkumulierende Dosis.
Mammographie — niedrige Energie, feinste Details
Um die kontrastarmen, sehr kleinen Strukturen der Brust (Mikrokalk) zu erfassen, nutzt die Mammographie niederenergetische Röntgenstrahlen und Kompression; sie hat die höchste Ortsauflösung in der Radiologie.5 Die Kompression verbessert das Detail und senkt zugleich die Dosis.
Ultraschall — das Echo des Schalls
Der Ultraschall nutzt keine ionisierende Strahlung. Der Schallkopf sendet einen kurzen Schallimpuls ins Gewebe; der Impuls läuft im Weichgewebe mit ~1540 m/s und ein Teil kehrt als Echo von jeder Grenzfläche zurück, an der sich die akustische Impedanz ändert.2 Die Laufzeit des Echos ergibt die Tiefe, seine Amplitude die Helligkeit (Puls-Echo).2
MRT — im Magnetfeld rotierende Kerne
Auch die MRT nutzt keine ionisierende Strahlung. In einem starken Magnetfeld präzedieren die Wasserstoffkerne (Protonen) im Körper wie ein Kreisel; die Präzessionsfrequenz ist proportional zur Feldstärke (Larmor-Beziehung) — etwa 64 MHz bei 1,5 T.3 Ein Hochfrequenz-(HF-)Impuls „lenkt“ diese Protonen aus; das Signal, das sie beim Relaxieren abgeben, bildet das Bild. Deshalb ist der Weichteilkontrast der MRT hervorragend.
Nuklearmedizin / PET — Strahlung von innen
Während die anderen die Quelle außerhalb platzieren, liegt die Quelle in der Nuklearmedizin im Patienten: Das verabreichte Radiopharmakon zeigt Funktion/Stoffwechsel, nicht die Anatomie. Beim PET sendet der Tracer ein Positron aus; annihiliert es mit einem Elektron, entstehen zwei 511-keV-Photonen in etwa 180° entgegengesetzter Richtung.4 Ein ringförmiger Detektor erfasst die beiden Photonen gleichzeitig (in Koinzidenz) und lokalisiert so die Quelle.4
Quellen
- Bushberg JT, Seibert JA, Leidholdt EM, Boone JM. The Essential Physics of Medical Imaging, 3rd ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2011. Bölüm 10 (Computed Tomography) — tüp ve dedektörün hasta etrafında dönmesi (rotate–rotate geometri), gantry rotasyonu.
- Bushberg JT, et al., a.g.e., Bölüm 14 (Ultrasound) — pulse–echo görüntüleme, yumuşak dokuda ses hızı 1540 m/s, akustik empedans farkları.
- Bushberg JT, et al., a.g.e., Bölüm 12 (Magnetic Resonance Basics) — protonun manyetik alanda presesyonu, Larmor bağıntısı; 1,5 T'de proton rezonans frekansı ~64 MHz.
- Bushberg JT, et al., a.g.e., Bölüm 15 ve 19 (Radyoaktivite ve PET) — pozitron–elektron anihilasyonu sonucu yaklaşık 180° zıt yönde yayılan iki 511 keV foton; koinsidans algılama.
- Bushberg JT, et al., a.g.e., Bölüm 8 (Mammography) ve Bölüm 9 (Fluoroscopy) — düşük enerjili X-ışını ve kompresyon; gerçek zamanlı/pulslu floroskopi.