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Computer Assisted Clinical MedicineProf. Dr. Lothar Schad
11/12/2008 | Page 1
Teil 1: Röntgen-Computertomographie CT
Prof. Dr. Lothar Schad
HeiCuMed: Blockkurs Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz
Lehrstuhl für Computerunterstützte Klinische MedizinMedizinische Fakultät MannheimUniversität HeidelbergTheodor-Kutzer-Ufer 1-3D-68167 Mannheim, GermanyLothar.Schad@MedMa.Uni-Heidelberg.dewww.ma.uni-heidelberg.de/inst/cbtm/ckm/
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11/12/2008 | Page 2Lernziele CT
• Physikalische Grundlagen
• Bildrekonstruktion + Filterung
• Hounsfield-Einheiten
• Spiral-CT
• Literatur- Computertomographie. Kalender WA, eds.
Publicis MCD Verlag, München, 2000
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11/12/2008 | Page 3Wozu Schnittbildverfahren?
1. Keine Überlagerungen => höherer Kontrast2. Dreidimensionale Lokalisierung
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11/12/2008 | Page 4Geschichte
1895 W. C. Röntgen: X-Strahlen
1963 Cormack: Bildrekonstruktion
1972 Hounsfield: Klinische CT
1989 Kalender: Spiral-CT
1998 Multischicht-CT
2000 30 000 CTs installiert
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11/12/2008 | Page 5Grundprinzip
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11/12/2008 | Page 6Detektorsysteme
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11/12/2008 | Page 7Fächerstrahl-CT
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11/12/2008 | Page 8Kollimation
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11/12/2008 | Page 9Bildrekonstruktion: Rückprojektion
CT-Bild Sinogramm
Rekonstruktion:Rückprojektion
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11/12/2008 | Page 10Bildrekonstruktion: Filterung
SinogrammgefiltertesSinogramm
Filterung
Filterkern
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CT-Bild gefiltertesSinogramm
Rekonstruktion:gefilterteRückprojektion
Bildrekonstruktion: Gefilterte Rückprojektion
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11/12/2008 | Page 12Hounsfield-Einheiten
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11/12/2008 | Page 13Artefakte: Metall
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11/12/2008 | Page 14Artefakte: Strahlaufhärtung
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11/12/2008 | Page 15Spiral-CT: Prinzip
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11/12/2008 | Page 18Multischicht-CT: Reformatierung
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11/12/2008 | Page 20Multischicht-CT: Herzbildgebung
ECG
time
z
zr
proj
ectio
nan
gle
θ
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11/12/2008 | Page 21Multischicht-CT: Koronar-Angiographie
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Teil 2: Magnetresonanz-Tomographie MRT
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Lehrstuhl für Computerunterstützte Klinische MedizinMedizinische Fakultät MannheimUniversität HeidelbergTheodor-Kutzer-Ufer 1-3D-68167 Mannheim, GermanyLothar.Schad@MedMa.Uni-Heidelberg.dewww.ma.uni-heidelberg.de/inst/cbtm/ckm/
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11/12/2008 | Page 24Lernziele MRT
• Physikalische Grundlagen
• Spin-Gitter Relaxationszeit T1
• Spin-Spin Relaxationszeit T2
• Literatur- The Basics of MRI. Hornak JP, eds.
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htmChapter 1 und 3
- NMR für Mediziner und Biologen. Hausser KH, Kalbitzer, eds.Springer, Kapitel 1.
- Magnetresonanztomographie. Reiser M, Semmler W, eds.Springer, Kapitel 2.
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11/12/2008 | Page 25Wozu MRT?
