Radiologische Physik

Die medizinische Bildgebung basiert auf grundlegenden physikalischen und mathematischen Prinzipien der Signalentstehung, Signalverarbeitung und Bildrekonstruktion. Diese Konzepte sind modalitätsübergreifend und finden Anwendung in der Röntgendiagnostik, der Computertomographie (CT), der Magnetresonanztomographie (MRT) sowie der Sonographie. Zu den wichtigsten Grundlagen gehören die Beschreibung der Abschwächung physikalischer Signale in Materie, die digitale Signalverarbeitung sowie Kenngrößen zur Bewertung der Bildqualität.

In vielen bildgebenden Verfahren wird ein physikalisches Signal (z.B. Röntgenstrahlung oder Ultraschall) beim Durchgang durch Materie abgeschwächt. Die quantitative Beschreibung dieser Abschwächung bildet die Grundlage der Bildentstehung in der Projektionsradiographie und der Computertomographie. Wichtige Begriffe sind:

• Strahlenschwächung
• Lambert-Beer-Gesetz
• Linearer Schwächungskoeffizient
• Massenschwächungskoeffizient
• Halbwertsschicht

Jedes medizinische Bild enthält neben dem eigentlichen Signal auch statistische Schwankungen, die als "Rauschen" bezeichnet werden. Das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Rauschen bestimmt maßgeblich die diagnostische Bildqualität. Wichtige Kenngrößen sind:

• Bildrauschen, Quantenrauschen
• Signal-Rausch-Verhältnis
• Kontrast-Rausch-Verhältnis
• Dynamikbereich (Radiologie)

Moderne bildgebende Verfahren arbeiten mit digitalen Detektoren und digitaler Bildverarbeitung. Dabei werden analoge Signale in diskrete digitale Werte überführt. Zentrale Konzepte sind:

• Digitalisierung (Signalverarbeitung)
• Abtastung (Signalverarbeitung)
• Nyquist-Kriterium
• Aliasing
• Quantisierung (Signalverarbeitung)
• Grauwertauflösung
• Bit-Tiefe
• Quantisierungsrauschen

Diese Prinzipien bestimmen unter anderem die maximale darstellbare Ortsauflösung und können bei falscher Abtastung zu Artefakten führen.

Viele bildgebende Verfahren, insbesondere die Computertomographie und die Magnetresonanztomographie, erzeugen Bilder nicht direkt, sondern rekonstruieren sie aus Messdaten mithilfe mathematischer Verfahren. Wichtige mathematische Konzepte sind:

• Bildrekonstruktion
• Radon-Transformation
• Fourier-Transformation
• Faltung (Signalverarbeitung)
• Filter (Signalverarbeitung)

Die Fähigkeit eines Bildgebungssystems, feine Strukturen darzustellen, wird durch verschiedene physikalische Kenngrößen beschrieben. Wichtige Begriffe sind:

• Ortsauflösung
• Kontrastauflösung
• Punktspreizfunktion
• Modulationsübertragungsfunktion
• Detective Quantum Efficiency

Diese Parameter beschreiben, wie gut ein Bildgebungssystem Kontrast und räumliche Details übertragen kann.

Digitale medizinische Bilder bestehen aus diskreten Bildelementen. Wichtige Begriffe sind:

• Pixel
• Voxel
• Bildmatrix

Die Größe dieser Elemente bestimmt zusammen mit der Abtastung die erreichbare räumliche Auflösung eines Bildes.

Die Röntgenphysik beschreibt die physikalischen Eigenschaften der Röntgenstrahlung, ihre Entstehung in der Röntgenröhre sowie ihre Wechselwirkungen mit Materie. Diese Prozesse bilden die Grundlage der Bildentstehung in der Projektionsradiographie, der Durchleuchtung und der Computertomographie.

Röntgenstrahlung ist eine Form ionisierender elektromagnetischer Strahlung mit hoher Photonenergie und kurzer Wellenlänge. Wichtige Begriffe sind:

• Röntgenstrahlung
• Röntgenphoton
• Photonenergie

Röntgenstrahlung entsteht in der Röntgenröhre durch Beschleunigung von Elektronen und deren Abbremsung im Anodenmaterial.

