Diffusionsgewichtete Boldgebung
Bewegungen der Wassermoleküle: Vaskularität und Perfusion tragen durch intravasale Wasserdiffusion zum MRT-Signal bei.
- Isotope und anisotrope Diffusion
- Bloch-Torrey-Gleichungen: Bloch mit Zusatzterme mit D
- mit T2-Spinecho-Sequenz: 90°—> Gradpuls —> 180° —> Gradpuls
- SIgnalabschwächung abhängig von Diffusionsgewichtung (b-Wert): Signalabschwächung bei starker Diffusionswichtung und großer Molekülbewegung
- ADC-Map und T2 gewichtete Bilder
Diffusion-Tensor-Bildgebung
- Modifikation der DWI-Technik
- Erfassung der Vorzugsrichtung der Diffusion, die Verlauf der Fasern wiederspiegelt
- Diffusionstensor: für genaue math. Charakterisierung der anisotropen Diffusion
- Tensor: math. Fkt., die eine bestimmte Anzahl von Vektoren auf einen Zahlenwert abbildet
-Diffusionstensor: beschreibt Diffusionsstärke in sämtlichen Richtungen (3D):
Hauptdiffusionsrichtung veranschaulicht mit Ellipsoid: Vektor der Hauptachse mit größtem EW
- Tracer-Bilder: Nachweis verringerte Diffusionsstärke
- FA(nisotropie)-Bilder (Maß für Gerichtetheit)
- DTI-Traktografie: 3D Verlauf größerer Nervenfaserbündel, aber Problem mit „crossing Fibers“ und Rauschen
Q-Space-Imaging
- Darstellung der Diffusion, die überkreuzende Fasern darstellen kann.
- Nutzt Fourier-Beziehung zwischen beobachteter Signaldämpfung und Diffusionspropagator (höhe, Breite, Abweichung von Normalverteilung —> Rückschlüsse auf Gewebe)
Iterative Bildrekonstruktion - ART
Verfahren mit strahlweiser Korrektur
- Infos von einer Strahlsumme
- Korrektur der Objektpixel, die einen Beitrag zu dem entsprechenden Projektionspixel geleistet haben.
- Bestimmung der nächsten Strahlensumme
—> Strahl-für-Strahl-Rekonstruktionsverfahren
Iterative Bildrekonstruktion - SART
- Ermöglicht gleichzeitige Berücksichtigung jeder Projektion in jeder Iteration
- Beseitigung der Fehleranfälligkeiten der Rekonstruktion in jeder Projektion
Iterative Bildrekonstruktion - MLEM - CT
- statistisches Schätzverfahren
- Rekonstruierte Bild basiert auf gemessenen Quanten und deren Verteilung
- insbesondere für geringe Quantendichte auf Detektoren
—> wahrscheinlichste Abschwächungskoeffizienten herausfinden —> iterative Maximierung (Optimierung) der Log-Likelyhood Fkt.
- Oft Regulierung zur Stabilisierung nötig (Stoppkriterium)
- Fixpunktiteration
Iterative Bildrekonstruktion - Ordered Subset Reconstruction
- Lösung für das Problem der vielen Iterationsschritte bei iterative Algos.
- Aufteilung gemessener Projektionen in Teilabschnitte (Subsets)
- Verkürzung der Rekonstruktionsdauer
Iterative Bildrekonstruktion
- Durch verbesserte technische Möglichkeiten werden iterative Rekonstruktionsverfahren wie algebraische oder statistische Methoden wieder bedeutsamer.
- Je mehr Iterationen, desto besser das Ergebnis aber auch desto langsamer die Rekonstruktionszeit.
- Unterschiedliche Methoden zur Beschleunigung der Rekonstruktionszeit bzw. der Verringerung der Iterationen
Artefaktreduktion CT - Artefakt-Ursachen
Bewegung: inkonsistente Daten —> Fixierungsstäbe,…
Aliasing: Verletzung des Abtasttheorem ( Anzahl Detektorelemente > (2*Breite FOV/kleinster Durchmesser Objekt)
(Quanten)Rauschen: Reduktion durch Erhöhung der Stromstärke
Streuungsartefakte: durch Comptoneffekt auf Detektor —> Kollimator verbesserts
Strahlaufhärtung: durch polychromatische Energiespektren
- eine Veränderung von Röntgenstrahlung beim Durchdringen von Marterie. Mit zunehmender Durchdringtiefe erhöht sich durchschnittliche Energie (Härte) der Photonen, weil die härteren Photonen weniger strack gestreut werden —> Verschiebung des Spektrums zu höheren Energien
Partialvolumenartefakte: durch Strahlaufweitung?
