Die Wissenschaft und Anwendungen der medizinischen Bildgebung

Die inneren Organe und Knochen unseres Körpers sind von Haut und anderen Gewebebarrieren bedeckt und daher mit bloßem Auge nicht sichtbar. Der Begriff „medizinische Bildgebung“ bezeichnet Techniken, die uns einen Blick in das Innere des Körpers ermöglichen. Dieser Artikel hilft Ihnen zu verstehen, was medizinische Bildgebung ist und welche wichtige Rolle sie heute im Patientenmanagement spielt.

Was ist diagnostische medizinische Bildgebung?

Diagnose ist der Prozess der Identifizierung einer bestimmten Krankheit oder Erkrankung auf der Grundlage einer gründlichen Untersuchung des Patienten. Leider betreffen die meisten Krankheiten und Zustände Bereiche des Körpers, die normalerweise nicht mit bloßem Auge sichtbar sind. Diagnostische medizinische Bildgebung kann bei der Diagnose helfen, indem sie es uns ermöglicht, Anomalien im Körper sichtbar zu machen. Bei einem Patienten, der ein Trauma erlitten hat, kann die medizinische Bildgebung beispielsweise Aufschluss darüber geben, ob Knochen gebrochen oder verrenkt sind.

Wie funktioniert medizinische Bildgebung?

Die diagnostische medizinische Bildgebung beruht auf der Verwendung „unsichtbarer“ Wellen, wie elektromagnetischer Strahlung, Magnetfeldern oder Schallwellen. Das Wissen über diese verschiedenen Arten von Wellen hilft uns zu verstehen, worum es in der Wissenschaft der medizinischen Bildgebung geht. Die Wellen gehen typischerweise von einer Quelle aus, die auf einer Seite des Körpers platziert ist, wandern durch den Körper (und durch die interessierende Region) und treffen auf einen Detektor, der auf der anderen Seite des Körpers platziert ist. Die Wellen werden von verschiedenen Körpergeweben in unterschiedlichem Maße absorbiert. Auf diese Weise entwickelt der Detektor ein Bild, das aus „Schatten“ verschiedener Körpergewebe besteht. Frühere Formen der medizinischen Bildgebung, wie Röntgenaufnahmen, verwendeten eine Photodetektorplatte, die vor der Visualisierung eine Filmentwicklung erforderte. Die fortschrittliche medizinische Bildgebung ermöglicht heute die direkte Aufnahme von Bildern durch eine Detektorkamera und die digitale Betrachtung der Bilder auf einem Monitor.

Wofür wird medizinische Bildgebung verwendet?

Obwohl ein großer Teil der medizinischen Bildgebung hauptsächlich aus diagnostischen Gründen durchgeführt wird, hat sie auch mehrere andere Anwendungen. Einige der häufigsten Anwendungen der medizinischen Bildgebung werden im Folgenden beschrieben:

• Blickdiagnose: Wie der Name schon sagt, ist dies die häufigste Anwendung der diagnostischen medizinischen Bildgebung. Ein Bild kann uns auf einen Blick sagen, was genau mit dem Patienten nicht stimmt. Einfache Röntgenaufnahmen und CTs helfen, Frakturen, Zysten, Tumore und Knochenanomalien zu erkennen.

• Überwachung des Krankheitsverlaufs: Diagnostische medizinische Bildgebung wird oft verwendet, um das Krankheitsstadium und den Verlauf zu bestimmen. Bei einem Krebspatienten kann ein kontrastmittelverstärktes CT oder ein MRT verwendet werden, um das genaue Stadium der Krankheit zu bestimmen, während PET-Scans Metastasen erkennen können. SPECT, eine Art Knochenscan, hat sich als nützlich erwiesen, um das Fortschreiten der Parkinson-Krankheit zu überwachen.

• Behandlungsplanung: Medizinische Bildgebung hilft auch bei der Behandlungsplanung, indem sie Chirurgen ermöglicht, die Größe einer Läsion und damit das Ausmaß der Operation im Voraus zu bestimmen. Chirurgen können mithilfe medizinischer Bildgebungstechnologie virtuelle Operationen durchführen, entweder direkt in der Software oder nach dem Importieren und Erstellen stereolithographischer Modelle.

