Übersicht: Bildgebende Verfahren in der Medizin

Bildgebende Verfahren werden in fast allen Fachbereichen der Medizin verwendet. Damit bezeichnet man maschinelle Verfahren, durch die sich bestimmte Strukturen des Körpers visualisieren lassen. Die meisten dieser Verfahren sind dabei nichtinvasiv. Im Laufe der Jahre haben sich einige Methoden in der Medizin durchgesetzt und können aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsgebiete bestimmten Fachbereichen zugeordnet werden. Wir informieren über CT, MRT, Röntgen, Ultraschall und andere bildgebende Geräte, um einen Überblick über die Verfahren zu ermöglichen.

Bildgebende Diagnostik - Überblick und Definition

Mit der Entwicklung der Lochkamera als erstes bildgebendes Gerät im späten 13. Jahrhundert wurde der Grundstein für die weitere Bildgebung gelegt. Fast 600 Jahre später gelang Wilhelm Conrad Röntgen im Dezember 1895 das erste Röntgenbild. Mit dieser neuen Technologie revolutionierte er die medizinische Diagnostik. Seit ca. 1970 findet der Ausdruck “bildgebendes Verfahren” in der Medizin gängige Verwendung.

Obwohl es zwischen den einzelnen Verfahren große Unterschiede in Funktion und Verwendung gibt, basieren alle auf denselben Grundprinzipien. Über ein Gerät (Sender) wird das zu untersuchende Objekt aktiv angeregt und gibt Signale ab. Diese werden anschließend über eine Art Detektor (Empfänger) aufgezeichnet und anschließend verarbeitet. Als Ergebnis entsteht eine visuelle Abbildung über Helligkeitswerte oder Farbkodierung. Bei den Untersuchungen werden immer physikalische Größen eines Objektes gemessen und je nach Verfahren unterschiedlich als Bild dargestellt. Die folgende Liste gibt einen Überblick über die geläufigsten bildgebenden Verfahren in der Medizin.

Medizinische Bildgebung - Unterteilung der Verfahren

Die einzelnen Verfahren der medizinischen Bildgebung können nach unterschiedlichen Gesichtspunkten in einzelne Kategorien eingeteilt werden. Die oben dargestellten Verfahren nutzen unterschiedliche Methoden, um die Anregung des Objektes herbeizuführen. Dadurch können abhängig vom Verfahren bestimmte Regionen, Organe oder Gewebe besser und detailreicher dargestellt werden, als andere. In der medizinischen Bildgebung sind derzeit die folgenden Arten der Bilderzeugung etabliert und anerkannt:

Bildgebung durch

• Röntgenstrahlung
• Ultraschall
• Kernspinresonanz
• Impedanz
• Radionuklide
• Infrarotstrahlung
• sichtbares Licht

Darüber hinaus können die bildgebenden Geräte nach der Art der entstandenen Bilder unterteilt werden. Beispiele dafür sind Schnittbilder, Oberflächenbilder und Projektionsbilder. Alternativ können die einzelnen Verfahren auch nach Untersuchungsart unterteilt werden. Während die funktionelle Bildgebung sich auf die Diagnostik von physiologischen Vorgängen innerhalb des Gewebes oder der Organe konzentriert, legt die anatomische Bildgebung (alternativ morphologische Bildgebung) ihr Hauptaugenmerk auf die Struktur und Position einzelner Organe, Gewebe oder Körperregionen. 

