Medizinische Bildgebung

Ultraschall, Röntgen, Computertomographie und MRT mit physikalischen Hintergründen

Ultraschall, Röntgen, Computertomographie und MRT mit physikalischen Hintergründen


Lina Schad
Diese Lernkarten vermitteln grundlegende und fortgeschrittene Konzepte der medizinischen Bildgebung, insbesondere der Magnetresonanztomographie (MRT). Sie decken physikalische Grundlagen wie Magnetfelder, Energieübertragung und Signalverarbeitung ab, erklären Verfahren wie Ultraschall und Röntgenstrahlung sowie deren Anwendungen in der Diagnostik. Studierende und Fachkräfte profitieren von diesem Überblick, da er technische Details mit klinischer Relevanz verbindet und Sicherheitsaspekte sowie Bildgebungssequenzen praxisnah erläutert.
Karten
288
Lernende
18
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
30.03.2014 / 02.04.2026

Lernkarten

Ultraschall:

Abstrahlcharakteristik:  Axiale Auflösung

  • Abstand z einer Grenzfläche vom Schallkopf
  • Echos (HWDauer ∆t) benachbarter Grenzflächen gelten als grade noch trennbar
    • wenn Maxima 1 HWBreite getrennt sind
    • ∆z ≥ c∆t/2
  • Puls dauert min. 1 Schwingung
    • ∆t > T = nu-1 = λ/c
  • axiales Auflösungsvermögen
    • ∆z ≥ λ/2

Ultraschall:

Abstrahlcharakteristik: Eindringtiefe und Auflösung

  • Laterale und axiale Auflösung besser bei
    • hohen Frequenzen \(\nu\)
    • kleinem λ
  • Schwächungskoeffizient nimmt mit \(\nu\) zu
  • größtmögliche Frequenz für erforderliche Eindringtiefe wählen

Ultraschall:

Abstrahlcharakteristik: Nah- und Fernfeld

Grenze

\(R^2/\lambda\)

\(R\): Kolbenradius

Ultraschall:

Bildgebung: A-Bild

  • Amplitude
  • 1d
  • zeitl. Abfolge der empfangenen Echos

Ultraschall:

Bildgebung: B-Bild

  • Brightness modul.
  • am häufigsten verwendet
  • seitl. Verschiebung des Schallstrahls nach jedem Sendeimpuls
  • Kodierung der Echointensität als Grauwert
  • Darstllung entsprechend dem Sendeort

Ultraschall:

Bildgebung: B-Bild (Erzeugung)

  • mechanischer Scanner
  • elektronische Scanner
    • lineare oder gekrümmte Arrays von ca. 100 US-Wandlern
      • Ø ≈ 1mm
    • Untergruppe von aktivierten Elementen wird verschoben

Ultraschall:

Bildgebung: TM-Mode

  • Time Motion
  • A-Bild mit Kodierung der Echointensität als Grauwert
  • Wiederholungen nebeneinander geschriebe
  • Bewegungsablauf von Trennflächen

Ultraschall:

Bildgebung: Verdoppelung der Linienzahl

Abwechselnde Anschaltung einer graden und einer ungeraden Anzahl von nebeneinanderliegenden Elementen.

Ultraschall:

Bildgebung: Beam Forming

  • gezielte Veränderung der Phasen der einzelnen Elemente eines Schallwandler-Arrays
  • Manipulation
    • Abstrahlrichtung
    • Fokus

Ultraschall:

Bildgebung: Fokus (elektronisch)

  • Verzögerungszeiten des Phased Array werden gezielt verändert
    • Erreichen bestimmter Fokustiefe

Ultraschall:

Bildgebung: Fokus (mitlaufend)

Verzögerungszeiten des Phase Array werden während des Empfangs der Echos verändert.

Ultraschall:

Bildgebung: Fokus (beim Senden)

Nur ein Fokus pro Sendeimpuls möglich

Ultraschall:

Bildgebung: Fokus (quer zur Scanrichtung)

Meist nur eine feste Fokussierung (z.B. durch akustische Linse)

Ultraschall:

Bildgebung: Fokus (lat. Auflösung)

  • Fokus bestimmt durch
    • Fokusentfernung
    • f = 0,75R2/λ
    • α ≈ sin α ≈ 1,22 λ/D
      • D = 2R

Ultraschall:

Bildgebung: Bildwiederholfrequenz

  • hängt von Eindringtiefe ab
  • Schallimpuls kann erst gesendet werden, wenn alle Echos aus Objekt empfangen wurden

