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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Tomograph. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Die Magnetresonanztomographie (MRT), Kernspinresonanztomographie (NMRT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) ist das wichtigste medizinische Bildgebungsverfahren in der Radiologie zur detaillierten Visualisierung menschlicher innerer Strukturen und Organe. Der Tomograph bietet einen guten Kontrast zwischen den verschiedenen Weichteilen des Körpers und ist daher im Vergleich zu anderen medizinischen Bildgebungsverfahren wie der Röntgen-Computertomographie (CT) oder der Radiographie besonders nützlich für die Diagnose von Gehirn, Muskeln, Herz und Krebs. Im Gegensatz zu einem CT-Scanner oder einem herkömmlichen Röntgengerät verwendet ein MRT-Scanner keine ionisierende Strahlung. Stattdessen nutzt er starke Magnetfelder, um die Magnetisierung einiger Atome im Körper auszugleichen, und verwendet dann Hochfrequenzfelder, um die Richtung dieser Magnetisierung systematisch zu ändern. Dies führt zum Auftreten eines rotierenden Magnetfelds, das vom Scanner aufgezeichnet wird, und ermöglicht es Ihnen, ein Bild des gescannten Körperbereichs zu erstellen. Der Magnetresonanztomograph nutzt eine relativ neue Technologie. Die ersten Bilder von Tomographen wurden 1973 veröffentlicht, das erste Querschnittsbild einer lebenden Maus im Januar 1974. Die ersten Humanstudien wurden 1977 veröffentlicht. Zum Vergleich: Die erste menschliche Röntgenaufnahme wurde 1895 gemacht.
Unter den in den letzten Jahren neu erschienenen diagnostischen Methoden sind die sogenannten intraskopischen Verfahren, die Röntgen-Computertomographie, die Kernspinresonanztomographie (NMR) und die NMR-Spektroskopie sowie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) besonders aufschlussreich medizinische Wissenschaftler. Wenn ein verdächtiger Bereich oder ein verdächtiges Organ mit einem Laserpuls beleuchtet wird, unterscheidet sich die spektrale Reaktion – eine Art optische Signatur – des Krebsgewebes deutlich von der des normalen Gewebes. Die Computertomographie ist heute das bekannteste Beispiel für dreidimensionale Bildgebung. Herkömmliche Methoden, selbst mit einer sehr guten Röntgenröhre und einem hochempfindlichen Film, liefern ein unscharfes und sehr "rauschendes" Bild, das außerdem nur zweidimensional ist, sodass seine korrekte Interpretation eine eigene Wissenschaft ist. „Die diagnostischen Methoden haben in den letzten Jahren einen beispiellosen Sprung gemacht“, sagt Akademiker Ternovoy, „dank der Computertechnologie.“ Vor etwa 20 Jahren wurde ein Röntgen-Computertomograph entwickelt, und es wurde möglich, die Struktur des menschlichen Gehirns ohne Computer zu untersuchen B. das Öffnen des Schädels. Und die heutigen Geräte haben solche Eigenschaften, dass man zum Beispiel ein schlagendes Herz direkt beobachten kann. Daher gehört die traditionelle, invasive Diagnostik ("Invasion" bedeutet "Durchdringen") allmählich der Vergangenheit an. Zum Beispiel Mit Hilfe eines Magnetresonanztomographen werden