Bildgebende medizinische Geräte und Diagnoseverfahren

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Röntgen Bildgebung (auch Röntgentomographie)

Die Bildgebung mittels Röntgenstrahlung ist das älteste medizinische Bildgebungsverfahren und aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken. Ionisierende Röntgenstrahlung wird durch den Körper gestrahlt und unterschiedlich stark von Gewebe, Knochen und Organen absorbiert. Anschließend trifft die Reststrahlung entweder auf einen analogen Röntgenfilm, eine Speicherfolie, welche sodann mit einem Speicherfolienscanner ausgelesen und digitalisiert wird, oder einen Röntgendetektor, welcher die Bilddaten direkt digitalisiert. Es gibt als einen Unterschied zwischen analogem Röntgen und digitalem Röntgen. Besonders hilfreich ist diese Methode bei der Diagnose von Lungenerkrankungen, Knochenbrüchen und Tumorerkrankungen und findet am häufigsten Anwendung in der Radiologie, Orthopädie und Chirurgie. Aus den klassischen und moderneren, digitalen Röntgengeräten haben sich verschiedene Unterarten entwickelt, die ebenfalls Röntgenstrahlung für die Bildgebung verwenden. Die folgende Übersicht fasst die Unterkategorien im Röntgen-Bereich zusammen und erläutert kurz den jeweiligen Verwendungszweck:

MRT Bildgebung (auch MR-Bildgebung)

Mit der Magnetresonanztomographie können sowohl Strukturen als auch Funktionen von Geweben oder Organen dargestellt werden, wodurch sich das Verfahren für die funktionelle und anatomische Bildgebung eignet. Anders als beim Röntgen werden hierbei keine radioaktiven Röntgenstrahlen zur Aktivierung genutzt, sondern auf Kernspinresonanz basierende Magnetfelder. Umgangssprachlich wird deshalb auch von einer Kernspin-Untersuchung gesprochen. Die magnetischen Wellen gelten nach heutígem Kenntnisstand als unschädlich für den Körper, die Auswirkungen auf lebende Organismen sind allerdings noch nicht vollständig erforscht worden. 

Die MRT-Bildgebung misst die Protonendichte anhand von Wasserstoffatomen und stellt auf dieser Basis einzelne Schichten und Bestandteile des Körpers in unterschiedlichen Helligkeitsstufen dar. Hauptsächlich unterscheidet man dabei nach Stärke des Magnetfeldes in Niederfeld- (offene MRT-Geräte) und Hochfeld- (geschlossene MRT-Geräte) Systeme. Zum Empfangen der magnetischen Wellen werden zusätzlich MRT-Spulen benötigt, die als Detektor dienen.

Die MR-Bildgebung wird für die Untersuchung des Bewegungsapparats, der Muskeln und Gefäße, sowie Organen und Gewebeschichten eingesetzt. Besonders interessant ist dabei die kranielle Bildgebung, die zur Diagnostik des Schädels und Gehirns verwendet wird. Dabei kommt auch die FLAIR Bildgebung als Technologie zum Einsatz, mit der sich der Liquor auf den Bildern unterdrücken lässt, wodurch z. B. paraventrikuläre Läsionen besser abgegrenzt werden können. Kernzielgruppe ist die Radiologie, wobei auch Orthopäden mit entsprechender Zulassung die MR-Bildgebung in ihrer Praxis verwenden können.

Ultraschall-Bildgebung

Bei der (Sonographie) werden unschädliche Ultraschallwellen von einem Sonographiegerät über einen Ultraschallkopf in den Körper gesendet, um anschließend die reflektierenden Wellen zu detektieren und in Bildpunkte umzuwandeln. Dabei führen die unterschiedlichen Widerstände der Organe gegenüber Schallwellen zu einer differenzierten Darstellung von Organen und Gefäßen. Hier erhalten Sie weiterführende Informationen zu "Ultraschallgerät Aufbau und Funktion". 

In der Gynäkologie und Geburtshilfe sind Ultraschallgeräte dazu da, wichtige Informationen über den weiblichen Unterleib sowie bei der Schwangerschaftsdiagnose und -begleitung zu liefern. Neben klassischen Standgeräten gibt es für den mobilen Einsatz auch tragbare Ultraschallgeräte in Koffer-/Laptop-Form und Handheld Ultraschallgeräte für die Verwendung mit dem Smartphone/Tablet. Mittels unterschiedlicher Bildgebungs-Modi können verschiedenartige Ultraschallbilder erzeugt werden, wie z.B: schwarz weiß, farblich, 3D, 4D, Elastografie).