• Röntgenröhre
• Kathode
• Anode
• Thermoemission
• Brennfleck

Die in der Röntgenröhre erzeugte Strahlung besitzt ein charakteristisches Energiespektrum, das sich aus kontinuierlicher und diskreter Strahlung zusammensetzt.

• Coulomb-Feld
• Röntgenspektrum
• Bremsstrahlung
• charakteristische Röntgenstrahlung
• Grenzwellenlänge

Beim Durchgang durch Materie wechselwirken Röntgenphotonen mit Atomen und Elektronen. Diese Prozesse bestimmen die Abschwächung der Strahlung und damit den Bildkontrast.

• Ionisation
• Photoeffekt
• Compton-Effekt
• Rayleigh-Streuung
• Paarbildung

Aus den Wechselwirkungen der Strahlung mit Materie ergeben sich weitere physikalische Effekte, die für Bildqualität und Strahlenschutz relevant sind.

• Streustrahlung
• Sekundärelektron
• Fluoreszenz
• Auger-Effekt
• Strahlaufhärtung

Die Röntgentechnik beschreibt den technischen Aufbau von Röntgensystemen sowie die physikalischen und elektrischen Parameter, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlung erforderlich sind. Zentrale Komponenten sind die Röntgenröhre als Strahlungsquelle, der Generator zur Bereitstellung der Hochspannung sowie verschiedene mechanische und elektronische Systeme zur Steuerung und Formung des Strahlenfeldes.

Eine Röntgeneinrichtung besteht aus mehreren technischen Komponenten, die gemeinsam die Erzeugung und Nutzung von Röntgenstrahlung ermöglichen. Zu den wichtigsten Bestandteilen gehören:

• Röntgeneinrichtung
• Generator (Röntgentechnik)
• Röntgenröhre:
  • Kathode, Anode
  • Wehnelt-Zylinder
  • Brennfleck
• Blende (Röntgentechnik)
• Filter (Röntgentechnik)
• Streustrahlenraster
• Röntgentisch
• Stativ (Röntgentechnik)

Die räumliche Verteilung der Röntgenstrahlung wird durch die Geometrie der Röntgenröhre und des Strahlenfeldes bestimmt. Wichtige Begriffe sind:

• Zentralstrahl
• Nutzstrahlenkegel
• Heel-Effekt
• Anodenneigungswinkel
• Fokus-Objekt-Abstand
• Objekt-Detektor-Abstand
• Fokus-Detektor-Abstand
• Kollimation (Röntgen)

Diese Faktoren beeinflussen unter anderem die Strahlenintensität im Strahlenfeld sowie die geometrische Bildschärfe.

Der Betrieb der Röntgenröhre wird durch mehrere elektrische Parameter bestimmt, die die Intensität und Energie der erzeugten Röntgenstrahlung beeinflussen. Wichtige Parameter sind:

• Röhrenspannung
• Röhrenstrom
• Röhrenstrom-Zeit-Produkt, Expositionsparameter (Radiologie)
• Belichtungszeit, Belichtungsautomatik
• Fokusgröße
• Raumladung
• Sättigungsspannung
• Durchgriff (Röntgentechnik)

Die Projektionsradiographie ist das klassische Verfahren der Röntgendiagnostik. Dabei durchdringt ein divergierender Röntgenstrahl den Körper, wird abhängig von Zusammensetzung, Gewebedichte und Ordnungszahl unterschiedlich abgeschwächt und auf einem Detektor als zweidimensionale Projektion registriert. Die Bildentstehung beruht somit auf der unterschiedlichen Schwächung der Röntgenstrahlung entlang des Strahlenwegs.

Die Bildqualität in der Projektionsradiographie wird durch physikalische Eigenschaften der Strahlung sowie durch geometrische Faktoren der Aufnahme bestimmt. Wichtige Begriffe sind:

• Röntgenbild
• Röntgenkontrast
• geometrische Unschärfe
• Vergrößerungsfaktor (Radiologie), Projektionsvergrößerung
• Luftspalttechnik
• Streustrahlenraster
• Streustrahlung

Diese Faktoren bestimmen unter anderem Kontrast, Schärfe und Verzerrung der abgebildeten Strukturen.