innere Organe auch ohne die Einführung von Kontrastmitteln, die "ihre Konturen umreißen, in Aktion sichtbar. ... Das Prinzip seiner Wirkung basiert auf zwei trivialen Tatsachen: Erstens besteht der menschliche Körper hauptsächlich aus Wasser, und seine Moleküle bilden chemische Bindungen mit Proteinen und anderen Strukturen, die in verschiedenen Geweben unterschiedlich sind; Zweitens ist das Wassermolekül ein Dipol. Im Körper sind diese Dipole natürlich willkürlich orientiert und rotieren zudem. Wird eine Person jedoch kurzzeitig einem Magnetfeld ausgesetzt (ziemlich stark, aber nicht so stark, dass es gesundheitsgefährdend ist), drehen alle Wassermoleküle ihr „Gesicht“ in Richtung seiner Kraftlinien. Dann wird eine spezielle Hochfrequenz angelegt - sie gibt den Dipolen zusätzliche Energie und lenkt sie in dem einen oder anderen Winkel von der durch das Magnetfeld vorgegebenen Ausrichtung ab. Eigentlich ist der springende Punkt, dass die Winkel unterschiedlich sind, ihre Größe hängt von der inneren Struktur des Organs oder Gewebes und auch - was besonders wichtig ist - vom Vorhandensein von Pathologien ab. Der externe Funkimpuls wird nur kurz gegeben, aber er reicht. Dann kehren die Wassermoleküle an ihre vorherige Position zurück und ordnen sich erneut im Magnetfeld an. Gleichzeitig leiten sie überschüssige Energie ab – spezielle Spulen registrieren sie (auch wenn sie sehr klein ist!). Die empfangenen Daten werden an den Computer gesendet, wo sie verarbeitet werden ... " Im Gegensatz zu herkömmlichen Röntgenmethoden ist die Tomographie eine volumetrische Rekonstruktion innerer Organe auf der Grundlage numerischer Daten, die charakteristisch für die physikalischen Eigenschaften von Geweben sind. Auf einem MRT-Tomographen kann beispielsweise ein dreidimensionales Bild des Fötus gewonnen werden. Der Arzt kann die kleinsten Details untersuchen, das Bild beliebig verändern, es kann auch leicht komprimiert, archiviert, über Kommunikationskanäle übertragen werden, um an Telekonzilien teilzunehmen usw. Bei der Untersuchung auf einem Röntgentomographen liegt der Patient so auf dem Tisch, dass sich der Körperteil, dessen Bild erhalten werden soll, innerhalb des kreisförmigen Lochs im Rahmen des Tomographen befindet. Im oberen Teil des Rahmens befinden sich normalerweise eine Röntgenquelle und ein Kollimator - ein Gerät, das ein divergierendes Strahlenbündel in einen dünnen gerichteten Strahl umwandelt. Am unteren Rand des Rahmens befindet sich eine Reihe von Röntgendetektoren, als ob sie den Film ersetzen würden. Bei Bedarf kann der Arzt dem Patienten vorab eine Chemikalie zuführen, die den visuellen Kontrast zwischen dem untersuchten Organ und dem umgebenden Gewebe verbessert. Beim Einschalten der Röntgenquelle durchstrahlen die bleistiftdünnen Strahlen den Körper und die vom Detektor aufgenommenen Daten werden an den Computer übermittelt. Während sich der Rahmen um den Patienten dreht, wird dieser Vorgang viele Male wiederholt, und jedes Mal werden die Daten von den Detektoren, die einem Satz unterschiedlicher Positionen entsprechen, vom Computer verarbeitet.
