BASIS PRINCIPES VAN MACROSCOPISCHE
(MEDISCHE) IMAGING TECHNIEKEN: CT,
SPECT, PET, MRI EN OPTICAL IMAGING
The evolution of bio-imaging
Onderaan: evolutie van optische en/of microscopische beeldvorming.
duidelijk uitgelegd tijdens lessen van Prof. Van Hengel en Prof. Bacher
zal hier niet verder besproken worden (met uitzondering van optische beeldvorming bij
levende proefdieren)
Bovenaan: evolutie van macroscopische of klinische of medische beeldvorming
Dit zal besproken worden tijdens deze lessenreeks
Clinical imaging technologies
Te kennen klinische (of macroscopische, of medische)
beeldvorming technieken:
- Computed Tomography (CT)
- Magnetic Resonance Imaging (MRI)
- Positron Emission Tomography (PET)
- Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
(US of echografie gaan wij niet zien)
1
,Bridge between molecule and man
Tot voor kort (en eigenlijk tot op de dag van vandaag) kon men de wereld van de microscopische
beeldvorming en de wereld van de macroscopische beeldvorming aanzien als twee aparte eilanden,
ieder met zijn eigen onderzoekslijnen, en was er nagenoeg geen communicatie tussen deze twee
werelden.
Gelukkig is dit vandaag aan het veranderen en is men toch bezig met een brug te bouwen
tussen de wereld van de macroscopische en microscopische beeldvorming. Hierdoor komen
’molecule’ en ‘mens’ dichter bij elkaar.
Why building this bridge?
Waarom is dit belangrijk?
Wel door deze quote: ‘One hallmark of complex systems is that they exhibit structure at
many scales’ of ’ Een kenmerk van complexe systemen is dat zij structuur vertonen op vele
schalen’.
Dus als men het menselijk lichaam wenst te bestuderen (wat een complex system is) met
beeldvorming, moet men dit doen door beeldvorming toe te passen met verschillende
niveaus van details (van macroscopisch tot microscopisch). Dit omdat structuren op kleinere
schaal (microscopisch) processen op grotere schaal (macroscopisch) zullen/kunnen
beïnvloeden. Om te begrijpen hoe dit gebeurt dient men ook beeldvorming toe te passen op
verschillende niveaus van ruimtelijke resolutie.
Het is dus in de wereld van de biomedische beeldvorming belangrijk om alle beschikbare
onderzoeksinfrastructuur (micro + macro) te gebruiken om specifieke biomedische
vraagstukken trachten op te lossen.
But there is a challenge in imaging
y-as: ruimtelijke resolutie v/e beeldvormingssysteem (uitgedrukt in mm3)
x-as: massa die we bestuderen d.m.v. beeldvorming (uitgedrukt in gram)
links onderaan: microscopische technieken
zeer goede ruimtelijke resolutie (µm range), maar de massa die we onderzoeken is zeer laag
omdat er meestal gewerkt wordt met coupes van weefsel
rechts bovenaan: macroscopische of medische beeldvormingstechnieken
ruimtelijke resolutie in de mm-range, maar de massa die we onderzoeken is zeer groot en
hier gaat het om beeldvorming van het volledige lichaam.
‘gap’ tussen de wereld van de microscopische en macroscopsiche beeldvorming wat betreft
ruimtelijke resolutie en massa die we onderzoeken
Een mogelijke oplossing = preklinische medische beeldvorming
Alle medische beeldvormingstechnieken die we terug vinden in de kliniek (US, CT, MRI,
SPECT, PET) zijn sinds ±2005 ook beschikbaar voor medische beeldvorming van kleine
proefdieren, zoals ratten en muizen. Deze preklinische toestellen hebben een ruimtelijke
resolutie die 10x beter is dan klinische toestellen. Dus beeldvorming van deze kleine
proefdieren kan ‘molecule’ en ‘mens’ dichter bij elkaar brengen. 2
,Why preclinical imaging can close the gap
Waarom hebben preklinische beeldvormingstechnieken een ruimtelijke resolutie die 10x beter is
(±50-100µm range)?
Een gemiddelde mens weegt ongeveer ±70kg, een rat weegt ongeveer 250g. Dit betekent een
verschil van een factor 280 in volume. Wat op zich betekent dat een rat 6.5 keer kleiner is in de x-, in
de y- én in de z-richting. Dit betekent dat als een klinisch CT een ruimtelijke resolutie heeft van
±1mm, men met een preklinische CT-scanner een ruimtelijke resolutie nodig heeft van 150µm (6.5x
beter) om dezelfde anatomische details te zien in een rat.
Wanneer we naar een muis kijken dan weegt deze ±25g. Dit betekent een verschil van een factor
2800 in volume in vergelijking met een mens. Wat op zich betekent dat een muis 14 keer kleiner is in
de x-, in de y- en in de z-richting. Dit betekent dat als een klinisch CT een ruimtelijke resolutie heeft
van ±1mm, men met een preklinische CT-scanner een ruimtelijke resolutie nodig heeft van 71µm
(14x beter) om dezelfde anatomische details te kunnen zien in een muis.
Als we rat en muis dus samen nemen dient de ruimtelijke resolutie dus te verbeteren met
een factor ± 10
Hierdoor kan preklinische medische beeldvorming (50-100µm ruimtelijke resolutie) de ‘gap’
tussen klinische beeldvorming (mm-range ruimtelijke resolutie) en microscopische
beeldvorming (µm range) opvullen.
Preclinical imaging technologies
Vandaag zijn al deze klinische toestellen ook aanwezig in de preklinische wereld. Deze preklinische
toestellen zijn meestal direct afgeleid van hun klinisch equivalent. Er zal dan ook in deze lessenreeks
uitgelegd worden hoe een klinisch toestel aangepast kan worden tot een preklinisch toestel, om een
ruimtelijke resolutie te verkrijgen die 10x beter is.
