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Bildgebendes Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Ein bildgebendes Verfahren erzeugt aus Messgrößen eines realen Objektes ein Abbild, wobei die Messgröße oder eine daraus abgeleitete Information ortsaufgelöst und über Farben oder Helligkeitswerte kodiert visualisiert wird.
Der Begriff bildgebendes Verfahren ist in der Medizin weit verbreitet und wird hier meist mit folgender Bedeutung genutzt: "Oberbegriff für verschiedene Diagnostikmethoden, die Aufnahmen aus dem Körperinneren liefern".[1] [2]
Bildgebende Verfahren finden darüber hinaus in nahezu allen naturwissenschaftlichen Bereichen (Archäologie, Materialprüfung, Erderkundung, ...) Anwendung.
Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das ältest und gleichzeitig einfachste bildgebende Verfahren ist die Lochkamera. Sie wurde bereits am Ende des 13. Jahrhunderts von Astronomen zur Beobachtung der Sonnenflecken verwendet.[3] Als Messgröße wird hier, wie bei allen fotografischen Verfahren, das vom Objekt ausgesendte Licht verwendet. Dieses Licht erzeugt auf der Rückseite der Kamera ein Abbild des Objektes. In diesem als latent (flüchtig) vorliegenden Abbild erkennt man die Helligkeit und die Farbe des Objektes ortsaufgelöst. Im Gegensatz zum realen Bild ist es jedoch auf eine zweidimensionale Darstellung (Ebene) reduziert. Maler in der Zeit von Leonardo da Vinci nutzten die Lochkamera als Zeichenhilfe zur detailgenauen Abbildung der Wirklichkeit. Dieses war zur damaligen Zeit die einizige Möglichkeit ein Bild dauerhaft zu erhalten.
Fernrohr und Mikroskop sind weitere bildgebenden Verfahren deren Entwicklungen um 1600 stattfanden. Obwohl auch diese beiden Verfahren Farbe und Helligkeit von Objekten darstellen, erlauben sie die Visualisierung von Dingen, die ohne diese Verfahren nicht sichtbar wären. Durch die Erfindung der photografischen Platte durch Joseph Nicéphore Nièpce im Jahre 1826 konnte eine direkte Umsetzung des Abbildes als dauerhaftes Foto erreicht werden.
Wilhelm Conrad Röntgen erkannte 1895, dass die nach ihm benannte Röntgenstrahlung imstande ist, auch für den Menschen undurchsichtige Materie zu durchdringen[4]. Eine Röntgenquelle schwärzte Fotopapier, obwohl dieses lichtdicht verpackte war. Außerdem entdeckte er, dass verschiedene Materialien die Strahlung unterschiedlich stark schwächen. Die Grundlagen der Röntgentechnik waren gelegt und das erste Röntgenbild von der Hand seiner Gattin Anna Bertha wurde aufgenommen. Auf diesem Bild ist nicht der visuelle Eindruck der Hand wiedergegeben, sondern eine andere Messgröße, nämlich die Dichte oder Materialverteilung im Inneren der Hand. Im Abbild der Hand erscheinen die dichteren Knochen und der Ring dunkel, während das Gewebe nahezu ungehindert durchstrahlt wird.
Ein weiterer großer Meilenstein in der Geschichte der bildgebenden Verfahren war die Erfindung der Elektronenröhre, die als Basis der elektronischer Signalverarbeitung angesehen werden kann. Diese ermöglichte die Nutzung vieler neuer Messgrößen. Etwa zeitgleich wurde auch die Bildröhre entwickelt, die nun auch bewegte Bilder darstellen konnte. Der zeilenweise Aufbau des Bildes in der Bldröhre wurde zum Teil auch im Bereich der Messdatenerfassung verwendet. Die sequentiellen Abrasterung des Objekts findet man auch heute noch im Prinzip des Rasterelektronenmikroskops verwirklicht. Beim CCD-Sensor werden die Lichtsignale zwar parallel aufgenommen, aber sequenziell ausgelesen.