Dank eines mathematischen Algorithmus, der auf der in der klassischen integralen Geometrie bekannten Radon-Transformation basiert, verwandelt sich eine Reihe von numerischen Messwerten der Detektoren in ein Bild auf dem Bildschirm. Ein Kernspintomograph (NMR-Tomograph) ist normalerweise eine Röhre, die einen langen zylindrischen Magneten und Wicklungen enthält, in denen ein Strom angeregt wird, der den gesendeten und empfangenen HF-Signalen entspricht. Die Magnetresonanz ist streng genommen ein reines Quantenphänomen, für dessen Erklärung gängige quantenmechanische Konzepte erforderlich sind. Die Essenz des Phänomens besteht darin, dass ein starkes konstantes Magnetfeld, das von einem zylindrischen Magneten erzeugt wird, zufällig orientierte Spins der Kerne von Wasserstoffatomen im Körper des Patienten entlang einer einzigen Richtung aufbaut, so wie sich Eisenspäne entlang unsichtbarer Feldlinien in der Nähe eines Magneten aufreihen. Wenn ein speziell erregter - prüfender - Hochfrequenzimpuls durch die Kammerröhre des Tomographen läuft, lenkt das Magnetfeld des Impulses, obwohl schwach, die ausgerichteten Spins dennoch für einige Zeit geringfügig von der vorgegebenen Richtung ab, und sie beginnen zu schwingen, während sie Sagen wir, um zu präzedieren, um die Richtung des starken Feldes eines Permanentmagneten, wie ein Kreisel, der sanft angestoßen wird. Gleichzeitig schwingen die Kerne von Atomen mit, senden also ebenfalls ein schwaches Funksignal aus, das von empfindlichen Detektoren erfasst werden kann. Wenn der prüfende HF-Impuls abgeschaltet wird, kehren die Spins in einen geordneten Zustand zurück und das von den Kernen erzeugte Signal zerfällt. Zum Zeitpunkt dieses Zerfalls und anderer Merkmale des vom Computer verarbeiteten Signals kann man die chemische Zusammensetzung und die biologischen Eigenschaften von Geweben beurteilen. Für jeden Punkt des Bildes auf dem Bildschirm werden Daten von resonierenden Wasserstoffkernen (Protonen) im untersuchten inneren Organ gesammelt und gemittelt, und jedem erhaltenen Wert wird eine eigene Farbe zugewiesen. Dadurch werden Bereiche mit unterschiedlicher Protonendichte und dementsprechend inhomogene Gewebe mit unterschiedlichen Farben markiert. Im Gegensatz zu einer Röntgenuntersuchung ist die NMR-Methode absolut unbedenklich und garantiert einen deutlich besseren Kontrast zwischen verschiedenen Gewebearten, wodurch gesunde und erkrankte Bereiche leicht unterschieden werden können. Die NMR-Tomographie wird besonders erfolgreich bei der Diagnose von Pathologien des zentralen Nervensystems und des Bewegungsapparates sowie zur Erkennung von Tumoren vor dem Hintergrund gesunder Gewebe eingesetzt. Allerdings gewinnt die NMR-Tomographie neue Positionen. Eine vielversprechende Methode zur Lungendiagnostik beispielsweise mittels MRT-Tomographie wurde in Deutschland entwickelt. Es wurde auf der Messe „Expo-2000“ in Hannover präsentiert und von Fachwelt und Presse hoch gelobt. Zur Diagnose von Lungenerkrankungen fertigen deutsche Ärzte jedes Jahr XNUMX Millionen Röntgenaufnahmen an. Diese Bilder sind jedoch nicht kontrastreich genug, und Röntgenstrahlen sind schädlich für den Körper. Eine andere Sache ist die MRT-Tomographie. Bei vielen Erkrankungen, die bei Atemstillstand auftreten, wie Asthma oder Lungenemphysem, liefert der NMR-Tomograph ein unzureichend scharfes Bild – aufgrund der geringen Dichte des Lungengewebes. Und so wichtig für die Diagnose einer leichten Substanz wie Sauerstoff und Stickstoff, wird überhaupt nicht registriert. Forscher versuchen daher, die Lungenbildgebung zu verbessern, indem sie Patienten dazu zwingen, harmlose Gase als Kontrastmittel einzuatmen. Besonders vielversprechend sind polarisierte Edelgase. Tests haben gezeigt, dass Sie durch Sättigung der Lunge mit ihnen ein klares Bild erhalten. Die bessere Magnetisierung polarisierter Edelgase im Vergleich zu Wasserstoff