Wichtig: Auch in der Tiermedizin findet die Sonographie Anwendung. Veterinär-Ultraschallgeräte sind häufig tragbare Geräte für den Einsatz auf der Weide, im Stall oder Mobilität innerhalb der Kleintierpraxis. Für eine schnelle Trächtigkeitsuntersuchung stehen Tierärzten Trächtigkeitsdiagnosegeräte zur Verfügung, die ebenfalls Ultraschall verwenden.

Szintigraphie 

Die Szintigraphie ist ein bildgebendes Verfahren aus der Nuklearmedizin und dient zur Lokalisations- und Funktionsdiagnostik von Organen und Gewebe. Dafür wird dem Patienten ein radioaktives Mittel (auch Radiopharmakon oder Radiopharmazeutikon genannt) injiziert, dass sich im zu untersuchenden Organ verteilt und anreichert. Die Gammastrahlung des radioaktiven Mittels kann nach einer entsprechenden Wartezeit anschließend über eine Gammakamera detektiert und zu einem Bild verarbeitet werden. Die Strahlenbelastung ist dabei in der Regel niedriger als bei Röntgenuntersuchungen. 

Anwendung findet die Szintigraphie als bildgebendes Verfahren bspw. bei der Untersuchungen der Stoffwechselgeschwindigkeit, da sich die Aufnahme und Ausscheidung des Radiopharmakons zeitlich messen lassen und so Rückschlüsse auf die Funktion der Nieren oder des Herzens (oder weiterer Organe) gezogen werden können. Ebenso können Entzündungen und Tumore mit der Szintigraphie lokalisiert werden, da an den entzündeten Stellen und im Tumorgewebe der Stoffwechsel schneller abläuft. Am häufigsten werden mit diesem bildgebenden Verfahren die Lunge, das Herz, die Schilddrüse, die Nieren und Knochen untersucht und darf aufgrund der radioaktiven Substanzen nur in der Radiologie und Nuklearmedizin eingesetzt werden.

Thermographie

Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren, bei dem Infrarotstrahlung gemessen und in ein Farbsystem konvertiert wird, um Wärmezonen des Körpers sichtbar zu machen. Eine Vielzahl an Krankheiten geht mit Temperaturunterschieden in den betroffenen Regionen einher, weshalb sich die tomographische Bildgebung recht breit und Fachgruppen übergreifend einsetzen lässt. Grund dafür ist, dass Gewebeschäden, Tumore und Entzündungen Einfluss auf die Durchblutung des Körpers haben und diese Veränderung lässt sich an den korrespondierenden Hautregionen messen. So können zwar nicht direkt die Schäden an inneren Organen oder dem Gewebe sichtbar gemacht werden, allerdings lassen sich diese durch die Thermographie schnell lokalisieren. Die diagnostische Sicherheit der thermographischen Bildgebung in der Schulmedizin ist allerdings umstritten und wird daher als zusätzliches Verfahren angewendet. Häufig findet die Thermographie Anwendung bei Heilpraktikern und in der Naturheilkunde. Ebenso wird sie in der Sportmedizin zur Früherkennung von Prellungen und Gewebeschäden eingesetzt.

Endoskopie

Die Endoskopie ist ein etabliertes Verfahren in der medizinischen Bildgebung und nutzt im das sichtbare Licht, um über eine Kamera Bilder aus dem Inneren des Patienten zu generieren. Dafür werden medizinische Endoskope verwendet, die aus einem flexiblen (teilweise auch starren) Schlauch aus Gummi oder Metall bestehen, der mit Licht, Linse und Kamera am Ende ausgestattet ist. Der Schlauch lässt sich in natürliche oder künstliche Körperöffnungen einführen, um entsprechende Hohlorgane und Körperhöhlen zu untersuchen. Üblicherweise werden dabei der Darm, die Lunge, der Magen oder Gelenke untersucht, wenn andere bildgebende Verfahren bis dahin keine Diagnose ermöglichen konnten. Teilweise lassen sich über das Endoskop auch Spezialinstrumente einführen, die in den zu untersuchenden Regionen die Entnahme einer Gewebeprobe (Biopsie) ermöglichen.