• Bewertung der Wirksamkeit der Behandlung: PET-Scans werden häufig bei Krebspatienten während der Behandlung eingesetzt, um zu überprüfen, ob das Behandlungsschema die Tumorgröße wirksam verringert hat. Chirurgen verwenden medizinische Bildgebung auch während eines chirurgischen Eingriffs, um zu überprüfen, ob Knochen richtig ausgerichtet wurden oder ob Implantate an ihrer richtigen Position platziert wurden. Bildgebung kann durchgeführt werden, um die langfristige Wirksamkeit von Behandlungsverfahren zu beurteilen. Beispielsweise wird oft sechs Monate nach dem Eingriff eine volumetrische Analyse des orbitalen Inhalts durchgeführt, um zu überprüfen, ob die orbitale Reduktion und Fixierung nach einem Trauma genau durchgeführt wurde.

• Altersbezogene Berechnungen: Das Alter kann oft durch die Beurteilung des Wachstums interner Körperstrukturen bestimmt werden. Beispielsweise werden das fetale Alter und das Gestationsalter der Mutter oft durch Ultraschall bestimmt. Bestimmte Röntgenaufnahmen, wie Handwurzel- und Zahnröntgenaufnahmen, werden häufig verwendet, um das Alter eines Patienten zu berechnen, wenn es unbekannt ist oder für rechtliche Zwecke erforderlich ist.

Medizinische Bildgebung: Vielfältige Technologien und Anwendungen

Es gibt verschiedene Arten der diagnostischen medizinischen Bildgebung, abhängig von der physikalischen Natur der verwendeten Wellen und der Methode der Bildaufnahme. Es gibt keine einzelne Bildgebungstechnologie, die den anderen überlegen ist, da jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hat. Basierend auf diesen Einschränkungen haben Radiologen heute eine spezifische „Nische“ gefunden, die für jede Bildgebungsmodalität am besten geeignet ist:

Ultraschall (Sonographie)

Wie der Name schon sagt, verwendet Ultraschall Schallwellen, um medizinische Bilder zu erfassen. Da keine elektromagnetische Strahlung verwendet wird, ist dies wahrscheinlich die sicherste Form der diagnostischen medizinischen Bildgebung. Die Schallwellen wandern von der Ultraschallsonde durch ein leitfähiges Gel in den Körper. Die Wellen treffen dann auf verschiedene anatomische Strukturen im Körper und werden zurückgeworfen. Sie werden erfasst und in Bilder umgewandelt, die auf einem Monitor betrachtet werden können. Eine spezielle Form des Ultraschalls, der Doppler, ermöglicht es uns, die Bewegung des Blutes in den Blutgefäßen sichtbar zu machen.

Röntgenaufnahmen

Röntgenaufnahmen sind die früheste Form der medizinischen diagnostischen Bildgebung. Sie werden typischerweise zur Darstellung von Knochen verwendet und wurden weitgehend durch fortschrittlichere medizinische Bildgebungssysteme ersetzt. Die traditionelle Röntgenaufnahme ist jedoch in bestimmten klinischen Situationen immer noch nützlich:

• Mammographie: Dies ist eine Röntgenaufnahme der Brust. Sie wird als Screening-Instrument bei Frauen zur Erkennung von Brustkrebs eingesetzt.

• Fluoroskopie (Durchleuchtung): Diese Technik verwendet Röntgenstrahlen in Kombination mit einem Kontrastmittel, das entweder injiziert oder geschluckt wird. Der Weg des Kontrastmittels wird mittels Röntgenaufnahmen verfolgt, um Obstruktionen, Geschwüre und andere pathologische Prozesse zu bestimmen.