Ultraschall:

Bildgebung:

Nachverarbeitung

  • Time Gain Control
  • Logarithmische Kompression

Ultraschall:

Bildgebung: Artefakte

  • Refraction
  • Shadowing
  • Reverberation
  • Speed Variation
  • Mirror Image
  • Side Lobes

Ultraschall:

Bildgebung: Artefakte

(hinter schwach dämpfenden Gebieten)

Scheinbare Signalerhöhung durch Tiefenausgleich (TGC)

Ultraschall:

Bildgebung: Artefakte

(hinter schrägen stark spiegelnden Kanten/hinter stark Absorbierern)

Abschattung

Ultraschall:

Bildgebung: Artefakte

(2 stark reflektierende parallele Grenzflächen)

Mehrfachreflexion

Ultraschall:

Bildgebung: Artefakte

(vor stark reflektierenden Flächen)

Virtuelles Bild erscheint hinter Fläche

Ultraschall:

Bildgebung: Artefakte

(hinter Gebieten mit abweichender c)

Objekte verschoben durch Brechung bei schrägem Einfall

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(bewegter Sender oder bewegter Empfänger)

  • Empfänger misst Frequenz
  • \(\nu' \approx \nu (1+\frac{\nu}{c})\)

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(bewegter Empfänger und bewegter Sender)

\(\nu' \approx \nu(1+2(\frac{\nu}{c}))\)

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Anwendung)

Geschwindigkeit von Blutkörperchen messen.

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Continous Wave Doppler)

  • CW-Doppler
  • getrennte Sende- und Empfangskristalle im Schallstück
  • Mischen des Empfangssignals mit Sendeoszillation
  • Tiefeninformation nicht verfügbar

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Continous Wave Doppler: nach Tiefpassfilter)

 

cos(∆ωt)

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Continous Wave Doppler: Spektralanalyse)

Ergibt Spektrum von Geschwindigkeiten

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Continous Wave Doppler: Winkel zwischen Schallachse und Flussrichtung)

  • muss manuell eingegeben werden
  • ablesbar aus konventionellem B-Bild
  • Alternative
    • Stereo-Messkopf

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Continous Wave Doppler: Dopplerfrequenzen)

  • Spektrum kann dargestellt werden
    • Geschwindigkeit
  • liegen im hörbaren Bereich
    • Ausgabe auf Kopfhörer möglich

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Pulsed Wave Doppler)

  • PW-Doppler
  • Tiefeninformation verfügbar
  • Echo eines Sendeimpulses wird nach vorgeählter Verzögerungszeit durchgelassen
    • gewähltes Tiefenfenster

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Pulsed Wave Doppler: nach Mischen mit Referenzoszillation und Tiefpass)

  • Stücke von cos(∆ωt) übrig
  • bei Einhaltung des Abtasttheorems
    • Rekonstruktion des kontinuierlichen cos(∆ωt) möglich

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Pulsed Wave Doppler: Mischen mit Referenzoszillation)

  • Vorzeichen der Flussrichtung nicht ohne Weiteres erkennbar
    • geht mit Quadraturdetektion

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Abtasttheorem: Voraussetzung)


  • \(\nu_{\text{Abtast}} \ge! 2\nu_{\max}\)
  • statt \(\nu_{\max}\) eigentlich Bandbreite \(B = \nu_{\max}-\nu_{\min}\)

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Abtasttheorem)

Frequenzmodulierte Signale liegen in schmalem Bereich um Trägerfrequenz

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Abtasttheorem: Idee)

  • Lücke zwischen nu = 0 und numin kann Kopien aus Wiederholung des Ausgangssignal-Spektrums aufnehmen
  • keine Überlappung
    • erst wenn 2B > nuAbtast

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Quadrature Demodulation)

  • ∆ω > 0
    • Positive Doppler Shift
    • A ei∆ωt
  • ∆ω < 0
    • Negative Doppler Shift
    • A e-i∆ωt

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Zusammenfassung)

  • PW-Doppler kann Tiefe des fließenden Blutes bestimmen
  • Pulse länger als bei B-Bildgebung
    • in jedem Puls muss CW- Verfahren angewendet werden
  • genauere Version Abtasttheorem
    • kein Aliasing
    • Dopplerband muss schmal genug sein

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Best Delay)

  • bedeutet best. Tiefe
    • wie in B-Bild
  • fließende Reflektoren
    • Zeitsegment auswählen

Ultraschall:

Bildgebung: Doppler

(Segmente)

Samples des gesamten Signals

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