Elektrische Impedanz-Tomographie (EIT)

Die elektrische Impedanz-Tomographie gehört zu den neueren bildgebenden Verfahren und nutzt dafür die Leitfähigkeit des Körpers bzw. des Gewebes. Die unterschiedliche Gewebestrukturen innerhalb des Körpers haben verschiedene Leitfähigkeiten. Dadurch lassen sich diese voneinander differenzieren, was auch als absolute EIT bekannt ist. Darüber hinaus verändern sich die Leitfähigkeit abhängig vom Zustand des Gewebes, was eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des untersuchten Gewebes möglich macht. Dabei spricht man von der relativen oder funktionellen EIT. Bei diesem bildgebenden Verfahren wird eine Körperregion mit Elektroden abgegrenzt und man lässt zwischen zwei Elektroden Wechselstrom im höherfrequenten Bereich bei niedrigen Amplituden fließen, während die anderen Elektroden das elektrische Potential messen. Dieser Prozess wird eine Zeit lang wiederholt, wobei die Elektroden mit Wechselstrom variiert werden. Dadurch entsteht ein Schnittbild der Gewebestrukturen innerhalb der untersuchten Region. Besonders geeignet für dieses Verfahren sind Untersuchungen der Lunge, da diese durch die deutlich höherer Leitfähigkeit des Lungengewebes im Vergleich zum umliegenden Gewebe für einen starken Kontrast sorgt.

Artefakte in der Bildgebung

Bei allen bildgebenden Verfahren in der Medizin kann es zu diagnostischen Fehlern kommen, bei denen Fehler innerhalb des Bildes aufgezeigt werden, die nicht die wirklichen Gegebenheiten widerspiegeln. Diese Bildfehler nennt man Artefakte und sie können in verschiedenen Formen auftreten. Beispiele die häufig vorkommen sind fehlerhafte Lokalisationen von Strukturen, das Fehlen von Strukturen, fälschliche Darstellung von Strukturen (abweichende Helligkeit, Kontraste, Größe, Form) und die Abbildung fiktiver Strukturen.

Die Ursachen für Artefakte können sehr vielfältig sein und aufgrund der unterschiedlichen Erzeugungsarten der Bilder sind einige Fehlerquellen lediglich bei einem bestimmten bildgebenden Verfahren vorhanden. In der Ultraschall Bildgebung können beispielsweise Rauschartefakte (auch Speckle genannt) oder Schallschatten entstehen, die sich auf die technischen Aspekte des Geräts zurückführen lassen. In der CT Bildgebung können Bewegungen der Organe für Artefakte sorgen, wie z. B. der Herzschlag oder die Bewegung der Lunge beim Atmen. In der MR Bildgebung werden Artefakte durch Bewegungen des Patienten oder durch metallische Gegenstände im oder am Körper (Implantate, Piercings) verursacht. Einige dieser Artefakte lassen sich dank moderner Software-Komponenten und neuen Technologien reduzieren und teilweise fast vollständig eliminieren, während andere Ursachen für Artefakte manuell korrigiert werden müssen, z. B. über Kommunikation mit dem Patienten, dessen Positionierung oder Neuausrichtung des bildgebenden Gerätes.