Computertomographie (CT)

Bei dieser Technik liegt der Patient in einer CT-Röhre, die sowohl den Detektor als auch die Quelle enthält. Quelle und Detektor liegen einander gegenüber und bewegen sich in einem Bogen um den Patienten, wobei seriell Bilder aufgenommen werden. Die Bilder werden in Schichten von jeweils wenigen Millimetern und in drei verschiedenen Achsen aufgenommen – wodurch koronale, axiale und sagittale Schnitte entstehen. Diese Schnitte können dann zu einem dreidimensionalen Bild rekonstruiert werden. CT-Bilder besitzen im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenaufnahmen eine weitaus höhere Detailgenauigkeit. Allerdings setzt das CT-Scannen den Körper einer wesentlich höheren Strahlendosis aus.

Magnetresonanztomographie (MRT)

Diese diagnostische medizinische Bildgebungstechnologie nutzt Radiowellen innerhalb eines Magnetfeldes. Der menschliche Körper besteht größtenteils aus Wasser. Wenn er in den MRT-Scanner gelegt wird, richten sich die Wasserstoffionen in den Wassermolekülen nach dem Feld aus. Wenn Hochfrequenzwellen angelegt werden, ändert sich diese Ausrichtung, und danach kehren die Ionen in ihre ursprüngliche Position zurück. Diese Änderungen der Ausrichtung werden aufgezeichnet und verarbeitet, um ein Bild zu erstellen. Das MRT ist nützlich zur Darstellung von Weichteilstrukturen wie Muskeln, Sehnen und Gelenkspalten. Obwohl keine Strahlenbelastung besteht, kann das MRT für Menschen mit Metallimplantaten gefährlich sein, da ein starkes Magnetfeld verwendet wird. Dazu gehören Patienten mit künstlichen Gelenken, Herzschrittmachern oder anderen Arten von Implantaten.

Nuklearmedizinische Bildgebung

Diese Technik beinhaltet die Verwendung von radioaktiven Molekülen, die als „Tracer“ bezeichnet werden. Die Tracer werden entweder geschluckt oder in den Blutkreislauf injiziert. Sobald sie im Körper sind, werden die Tracer von bestimmten Geweben aufgenommen. Die von diesen Tracern ausgesandten Gammastrahlen werden von einer Gammakamera erfasst und in digitalisierte Bilder umgewandelt. Tracer können basierend auf der interessierenden Region ausgewählt werden. Zum Beispiel erfordert die Bildgebung der Schilddrüse radioaktives Jod, da diese Verbindung bevorzugt von Schilddrüsenzellen aufgenommen wird. Knochenscans bei Infektionskrankheiten verwenden Technetium, Gallium oder Indium. Bereiche, die das Material aufnehmen, senden mehr Strahlung aus und erscheinen auf den aufgenommenen Bildern als „Hot Spots“.

Eine spezielle Art der nuklearen Bildgebung ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Sie kann eine radioaktive Form von Glukose verwenden. Glukose wird bevorzugt von Zellen aufgenommen, die eine hohe Stoffwechselrate haben, wie z. B. Krebszellen. Somit kann diese fortschrittliche diagnostische Bildgebungstechnik helfen, entfernte Metastasen bei Krebspatienten zu identifizieren.

Was bringt die Zukunft der medizinischen Bildgebung?

Während sich die medizinische Bildgebung weiterentwickelt, finden Forscher Wege, um Diagnose und Behandlungsplanung zu verbessern. Einer der aufregendsten Bereiche, der derzeit erforscht wird, ist die Anwendung von künstlicher Intelligenz (KI) in der medizinischen Bildgebung. Künstliche Intelligenz ist die Fähigkeit von Software oder Maschinen, das kognitive Denken von Menschen nachzuahmen. Sie können daher bei Problemlösungsaufgaben helfen. KI in der medizinischen Bildgebung kann neue Grenzen sowohl hinsichtlich der Diagnose von Krankheiten als auch bei der Planung und Überwachung der Behandlungseffizienz verschieben. Im Folgenden sind einige Anwendungen von KI in der medizinischen Bildgebung aufgeführt:

• Identifizierung relevanter Schichten: Ein einziger CT- oder MRT-Scan eines Patienten kann buchstäblich Hunderte von Bildern erzeugen, da jede Schicht nur wenige Millimeter lang ist. Für den Radiologen kann das Durchgehen jeder einzelnen Schicht zur Erkennung von Anomalien ein sehr zeitaufwändiger Prozess sein. KI kann verwendet werden, um alle Schichten zu durchsuchen und nur diejenigen herauszupicken, die für den Radiologen von Interesse sind.

