Bildgebende Verfahren
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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 Anwendung in nahezu allen naturwissenschaftlichen Bereichen (Archäologie, Materialprüfung, Erderkundung, …).

Beispiel eines bildgebenden Verfahrens: Wärmebild einer Kaffeemaschine (links) und untersuchtes Objekt (rechts). Dargestellt ist die Verteilung der Messgröße Temperatur am Objekt. Sie wurde über eine Falschfarbendarstellung kodiert und ist in der Legende (Mitte) erklärt.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Das älteste 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 ausgesendete 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 einzige Möglichkeit ein Bild dauerhaft zu erhalten.

Fernrohr und Mikroskop sind weitere bildgebende 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 elektronischen 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 Bildröhre wurde zum Teil auch im Bereich der Messdatenerfassung verwendet. Die sequentielle 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 weitest reichenden 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

Grundprinzip eines bildgebenden Verfahrens

Ein bildgebendes Verfahren misst physikalische Größen eines realen Objektes. Je nach Verfahren und Signalart erfolgt eine zusätzliche Weiterverarbeitung oder Auswertung der Messwerte, bis die Informationen in der gewünschten Form vorliegen. Sie werden ortsaufgelöst als Abbild des Objektes dargestellt. Die Informationsdarstellung erfolgt als Helligkeitswerte oder kodiert über Falschfarben. Die Art der Darstellung hängt vom verwendeten Verfahren, dem Objekt und der Fragestellung ab.

Objekte

Die untersuchten Objekte können sehr kleine Proben sein (z. B. zur Analyse mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden in der Materialprüfung), Lebewesen oder Teile davon (z. B. Sonografie oder Tomografie in der medizinischen Diagnostik), ganze Landschaften (z. B. Synthetic Aperture Radar in der Navigation oder Fernerkundung) oder sogar Teile außerhalb unseres Sonnensystems (z. B. Radioteleskope zur Erforschung anderer Galaxien in der Astronomie).

Messgrößen

Die Messgröße entscheidet, welche Eigenschaft des Objektes untersucht werden soll. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Messgrößen unterschiedlicher bildgebender Verfahren.

Messgröße Information Messverfahren die diese Messgröße nutzen Anwendungsbeispiele
Licht Äußere Gestalt, Farbe, Absorption, Transmission, Polarisation Mikroskopie, Endoskopie, Teleskop Astronomie, Materialwissenschaft
Absorption von Röntgenstrahlung Materialdichte und -verteilung im Inneren Röntgendiagnostik, Computertomografie (CT) Medizin, 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 Medizin, Schweißnahtuntersuchungen
Kernspin im Magnetfeld Dichte und lokale Umgebungsbedingungen von Atomen Magnetresonanztomographie (MRT, MRI) Medizin, Archäologie an Mumien
IR-Strahlung Temperaturverteilung an der Oberfläche Thermografie Wärmebilder 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 Strukturen im Körper nuklearmedizinische Verfahren (SPECT, PET) Medizin, Stoffwechselaktivität
Ionenmasse Materialzusammensetzung Massenspektrometrie (SIMS) chemische Oberflächenanalytik

Bilddarstellung

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 vor allem, wenn

  • ein Messsignal verschiedene Informationen enthält und somit unterschiedlich ausgewertet werden kann,
  • bei einem Verfahren mehrere Signale gleichzeitig 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 frei wählbar. Im Gegensatz zu einem Projektionsverfahren wie der Durchstrahlung eines Körpers können so gezielt Details oberhalb oder unterhalb der interessierenden Schicht 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.

Eine Darstellung der Ergebnisse 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

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 Menschen, wenngleich durch Bildkomposition und Beleuchtung bestimmte Eindrücke des fotografierten Objektes erzeugt werden, die Raum für Manipulationen des Betrachters lassen.[5]

Bildgebende Verfahren in der Medizin

Hauptartikel: Bildgebendes Verfahren (Medizin)

In der Medizin wird meist eine andere Definition für bildgebendes Verfahren verwendet: „Oberbegriff für verschiedene Diagnostikmethoden, die Aufnahmen aus dem Körperinneren liefern.“[1]

Bildgebende Verfahren in der Wissenschaft und Technik

Auswertung von elektromagnetischer Strahlung


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 Oberflächen 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. Weiterhin kann die Infrarotstrahlung aber auch spektroskopisch ausgewertet werden (Infrarotspektroskopie). Dabei wird die Absorption von Infrarotstrahlung durch Molekülschwingungen gemessen, diese Informationen können genutzt werden um chemische Reaktionen sichtbar zu machen und geben Hinweise für die Strukturaufklärung beispielsweise von organischen Verbindungen. Stellt man das detektierte Signal ortsaufgelöst für bestimmte Wellenlängen in einem Bild dar, so kann bei entsprechender Wahl der dargestellten Schwingungsbanden eine Materialverteilung im Objekt visualisiert werden.[6]

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.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. a b Roche Lexikon Medizin. Urban & Fischer Verlag, München, ISBN 978-3-437-15180-4.
  2. Bildgebende Verfahren in der Medizin, Präsentation Hochschule für Technik und Wirtschaft, Saarbrücken
  3. Geschichte der bildgebenden Verfahren
  4. http://xfelinfo.desy.de/de/artikel.roentgenlicht-entdeckung/1/index.html Entdeckung der Röntgenstrahlung
  5. a b http://spaces.kisd.de/bildseminar/2008/08/02/visuelle-argumentation-das-bild-in-der-wissenschaft/ Köln International School of Design
  6. Beispielbild aus S. Figure, S. F. Legends: Promotion of prostatic metastatic migration towards human bone marrow stoma by Omega 6 and its inhibition by Omega 3 PUFAs. In: British Journal of Cancer. 94, 2006, S. 842-853. 

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