Künstliche Intelligenz in der medizinischen Bildgebung

Im Zuge der Digitalisierung in der Medizintechnik wird auch der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) bei bildgebenden Verfahren immer weiter vorangetrieben. Mittlerweile haben sich in den neuesten Gerätegenerationen in diversen Bereichen der bildgebenden Diagnostik KI-gestützte Funktionen etabliert, die Standarduntersuchungen vereinfachen und effizienter gestalten, aber auch für eine höhere Diagnosesicherheit sorgen. Hochwertige Geräte aus der Ultraschall Bildgebung verfügen heute schon über automatisierte Bildverbesserungen und Bildeinstellungen für häufig durchgeführte Untersuchungen wie die Messung der Karotis-Intima-Media-Dicke, die zur Früherkennung von atherosklerotischer Gefäßveränderungen dient. Auch in der Zahnmedizin wird mittlerweile künstliche Intelligenz eingesetzt und unterstützen Ärzte bei der Diagnose von Infektionen und Karies, bilden aber auch einen Weg der Diagnose-Bestätigung und sorgt so für mehr Sicherheit auf Seiten von Arzt und Patient. Ebenso wird künstliche Intelligenz in der Röntgen- und MR-Bildgebung verwendet und erkennt Krankheiten auf den Bildern bereits genau so gut wie ein menschlicher Arzt. Allerdings machen Themen wie Datenschutz, Cybersicherheit und neue Regelungen des MDR die Einführung von KI in der Medizintechnik nicht leicht.

Tipp: Mehr zu dem Thema lesen Sie in unserem Artikel “Künstliche Intelligenz - Die Zukunft der Medizin?”, in dem neben weiteren Anwendungsgebieten von künstlicher Intelligenz im medizinischen Bereich auch Schwierigkeiten und Probleme beleuchtet werden und welche für ethischen Fragen geklärt werden müssen.

Hersteller von Geräten mit bildgebendem Verfahren

Da es unter den einzelnen Verfahren in der medizinischen Bildgebung deutliche Unterschiede in der Bildgewinnung und den Anwendungsbereichen gibt, sind mittlerweile viele Hersteller von bildgebenden Diagnostik-Geräten auf dem Markt etabliert. Dabei gilt es zu unterscheiden zwischen Herstellern, die sich auf einen Bereich der Bildgebung spezialisiert haben und Großunternehmen, die Geräte für unterschiedliche bildgebende Verfahren herstellen und entwickeln. Unter den spezialisierten Unternehmen gibt es ebenfalls weitere Unterteilungen in besondere Nischenanbieter und Hersteller für eine Vielzahl von Fachbereichen. Großunternehmen hingegen bieten in der Regel für mehrere Verfahren ein breites Produktportfolio an. Da diese über die unterschiedlichen Segmente hinweg die bekanntesten Hersteller von bildgebenden Geräten sind, haben wir diese in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.

Literatur zu medizinischer Bildgebung

Mit dem Begriff “bildgebende Verfahren” wird häufig auch entsprechende Fachliteratur assoziiert. Als etabliertes Standardwerk in diesem Bereich gilt das Buch “Bildgebende Verfahren in der Medizin” von Olaf Dössel, erschienen beim Springer Verlag. In diesem werden die unterschiedlichen Bildgebungsverfahren in der Medizin erklärt und mit den entsprechenden Anwendungsbeispielen untermauert. Die diversen Illustrationen, Bilder und Grafiken tragen zu einer anschaulichen Darstellung der jeweiligen Themen bei. Neben solchen umfassenden Werken gibt es allerdings auch spezialisierte Literatur für die einzelnen Verfahren der bildgebenden Diagnostik, wie zum Beispiel für Ultraschall- und Röntgenuntersuchungen. Diese beschäftigen sich mit den Feinheiten der jeweiligen Techniken, Problemen, Risiken, etc.

Studium “Medizinische Bildgebung”

Die Thematik rund um medizinische Bildgebung ist umfassend und benötigt viel Wissen im Bereich der Physik. Um in dieser Branche beruflich Fuß zu fassen, empfiehlt sich ein entsprechender Studiengang in diesem Bereich. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen besteht innerhalb von medizinischen Studiengängen die Möglichkeit, ein Modul im Bereich bildgebende Verfahren zu absolvieren und so Einblicke in die verschiedenen Bereiche zu erhalten. Alternativ bietet sich ein Studium der Medizinphysik an, in welchem sich die Studierenden auf den Bereich der medizinischen Bildgebung und Therapie spezialisieren. Die Universität in Greifswald bietet bspw. einen solchen Studiengang an.