Die weitreichensten Veränderungen der bildgebenden Verfahren wurden jedoch von den zunehmend leistungsfähigeren Computern initiiert. Mit ihnen ist es möglich komplexe Berechnungen in kürzester Zeit durchzuführen. Dieses ist Voraussetzung für Rekonstruktionsberechnungen im Bereich tomographischer Verfahren und die Berechnung von Schnittebenen oder von 3D-Darstellungen.
Grundprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Zuerst werden an einem realen Objekt die zu untersuchenden Messgrößen ortsaufgelöst gemessen. Je nach Messgröße erfolgt zusätzlich eine Weiterverarbeitung oder Auswertung des Signals, bis die Information ortsaufgelöst vorliegt. Die Information wird dann als Abbild des realen Objektes in Form von Helligkeiten oder Falschfarben kodiert dargestellt. Die Art der Darstellung hängt vom verwendeten Verfahren, dem Objekt und der Fragestellung ab.
Objekte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Objekte können sehr kleine Proben sein (z.B. zur Analyse mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden der Werkstoffwissenschaften), Lebewesen oder Teile davon (z.B. Sonografie oder Tomografie in der medizinischen Diagnostik), ganze Landschaften (z.B. Echolot, oder Synthetic Aperture Radar in der Navigation oder Fernerkundung) oder sogar Teile außerhalb unseres Sonnensystems (Radioteleskope zur Erforschung anderer Galaxien in der Astronomie).
Messgrößen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Messgröße entscheidet, welche Eigenschaft des Objektes untersucht werden soll. Die folgende Tabelle soll keine vollständige Abbildung der bildgebenden Verfahren darstellen, sondern exemplarisch einen Eindruck über die Vielfältigkeit der möglichen Messgrößen geben sowie aufzeigen, dass diese in sehr verschiedenen Bereichen Anwendungen finden.
| Messgröße | Information | Messverfahren die diese Messgröße nutzen | Anwendungsbeispiele |
|---|---|---|---|
| Licht | Aussehens und Farbe eines Objektes | Mikroskopie, Endoskopie, Teleskop | Fotografie, Astronomie, Werkstoffwissenschaften, ... |
| Absorption von Röntgenstrahlung | Materialdichte und -verteilung im Inneren | Röntgendiagnostik, Computertomografie (CT) | Medizintechnik, Gepäckkontrolle am Flughafen, Kunstwissenschaft, ... |
| Energie von Röntgenstrahlung | Materialzusammensetzung | Elementverteilungsbilder mit Röntgenspektroskopie (EDX, WDX) | chemische Analytik, Kriminalistik, ... |
| Streuung von Ultraschall | Materialdichte und -verteilung im Inneren | Sonografie | Medizintechnik, Schweißnahuntersuchungen, ... |
| Kernspin im Magnetfeld | Dichte und lokale Umgebungsbedingungen von Wasserstoffatomen | Kernspinntomografie (MRT, MRI) | Medizintechnik, Archäologie an Mumien, ... |
| IR-Strahlung | Temperaturverteilung an der Oberfläche | Thermografie | Wärembilder von Gebäuden, Auffinden von Brandherden (Feuerwehr), ... |
| Radarstrahlung | Phasenverschiebungen im Radarecho | Synthetic Aperture Radar (SAR), Real Aperture Radar (RAR) | Erderkundungs- und Aufklärungszwecke, Navigation, ... |
| Emission von radioaktiven Kontrastmitteln | Kontrastierung von Transportbahen im Körper | nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) | Medizintechnik, Stoffwechselaktivität, ... |
| Ionenmasse | Materialzusammensetzung | Ionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) | chemische Oberflächenanalytik |
| ... |
Bilddarstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Wie bereits im Abschnitt Geschichte dargestellt, stehen für die Bildvisualisierung von bildgebenden Verfahren verschiedene Medien zur Verfügung. Das Abbild des Objektes kann z.B. dauerhaft in Form eines Films, Fotos oder Ausdrucks festgehalten oder als flüchtige Darstellung durch Projektion, Bildschirmdarstellung angezeigt werden.