erleichtert die Arbeit des Tomographen. So können Ärzte Asthma, Mukoviszidose und andere Lungenerkrankungen nicht nur frühzeitig diagnostizieren, sondern zusätzlich die Wirksamkeit der Behandlung überprüfen. In Deutschland wurden die Grundlagen der neuen Methode von Ernst Wilhelm Otten und Werner Geil vom Physikalischen Institut der Universität Mainz gelegt. Otten und Gail wählten Helium-3 als Kontrastmittel für ihre Experimente. Xenon ist ihrer Meinung nach hier wenig geeignet, da es vom Blut aufgenommen wird und eine narkotische Wirkung auf den Patienten hat. Mit einem Magnetresonanztomographen und polarisiertem Helium-3 als Kontrastmittel erhielten Otten und Geil gemeinsam mit dem Mainzer Radiologen Manfred Thelen und Experten des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg schließlich ein klares Bild der Luft Verteilung in der Lunge. Die neue Methode ermöglichte es, in einem Experiment mit einem dreißigjährigen Probanden die Anzeichen eines bereits alten Lungenemphysems festzustellen. Und das, obwohl die Person zwar rauchte, sich aber vollkommen gesund fühlte und nicht über ihre Lunge klagte. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung eines NMR-Scanners zur Diagnose eines Infarkts anstelle eines Herzkatheters. Die Untersuchung des Herzens mittels EKG, Ultraschall und Bestrahlung mit radioaktiven Isotopen führt nicht immer zu zufriedenstellenden Ergebnissen. In solchen Fällen ist die Diagnose oft mit einem Herzkatheter angezeigt, der durch die Blutgefäße in das Herz eingeführt wird. Das ist eine schwere Belastung für den Körper der Betroffenen, und viele Patienten ziehen die neuen, modernsten, für den Menschen ungefährlichen Magnetfelder der traditionellen Methode vor: Das Herz wird mit einem Kernspintomographen „durchgezeigt“. Frühere Modelle von NMR-Tomographen lieferten aufgrund zu langer Messzeiten keine ausreichend klaren Bilder (das Herz schlägt ständig und das Bild der „Langzeitbelichtung“ ist verschwommen). Die neuesten Geräte, verbesserte Hardware und Software ermöglichen es Ihnen, zwischen den Herzschlägen ziemlich klare Bilder des Herzens aufzunehmen. „Die Genauigkeit ist jetzt deutlich besser als bei bisherigen nicht-invasiven Verfahren", erklärt Eike Nagel vom Deutschen Herzzentrum in Berlin. „Durch die Technik lässt sich die Zahl der Untersuchungen mit einem Herzkatheter um mindestens 20 Prozent reduzieren." Und laut Optimisten - die Hälfte. Als umfassendes diagnostisches Werkzeug bildet der Kernspintomograph Herz und große Arterien räumlich ab, misst die Blutversorgung und erkennt abgestorbenes Gewebe. Ein sanftes Hightech-Verfahren eignet sich sowohl zur Vorbeugung als auch zur Behandlung von Herzpatienten. Die MRT-Tomographie erspart Herzpatienten unnötigen Stress. Mit dieser Methode lässt sich vorhersagen, ob die Erweiterung des Gefäßes oder die Operation an der Anastomose überhaupt Erfolg verspricht. Das zeigten Wissenschaftler der Northwestern University in Chicago in ihrer klinischen Studie. Es ist sehr wichtig, dass die neue Technik viele junge Patienten vor gefährlichen Eingriffen schützen kann. Die starken Magnetfelder, denen die Probanden ausgesetzt sind, sind praktisch ungefährlich – zumindest laut moderner Wissenschaft. Alternative Verfahren, zum Beispiel Computer- und Positronen-Emissions-Tomographie, arbeiten dagegen mit für den Körper bedenklichen Stoffen – Röntgenstrahlen und radioaktiven Isotopen. Eine Art Boom erlebt die tomographische Prävention von Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Taiwans Hauptstadt Taipei. Dort wurde kürzlich ein spezielles Untersuchungszentrum eröffnet, in dem eine etwa halbstündige Untersuchung von Herz und Blutgefäßen mit einem NMR-Tomographen tausend Dollar kostet, während Videobrillen und angenehme Musik den Patienten helfen, sich zu entspannen ... Autor: Musskiy S.A.
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