• Erkennung feiner Anomalien: Sehr geringfügige Unterschiede in Farbe oder Kontrast sind möglicherweise mit bloßem Auge nicht sichtbar. Diese Unterschiede können jedoch den frühen Beginn einer invasiven Krankheit signalisieren. KI kann verwendet werden, um selbst winzige Unterschiede zu erkennen und so die diagnostische Genauigkeit zu unterstützen, die manuell nicht erreicht werden kann.

• Abrufen alter Akten: KI kann Datenbanken durchsuchen, um ältere Bilder aus den Gesundheitsakten von Patienten abzurufen. Diese Bilder können zum Vergleich mit aktuellen Bildern verwendet werden. Dies kann zur Beurteilung des Krankheitsverlaufs oder zur Bewertung der Wirksamkeit der Behandlung genutzt werden.

• Groß angelegtes Screening: Eine neuartige Anwendung von KI in der medizinischen Bildgebung ist das groß angelegte medizinische Screening. Eine kürzlich entwickelte KI-basierte Anwendung wurde entwickelt, um medizinische Bilder über mehrere Krankenhausdatenbanken hinweg zu überprüfen. Die KI wurde trainiert, um große Gefäßverschlüsse, ein frühes Anzeichen für Schlaganfall, zu erkennen. Wenn dies funktioniert, kann die Anwendung den Patienten und den Schlaganfallspezialisten priorisiert warnen. Dies wird die Zeit bis zur Behandlung verkürzen, was die Patientenergebnisse erheblich verbessern kann.

• Erstellung diagnostischer Berichte: KI wäre in der Lage, Anomalien in Farbe und Kontrast in tatsächliche diagnostische Befunde zu übersetzen. Dies könnte durch das Einspeisen von Informationen basierend auf früheren Fallakten geschehen. Unter Verwendung diagnostischer Informationen kann KI auch verwendet werden, um Bildgebungsberichte zu erstellen.

DICOM und PACS – Der Kern der Kommunikation in der medizinischen Bildgebung

Medizinische Bilder sind letztendlich nur Bilder. Je besser die Qualität eines Bildes ist, desto mehr Informationen kann es liefern. Vor diesem Hintergrund veröffentlichte die National Electrical Manufacturers Association (NEMA) ein Standardformat von hoher Qualität zum Betrachten und Speichern medizinischer Bilder. DICOM, was für Digital Imaging and Communications in Medicine steht, ist weltweit akzeptiert. Es kann nicht von gewöhnlichen Computerprogrammen geöffnet werden. Spezielle Softwareanwendungen, sogenannte DICOM-Viewer, sind erforderlich, um moderne medizinische Bilder anzuzeigen und zu bearbeiten.

Da DICOM-basierte Bilder von hoher Qualität sind und mehrere Bilder eines einzelnen Patientenscans viel Speicherplatz benötigen, müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um Bilder im DICOM-Format zu speichern und abzurufen. Das Datenbank- und Serversystem, das DICOM-Bilder speichert, wird als PACS (Picture Archiving and Communication System) bezeichnet. Im Allgemeinen hat jedes Krankenhaus seinen eigenen internen PACS-Server, und Bilder, die von Patienten in diesem Krankenhaus allein aufgenommen wurden, werden dort gespeichert. Der Nachteil dabei ist, dass Patienten, die aus verschiedenen Gründen das Krankenhaus wechseln, möglicherweise nicht auf frühere Bilder zugreifen können.

Die Einführung von cloudbasiertem PACS hat das Anzeigen und den Zugriff auf DICOM-Dateien erheblich erleichtert. Die Cloud-Technologie ermöglicht es, DICOM-Dateien über das Internet zu speichern und zu verarbeiten. Auf diese Dateien kann von überall aus zugegriffen werden, mit jedem Gerät, das über die erforderlichen Berechtigungen und Software verfügt. Es vereinfacht den Zugriff auf die medizinischen Unterlagen eines Patienten von verschiedenen geografischen Standorten aus.

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