Unabhängig vom Ausgabemedium gibt es verschiedene Arten von Darstellungsmöglichkeiten der gemessenen bzw. daraus errechneten Information. Dieses gilt vorallem, wenn
- ein Signal verschiedene Informationen enthält und somit unterschiedlich ausgewertet werden kann,
- mehrere Signale gleichzeitig mit einem Verfahren gemessen wurden,
- die Daten als kompletter 3D-Datensatz vorliegen.
Speziell im Fall eines 3D-Datensatzes werden häufig Schnittbilder oder Schnittbildserien des Körpers errechnet. Die Orientierung der Schnittbildebene und die Position sind dabei meist freiwählbar. Im Gegensatz zu einem Projektionsverfahren wie der Durchstrahlung eines Körpers können so gezielt Details von oberhalb oder unterhalb der interessierenden Schicht befindlichen Informationen ausgeblendet werden. Im unteren Beispiel wurde durch die Technik der Schnittebene die störende Information der Rippen entfernt. Teilweise werden für die Diagnose oder Auswertung auch 3D-Rekonstruktionen erstellt, die sich beliebig im Raum orientieren lassen und Anblicke von allen Seiten erlauben.
-
Messgerät zur Computertomografie (CT) in der Medizin -
3D-Rekonstruktion der stark absorbierenden Materialien (Knochen) -
Schnittbild in Körperlängsachse (Vorderansicht) -
horizontales Schnittbild des Körpers
Eine Darstellung der Ergbnisse in Form von Messbalken oder Spektren entspricht nicht der Definition eines bildgebenden Verfahrens, da die Information nicht ortsaufgelöst in Relation zum untersuchten Objekt dargestellt wird.
Fotografie als bildgebendes Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das bildgebende Verfahren der Fotografie arbeitet größtenteils mit Licht und adaptiert die Funktionsweise des menschlichen Auges.[5] Im analogen Verfahren wird mit Hilfe optischer Vorgänge ein Lichtbild auf ein lichtempfindliches Medium projiziert und dort direkt und dauerhaft gespeichert. In der digitalen Variante werden Bildinformationen in elektronische Daten umgewandelt. Das Bild entspricht der optischen Wahrnehmung des Menchen, wenngleich durch Bildkomposition und Beleuchtung bestimmte Eindrücke des fotografierten Objektes erzeugt werden, die Raum für Manipulationen des Betrachters lassen.[5]
Bildgebende Verfahren in der Medizintechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
In der Medizin wird meist eine andere Definition für bildgebendes Verfahren verwendet: "Oberbegriff für verschiedene Diagnostikmethoden, die Aufnahmen aus dem Körperinneren liefern" (Roche Lexikon Medizin)
Bildgebende Verfahren in der Wissenschaft und Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Auswertung von elektromagnetischer Strahlung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Je nach Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung erhält man unterschiedliche Informationen des Objektes:
Extrem kurzwellige Strahlung (Gamma- oder Röntgenstrahlung) durchdringt die meisten Materialien in einem Bauteil. Dadurch können innere Strukturen und Fehlstellen sichtbar gemacht werden. Anwendungen sind z.B. Röntgenbilder oder die Computertomografie, die auch in der Werkstoffprüfung immer häufiger eingesetzt werden. Dieses kann z.B. im Rahmen einer Schadensanalyse oder der Qualitätssicherung erfolgen.