Der Röntgendetektor registriert die nach Durchdringung des Körpers verbleibende Röntgenstrahlung und wandelt sie in ein Bildsignal um. Wichtige Begriffe sind:

• Flachdetektor
• Speicherfoliensystem
• Szintillator, Szintillationsdetektor
• Röntgenfilm, Film-Foliensystem
• Verstärkungsfolie

Moderne radiologische Systeme verwenden überwiegend digitale Flachdetektoren.

Neben der klassischen Röntgenaufnahme existieren mehrere spezialisierte Varianten der Projektionsradiographie. Wichtige Verfahren sind:

• Durchleuchtung
• Digitale Subtraktionsangiographie
• Mammographie
• Tomosynthese

Diese Verfahren nutzen modifizierte Aufnahme- und Detektionstechniken zur Darstellung spezifischer anatomischer Strukturen oder funktioneller Prozesse.

Die Computertomographie ist ein tomographisches Röntgenverfahren, bei dem die Abschwächung von Röntgenstrahlung aus vielen unterschiedlichen Projektionen gemessen wird. Aus diesen Messdaten werden mithilfe mathematischer Rekonstruktionsverfahren Schnittbilder des Körpers berechnet. Die CT ermöglicht eine quantitative Darstellung der Gewebedichte und besitzt eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung.

Ein Computertomograph besteht aus einer rotierenden Röntgenröhre und gegenüberliegenden Detektoren, die während der Rotation Projektionsdaten aus vielen Winkeln erfassen. Moderne Systeme arbeiten mit Mehrzeilendetektoren und kontinuierlicher Rotation. Wichtige Begriffe sind:

• Computertomograph
• Detektorarray, CT-Detektor, Detektorzeile
• Fächerstrahlgeometrie, Kegelstrahlgeometrie
• Kollimation (CT)
• Einzeilen-CT, Multidetektor-CT
• Sequenzielle CT, Spiral-CT
• Pitch
• Gantry
• Slip-Ring
• z-Abdeckung (CT)

Diese Komponenten bestimmen die Geschwindigkeit der Datenerfassung sowie die räumliche Abdeckung pro Rotation.

Die gemessenen Projektionsdaten werden mithilfe mathematischer Algorithmen zu Schnittbildern rekonstruiert. Diese Methoden beeinflussen insbesondere Bildrauschen, Artefaktanfälligkeit und Rekonstruktionszeit.

• Projektionsdaten (CT)
• Rekonstruktionsalgorithmus (CT), Sinogramm
• Filtered Back Projection
• Iterative Rekonstruktion

Die CT stellt Gewebe anhand ihrer Röntgenschwächung dar. Diese wird als CT-Zahl ausgedrückt. Wichtige Begriffe sind:

• Hounsfield-Skala
• Voxel
• Matrix (CT)
• Schichtdicke (CT)
• Rotationszeit (CT)
• Dosismodulation (CT)
• Expositionsparameter (Radiologie)
• Rekonstruktionskernel
• Fensterung (Radiologie)

Diese Parameter beeinflussen Kontrast, Bildrauschen und räumliche Auflösung.

Moderne CT-Systeme nutzen zusätzliche physikalische Informationen zur Verbesserung der Bildqualität, zur Materialdifferenzierung und spektralen Bildgebung. Wichtige Begriffe sind:

• Dual-Energy-CT
• Photon-Counting-CT

Eine weitere Besonderheit stellt die Cone-Beam-CT dar.

Technische und physikalische Effekte können zu Bildverzerrungen führen. Wichtige Begriffe sind:

• CT-Artefakt
• Strahlaufhärtungsartefakt
• Metallartefakt
• Bewegungsartefakt
• Partialvolumenartefakt
• Ringartefakt

Die Magnetresonanztomographie ist ein bildgebendes Verfahren, das auf der Kernspinresonanz von Atomkernen in einem starken Magnetfeld beruht. Durch Anregung der Spins mit Hochfrequenzimpulsen und anschließende Messung der Relaxationsprozesse lassen sich Schnittbilder mit hohem Weichteilkontrast erzeugen. Im Gegensatz zur Röntgendiagnostik arbeitet die MRT ohne Ionisierende Strahlung.