Metallartefakte: durch Kombi der versch. Artefakte, Größe ist abhängig von Legierung, Form,…
Artefaktreduktion CT - Strategien
- lineare Interpolation: Lokalisierung von Metall über Schwellenwertbestimmung
→ „Metallbild“ aus der Projektion - Bildrekonstruktion nach der Interpolation
-iterative Metallartefaktkorrektur: MaxLikelyhood mit MAP (mit Nachbarschaft), IMPACT(Prävention von Strahlverhärtung):
Modelle: Anzahl der transmittierten Röntgenquanten unterliegt der Poissonstatistik und Prior-Wissen mit Hilfe der Gibbs Verteilung
- NMAR und FSMAR (MAR: Metallartefaktreduktion) in Kombination:
—> Metallnahe Strukturen bedeckt von Artefakten, die tiefe Frequenzanteile haben
—> Kombination der Hochpassfilterung des Originals mit tiefen Frequenzen eines korrigierten Bildes - wenig Rechenaufwand (Zeitersparnis), Effektiv, in klinischen CT-Scannern
Korrekturverfahren in Emissionstomografie
- Schwächung durch Wechselwirkung im Gewebe —> Schwächungskorrektur klinisch notwendig —> Transmissionsmessung mit kombinierten Geräten (PET/CT)
• Ursprung der Streuung zu berücksichtigen • Explizite Verfahren wirkungsvoller: − Entfaltung/Faltung − Energiefenster − Transmissionsdaten − Iterative Rekonstruktionsverfahren
Partial-Volumen-Effekt —> Begrenzung der Auflösung: physikalisch:
1.)Nicht-Kollinearität von Photonen (PET), Streuung, statistische Fluktuationen
• instrumental: Eigenschaften der Szintillatoren, Kollimatoren (SPECT)
• methodisch: Sampling -> Pixel-/Voxel-Größe
Korrektur:
− Bild als Faltung mit PSF
− Korrektur durch Phantom-Messungen für gut zu modellierende Objekte
− Korrektur unter Verwendung von CT/MRT-Segmentierungen -> pixel-basiert, GTM
Bildgebung in Hadronentherapie - Allgemein
Wechselwirkungen: Licht mit Materie
Und zwischen geladenen Teilchen und Materie
- Ionentherapie
- Hadronen: subatomare Teilchen (Neutronen und Protonen, nicht Elektronen), auf die die starke WW wirkt
- Für Therapie zur Bestrahlung Protonen und ionisierte Atomkerne (keine Neutronen, da sie ungeladen sind): Protonen, Helium-Ionen und Kohlenstoffionen (beschleunigt in Zyklotron—>teuer)
- geladene Teilchen haben viele WW (anders als Photonen) bevor zum Stillstand
- Tiefe bestimmt WW-Anzahl der geladenen Teilchen (Bragg-Peak an bestimmter Tiefe (Tiefe ist Dosisabhängig))
-Reichweitenbestimmung indirekt (MRT,PET,…) und direkt (mit Compton Kamera, PET)
Wechselwirkungen
- Photoelektrische Effekt: Anregung eines Elektrons durch Absorptiondes Photons, dominant bei niedrigen Photoenergien
- Compton-Streuung:
Photon streut am Elektron und Elektron wird angeregt/ionisiert, dominant im Weichteilgewebe - Paarbildung:
Elektronen-Positronen-Paar im Coulombfeld des Kerns, Photonenergie muss sehr hoch sein - klassische Streuung:
Gesamtes Atom nimmt Rückstoß des Photon auf —> kollektive Schwingung der Elektronen in Hülle —-> Energie Wird wieder vollständig abgestrahlt in einem Winkel - Kernphotoeffekt/Fluoreszenz:
Analog zu Photoeffekt, aber mit Atomkern: Abregung des Kerns durch EmissionPhoton oder Bestandteilen des Kern, erst bei mehreren MeV
Coulomb(elektrische Felder) WW- zwischen geladenen Teilchen und Materie (manchmal Abbremsung?)
- Elastische Streuung
- Anregung/Ionisation von Hüllenelektronen (harter Stoß mit Stoßdurchmesser=Atomdurchmesser
- Elastische Coulombstreuung: Stoßdurchmesser