Das sichtbare Spektrum (Licht) kann direkt zur Abbildung bei bildgebenden Verfahren eingesetzt werden. Typische optische Verfahren sind die Fotografie oder die Lichtmikroskopie. Bei Beleuchtung des Bauteils mit UV-Licht können über Fluoreszenzeffekte jedoch auch Materialunterschiede visualisiert werden, die bei normaler Beleuchtung und mit dem bloßen Auge nicht erkennbar wären. Durch den Einsatz von Lasern (Laserscanning) oder durch Streifenprojektionsverfahren ist es jedoch auch möglich, die 3D-Struktur eines Gegenstandes zu vermessen. Werden die Messergebnisse anschließend als Bild dargestellt, kann man auch hier von bildgebenden Verfahren sprechen.
Infrarotstrahlung (IR) kann in der Thermografie zur Darstellung der Wärmeverteilungen auf der Oberfläche genutzt werden. Im Rahmen einer Gebäudethermografie können Schwachstellen in der Isolierung oder Feuchtigkeit in Wänden nachgewiesen werden. Im industriellen Bereich wird die Thermografie aber auch genutzt um Prozesse zu analysieren oder zu Überwachen. Daneben kann die Infrarotstrahlung aber auch spektroskopisch ausgewertet werden. Die dabei entstehenden Informationen geben Hinweise z.B. über die Art von organischen Verbindungen. Stellt man das detektierte Signal ortsaufgelöst in einem Bild dar, so erhält man ein Abbild des Objektes, das die Materialverteilung visualisiert.
Bei der an die IR-Strahlung anschließende Terahertzstrahlung wurde festgestellt, dass diese Kleidung nahezu ungeschwächt durchdringt, von Metallen oder Wasser jedoch stark absorbiert wird. Daher werden Systeme mit dieser Technik auch an manchen Flughäfen zur Personenkontrolle eingesetzt. Dieses Verfahren ging unter dem Begriff 'Nacktscanner' durch die Medien und ist bis jetzt in Deutschland nicht im Gebrauch. Die Terahertzstrahlung, wie auch Strahlung im anschließenden Mikrowellenbereich werden in der Radioastronomie zur Erkundung des Weltraums eingesetzt.
Radarstrahlung wird im militärischen Bereich, aber auch zur Erderkundung verwendet.
Analyse von Materiestrahlung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
REM FIB TOF-SIMS
Abtastung von Oberflächen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Rastersondenmikroskopie
Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
- ↑ Roche Lexikon Medizin, Urban & Fischer Verlag, München ISBN 978-3437151804
- ↑ Bildgebende Verfahren in der Medizin, Präsentation Hochschule für Technik und Wirtschaft, Saarbrücken
- ↑ http://www.optikur.de/gesundheit/diagnose/bildgebend/ Geschichte der bildgebenden Verfahren
- ↑ http://xfelinfo.desy.de/de/artikel.roentgenlicht-entdeckung/1/index.html Entdeckung der Röntgenstrahlung
- ↑ a b http://spaces.kisd.de/bildseminar/2008/08/02/visuelle-argumentation-das-bild-in-der-wissenschaft/ Köln International School of Design
[[Kategorie:bildgebendes Verfahren]]
Medical imaging, chemical imaging, Scanning accustic microscopy SAM http://books.google.de/books?id=vuLkQNBDLQgC&pg=PA17&dq=Scanning+Acoustic+Microscopy&lr=lang_de&as_brr=3
Analyse von Materiestrahlung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Auswertung von Materiestrahlung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Rasterelektronenmikroskopie nutzt für die Bildgebung Elektronen, die von der Probe ausgesendet werden. Je nach Art der Auswertung erhält man Bilder, welche die Oberflächenform oder die Materialverteilung im untersuchten Objektes darstellen. Beim Focused Ion Beam werden hingegen Ionen für die Abbildung der Oberfläche verwendet.
Wertet man die Masse der von der Probe ausgesendeten Ionen massenspektrometrisch aus, so kann man auch die Verteilung von den entsprechenden Verbindungen als Bild darstellen. Alle Verfahren, die Materiestrahlung auswerten arbeiten sehr oberflächenempfindlich.