Die MRT basiert auf dem Verhalten von Atomkernen mit magnetischem Moment in einem starken Magnetfeld. Wichtige Begriffe sind:

• Kernspin
• magnetisches Moment, Magnetisierung
• B0-Magnetfeld (MRT)
• Boltzmann-Verteilung
• Longitudinalmagnetisierung, Transversalmagnetisierung, Gleichgewichtsmagnetisierung
• Larmorfrequenz
• Präzession
• Rotierendes Bezugssystem
• Hochfrequenzpuls
• Flipwinkel
• Phasenkohärenz
• Signalentstehung (MRT), Free Induction Decay, Bloch-Gleichung

Diese Prozesse beschreiben die Anregung und Bewegung der Spins im Magnetfeld.

Nach der Anregung kehren die Spins in ihren Gleichgewichtszustand zurück. Diese Relaxationsprozesse bestimmen maßgeblich den Bildkontrast. Wichtige Begriffe sind:

• Relaxationszeit
• T1-Relaxation
• T2-Relaxation
• T2*-Relaxation
• Protonendichte
• Magnetische Suszeptibilität
• Repetitionszeit (TR)
• Echozeit (TE)
• Inversionszeit (TI)
• Sättigung (MRT)

Die räumliche Zuordnung der Signale erfolgt durch Gradientenfelder. Wichtige Begriffe sind:

• Ortskodierung (MRT)
• Magnetfeldgradient
• Schichtselektion
• Phasenkodierung
• Frequenzkodierung

Die gemessenen Signale werden im sogenannten k-Raum gespeichert und anschließend in ein Bild transformiert. Wichtige Begriffe sind:

• k-Raum
• Fourier-Transformation
• Parallel Imaging

Die Bildgebung erfolgt durch unterschiedliche Abfolgen von Hochfrequenzimpulsen und Gradienten. Wichtige Sequenztypen sind:

• Spin-Echo-Sequenz
• Turbo-Spin-Echo-Sequenz
• Gradienten-Echo-Sequenz
• Echo-Planar-Imaging
• Inversion-Recovery-Sequenz, STIR-Sequenz, FLAIR-Sequenz
• Steady-State (MRT)
• Dixon-Technik (MRT)

Moderne MRT-Verfahren erlauben funktionelle und quantitative Untersuchungen. Wichtige Begriffe sind:

• Diffusionsbildgebung, b-Wert, Apparent Diffusion Coefficient
• Diffusionstensorbildgebung
• Perfusionsbildgebung (MRT)
• Fett-Wasser-Separation (MRT)
• Magnetresonanzspektroskopie
• MR-Angiographie, TOF-Angiographie, Phasenkontrast-Angiographie, TWIST-Angiographie
• funktionelle Magnetresonanztomographie

• MRT-Artefakt
• Aliasing
• Chemical-Shift-Artefakt
• Suszeptibilitätsartefakt
• Bewegungsartefakt
• Zipper-Artefakt
• Truncation-Artefakt, Gibbs-Artefakt
• Magic-Angle-Artefakt
• EPI-Verzerrung

Ein Magnetresonanztomograph besteht aus einem starken Hauptmagneten, Gradientenspulen und Hochfrequenzspulen. Wichtige Begriffe sind:

• Magnetresonanztomograph
• Hauptmagnet (MRT)
• Gradientenspule
• HF-Spule, Empfangsspule (MRT), Sendespule (MRT)
• Quench
• SAR (MRT)
• Periphere Nervenstimulation (MRT)
• Projektil-Effekt (MRT)
• Implantatsicherheit (MRT)

Diese Systeme bestimmen Bildqualität, Geschwindigkeit der Datenerfassung und Sicherheitsaspekte der Untersuchung.