1. Bester Weichteilkontrast2. Keine Strahlenbelastung
CTWHS: 1025 HuGHS: 1035 Hu } Δ = 1%LIQ: 1000 Hu
T2 T1 MRTWHS: 90 ms 550 msGHS: 100 ms 1000 ms } Δ = 100%LIQ: >1000 ms 2000 ms
ρ T2 T1
CT
Beispiel: Patient Astrozytom II
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Nuclear
Magnetic
Resonance
(Kernspin)
Magnet
Resonanz
N S
Begriffe: MRT & NMR
(Imaging) Tomographie
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11/12/2008 | Page 27Atomkern: Proton
Magnetisches Moment
Mechanisches Moment (Spin)
Eigendrehung
Ladung
N Nuclear
M Magnetic
R Resonance
Max Planck (1858–1947)
Nobelpreis 1918
Sir Ernest Rutherford (1871–1937)
Nobelpreis 1908
Louis de Broglie (1892–1987)
Nobelpreis 1929
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S
N
B = 0
B = B0
M0
Σ =
Atomkern: Magnetisierung M0
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B0
M0m = -1/2
m = +1/2
B = 0 B = B0
Aufspaltung der Energieniveaus(Zeemann-Effekt)
Curie’s Gesetz: M0 = ρ • I(I+1)•γ2•h2•B03kT
Atomkern: Quantenmechanik I
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ca. 1023 Protonen / Mol (Avogadro-Zahl)
1 ppm (10-6) Besetzungsverhältnis bei 1.5 T
ca. 1017 parallele Spins in M0
Bohr’s Korrespondenzprinzip
lim QM kl. Physik8nM0
Proton
Atomkern: Quantenmechanik II
Niels Bohr (1885–1962)
Nobelpreis 1922
Albert Einstein (1879–1955)
Nobelpreis 1921
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Externes Magnetfeld B0Statisches Magnetfeld
Feldstärke 1.5 TeslaHomogenität 1.0 ppm
Kryostat
Kühlflüssigkeitflüssig He, (N2)
Supraleitende SpulenNbTi, Nb3Sn
M0
Magnetfeld: Grundfeld B0
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M0
hν
Magnetfeld: Vergleich CT - MRT
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StimmgabelnSchaukel
Resonanz: Grundlagen
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G
Präzession
Eigen-drehung
MechanischesMoment
Auslenkkraft
G
Resonanz: Mechanischer Kreisel
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11/12/2008 | Page 35Resonanz: Protonen im Magnetfeld B0
B0
Hochfrequenz-impuls HF
90° - Puls180° - PulsAusgangslage
M0
M0
M0
Präzessionsfrequenz ω = γ • B0Larmorfrequenz: 64 MHz bei 1.5 T
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11/12/2008 | Page 36Signalgewinnung
N S
x
y
z
My
Fahrrad-dynamo
Leiterschleife mit bewegtem Magneten
Rotierende magnetische Momente
Faraday’sche Induktion
Zeit
Sig
nalin
tens
ität Mxy
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Hochfrequenz:ω = γ • (B0+Gz)
Gradient Gz
Magnetfeld-Gradient, z.B. Gz
z
G
Bildgebung: Schichtselektion
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11/12/2008 | Page 39Bildgebung: Magnetfeld-Gradienten
Präzessionsfrequenz ω = γ • B
mit B = B0 + Gx + Gy + Gz
Magnetfeld-Gradienten G
Gy
Gx
b_
#
“3D Piano”
Gx
Gz
Gy
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k-Raum
Bild
FourierTransformation
kx
ky
y
x
Hologramm
BetragsbildBildgebung: k-Raum
Jean Baptiste Fourier (1768–1830)
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Sender
Empfänger
Gradienten
Shim
Bild
-re
chne
r350 MHz
KonsoleSteuer-rechner
350 MHz
Grundfeld B0 M0
Hochfrequenz HF Signal
Gradienten Gxyz Bild
Geräteaufbau
Hochfrequenz HF Gradienten Gxyz Grundfeld B0Shimspulen
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11/12/2008 | Page 42Spin-Gitter-Relaxation T1
Mz
xy
z
Ausgangs-zustand
Mz
xy
z
Endzustand(=Ausgangszustand)
xy
z
M
Zwischen-zustand
B0
xy
z
My
Angeregter Zustand
HF90°- Puls
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TI0
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11/12/2008 | Page 44Spin-Spin-Relaxation T2
Ausgangs-zustand
Mz
xy
z
xy
z
My = 0
B0
y
HF90°- Puls
x
z
My
ZeitSig
nalin
tens
ität
Mxy
yx
z
My
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Seite 21
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11/12/2008 | Page 47MR-Herzbildgebung
Proband: Herz, TrueFISP