Die Sonographie ist ein bildgebendes Verfahren, das hochfrequente Ultraschallwellen zur Darstellung von Gewebestrukturen nutzt. Die Ultraschallwellen werden von einem Schallkopf erzeugt, breiten sich im Gewebe aus und werden an Grenzflächen unterschiedlicher akustischer Eigenschaften teilweise reflektiert. Die reflektierten Signale werden registriert und zu einem Bild verarbeitet. Die Sonographie arbeitet ohne Ionisierende Strahlung und ermöglicht eine Echtzeitbildgebung.

Die Sonographie beruht auf der Ausbreitung mechanischer Schallwellen im Gewebe. Wichtige Begriffe sind:

• Ultraschallphysik
• Wellenlänge
• Piezoelektrischer Effekt
• Schallgeschwindigkeit
• Akustische Impedanz
• Reflexion (Ultraschall)
• Brechung (Ultraschall)
• Absorption (Ultraschall)
• Dämpfung (Ultraschall)

Diese Parameter bestimmen Ausbreitung, Reflexion und Abschwächung des Ultraschalls im Gewebe.

Die Ultraschallbildgebung basiert auf der Registrierung der von Gewebegrenzen reflektierten Schallwellen. Wichtige Begriffe sind:

• Schallkopf
• Schallkopffrequenz
• B-Mode
• M-Mode
• A-Mode
• Echogenität
• Fokussierung (Ultraschall)
• Puls-Echo-Verfahren

Diese Faktoren bestimmen räumliche Auflösung und Kontrast des Ultraschallbildes.

Doppler-Verfahren ermöglichen die Darstellung und Quantifizierung von Strömungen, insbesondere des Blutflusses. Wichtige Begriffe sind:

• Doppler-Sonographie
• Doppler-Effekt
• Farbdoppler
• Power-Doppler
• Duplexsonographie
• Aliasing (Doppler-Sonographie)

Verschiedene physikalische Effekte können zu charakteristischen Bildartefakten führen. Wichtige Begriffe sind:

• Ultraschallartefakt
• Schallschatten
• Schallverstärkung
• Reverberation
• Spiegelartefakt
• Nebenkeulen-Artefakt
• Beam-Width-Artefakt

Die diagnostische Sonographie gilt als sehr sicheres Verfahren. Dennoch werden physikalische Sicherheitsparameter überwacht. Wichtige Begriffe sind:

• Thermal Index
• Mechanical Index

Diese Parameter beschreiben potenzielle thermische und mechanische Wirkungen des Ultraschalls im Gewebe.

Die nuklearmedizinische Bildgebung basiert auf der Detektion von Gammastrahlung oder Annihilationsstrahlung, die beim radioaktiven Zerfall von Radionukliden im Körper entsteht. Die Strahlung wird außerhalb des Körpers mit speziellen Detektoren registriert und zur Darstellung physiologischer und metabolischer Prozesse verwendet. In der Radiologie ist die nuklearmedizinische Physik vor allem im Zusammenhang mit Hybridverfahren wie PET/CT oder PET/MRT relevant.

Die nuklearmedizinische Bildgebung nutzt radioaktive Zerfälle zur Erzeugung messbarer Photonen. Wichtige Begriffe sind:

• Radionuklid
• Radioaktiver Zerfall
• Positronenzerfall
• Radiopharmakon
• Tracer-Prinzip
• Halbwertszeit
• Gammastrahlung
• Annihilation

Diese Prozesse bestimmen die Art und Energie der detektierten Strahlung.

Die emittierte Strahlung wird durch Szintillationsdetektoren registriert und in elektrische Signale umgewandelt. Wichtige Begriffe sind:

• Szintillator
• Szintillationsdetektor
• Photomultiplier
• Gamma-Kamera
• Koinzidenzdetektion

In der nuklearmedizinischen Bildgebung werden dreidimensionale Aktivitätsverteilungen rekonstruiert. Wichtige Verfahren sind:

• Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT)
• Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Moderne Systeme kombinieren nuklearmedizinische und radiologische Bildgebung zur simultanen Darstellung von Morphologie und Funktion. Wichtige Begriffe sind:

• Hybridbildgebung
• PET/CT
• PET/MRT
• SPECT/CT

Der Strahlenschutz umfasst alle Maßnahmen zum Schutz von Patienten, Personal und Bevölkerung vor den schädlichen Wirkungen ionisierender Strahlung. Die Dosimetrie beschreibt die physikalischen Größen zur Quantifizierung der Strahlenexposition sowie deren biologische Bewertung. Ziel ist es, die Strahlenexposition unter diagnostisch notwendigen Bedingungen so gering wie möglich zu halten.

Zur Beschreibung der Strahlenexposition werden verschiedene physikalische und biologische Dosisgrößen verwendet. Wichtige Begriffe sind:

• Energiedosis, Dosisleistung
• Kerma, Luftkerma
• Strahlungswichtungsfaktor
• Gewebewichtungsfaktor
• Äquivalentdosis
• Effektive Dosis

Diese Größen unterscheiden zwischen der physikalisch absorbierten Energie und der biologischen Wirkung der Strahlung.

In der diagnostischen Radiologie werden spezielle Dosisparameter zur Abschätzung der Patientenexposition verwendet. Wichtige Begriffe sind:

• CT-Dosimetrie: CTDI, CTDIvol, Dosislängenprodukt (DLP)
• Projektionsradiographie: Eingangsdosis (Radiologie), Dosisflächenprodukt (DAP)
• Dosimeter

Diese Parameter dienen der Qualitätssicherung und Dosisüberwachung in der klinischen Praxis.

Ionisierende Strahlung kann molekulare und zelluläre Schäden verursachen. Wichtige Begriffe sind:

• Strahlenbiologie
• Relative biologische Wirksamkeit (RBW)
• Strahlenempfindlichkeit
• Strahlenrisiko
• Deterministische Strahlenschäden
• Stochastische Strahlenschäden

Der medizinische Strahlenschutz basiert auf grundlegenden Prinzipien zur Minimierung der Strahlenexposition. Wichtige Begriffe sind:

• ALARA-Prinzip, 5A-Regel, Abstandsgesetz
• Rechtfertigende Indikation
• Patientenschutz (Strahlenschutz)
• Dosisgrenzwert
• Körperdosis, Personendosis, Ortsdosis
• Strahlenschutzbereich
• Strahlenschutzkleidung
• Strahlenschutzverantwortlicher
• Strahlenschutzbeauftragter
• Strahlenschutzgesetz, Strahlenschutzverordnung, Röntgenverordnung
• Fachkunde im Strahlenschutz

Die Qualitätssicherung in der Radiologie umfasst alle technischen und organisatorischen Maßnahmen zur Gewährleistung einer konstant hohen Bildqualität bei möglichst geringer Strahlenexposition. Sie dient der Überprüfung der Gerätefunktion, der Einhaltung gesetzlicher Vorgaben sowie der Optimierung diagnostischer Verfahren.

Radiologische Geräte müssen regelmäßig geprüft werden, um ihre technische Funktion und Bildqualität sicherzustellen. Wichtige Begriffe sind:

• Abnahmeprüfung
• Konstanzprüfung
• Phantommessung

Diese Prüfungen dienen der Kontrolle von Bildqualität, Dosis und Geräteparametern.

Zur Bewertung der Bildqualität werden verschiedene physikalische Kenngrößen verwendet. Wichtige Begriffe sind:

• Signal-Rausch-Verhältnis
• Kontrastauflösung
• Ortsauflösung
• Modulationsübertragungsfunktion

Diese Parameter beschreiben die Fähigkeit eines Bildgebungssystems, diagnostisch relevante Informationen darzustellen.

Die Qualitätssicherung umfasst auch die Überwachung der Strahlenexposition von Patienten. Wichtige Begriffe sind:

• Diagnostischer Referenzwert
• Dosismonitoring

Diese Instrumente dienen der Optimierung radiologischer Untersuchungen und der Einhaltung von Strahlenschutzanforderungen.

Die Qualitätssicherung ist Teil des radiologischen Qualitätsmanagements. Wichtige Begriffe sind:

• Qualitätssicherung (Radiologie)
• Qualitätsmanagement