In de wereld van de preklinische beeldvorming is er ook nog een extra beeldvormingsmodaliteit die
zeer veel gebruikt wordt, en dit is optische beeldvorming van levende dieren . Meer specifiek gaat
het hier over bioluminescentie en fluorescentie beeldvorming van levende dieren. Vermits deze
technieken ook gebruikt worden in microscopische beeldvorming, is optische beeldvorming van
levende dieren ook een mooie brug tussen microscopisch en macroscopische beeldvorming. 3
, Objectives of the lectures
Voor elke modaliteit (CT, PET, SPECT, MRI, in vivo optical) zal uitgelegd worden:
1) Hoe deze toestellen werken
2) Hoe dat men de ruimtelijke resolutie met een factor 10 kan verbeteren voor preklinisch
gebruik (small animal imaging)
3) Een preklinisch voorbeeld zal gegeven worden om aan te tonen hoe deze toestellen gebruikt
kunnen worden in de (preklinische) praktijk
1. X-straal beeldvorming en CT (computed
tomografie)
The evolution of bio-imaging
Eerste figuurtje in ‘the evolution of bio-imaging’ = X-stralenbeeld uit +- 1900
In the beginning there was…
X-stralenbeeld in 1901
= 2D beeld van de anatomie
van een hand
X-straal beeldvorming
• De apparatuur die nodig is om zulke 2D beelden te maken is redelijk eenvoudig:
o x-stralenbron
▪ equivalent aan een gloeilamp, maar ipv het genereren van zichtbaar licht
worden x-stralen gegenereerd
▪ x-stralen behoren ook tot het EM spectrum maar hebben veel meer energie
➢ Energie van zichtbaar licht: ~2-3 elektron-volt (eV)
➢ Energie van x-stralen: ~40-120 kilo-eV is
o x-stralendetector
▪ wordt tegenover x-stralenbron geplaatst
▪ men meet de attenuatie of absorptie van de x-stralen (die gegenereerd
worden door de x stralenbron) in het lichaam
➢ Geen attenuatie v/d x-stralen (zoals in de lucht): zwart beeld
➢ Veel attenuatie v/d x-stralen (zoals in botstructuren): wit beeld
➢ In spieren is er een beetje attenuatie wen wordt het beeld grijs (zie
figuur rechts bovenaan)
4
(MEDISCHE) IMAGING TECHNIEKEN: CT,
SPECT, PET, MRI EN OPTICAL IMAGING
The evolution of bio-imaging
Onderaan: evolutie van optische en/of microscopische beeldvorming.
duidelijk uitgelegd tijdens lessen van Prof. Van Hengel en Prof. Bacher
zal hier niet verder besproken worden (met uitzondering van optische beeldvorming bij
levende proefdieren)
Bovenaan: evolutie van macroscopische of klinische of medische beeldvorming
Dit zal besproken worden tijdens deze lessenreeks
Clinical imaging technologies
Te kennen klinische (of macroscopische, of medische)
beeldvorming technieken:
- Computed Tomography (CT)
- Magnetic Resonance Imaging (MRI)
- Positron Emission Tomography (PET)
- Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
(US of echografie gaan wij niet zien)
1
,Bridge between molecule and man
Tot voor kort (en eigenlijk tot op de dag van vandaag) kon men de wereld van de microscopische
beeldvorming en de wereld van de macroscopische beeldvorming aanzien als twee aparte eilanden,
ieder met zijn eigen onderzoekslijnen, en was er nagenoeg geen communicatie tussen deze twee
werelden.
Gelukkig is dit vandaag aan het veranderen en is men toch bezig met een brug te bouwen
tussen de wereld van de macroscopische en microscopische beeldvorming. Hierdoor komen
’molecule’ en ‘mens’ dichter bij elkaar.
Why building this bridge?
Waarom is dit belangrijk?
Wel door deze quote: ‘One hallmark of complex systems is that they exhibit structure at
many scales’ of ’ Een kenmerk van complexe systemen is dat zij structuur vertonen op vele
schalen’.
Dus als men het menselijk lichaam wenst te bestuderen (wat een complex system is) met
beeldvorming, moet men dit doen door beeldvorming toe te passen met verschillende
niveaus van details (van macroscopisch tot microscopisch). Dit omdat structuren op kleinere
schaal (microscopisch) processen op grotere schaal (macroscopisch) zullen/kunnen
beïnvloeden. Om te begrijpen hoe dit gebeurt dient men ook beeldvorming toe te passen op
verschillende niveaus van ruimtelijke resolutie.
Het is dus in de wereld van de biomedische beeldvorming belangrijk om alle beschikbare
onderzoeksinfrastructuur (micro + macro) te gebruiken om specifieke biomedische
vraagstukken trachten op te lossen.
But there is a challenge in imaging
y-as: ruimtelijke resolutie v/e beeldvormingssysteem (uitgedrukt in mm3)
x-as: massa die we bestuderen d.m.v. beeldvorming (uitgedrukt in gram)
links onderaan: microscopische technieken
zeer goede ruimtelijke resolutie (µm range), maar de massa die we onderzoeken is zeer laag
omdat er meestal gewerkt wordt met coupes van weefsel
rechts bovenaan: macroscopische of medische beeldvormingstechnieken
ruimtelijke resolutie in de mm-range, maar de massa die we onderzoeken is zeer groot en
hier gaat het om beeldvorming van het volledige lichaam.
‘gap’ tussen de wereld van de microscopische en macroscopsiche beeldvorming wat betreft
ruimtelijke resolutie en massa die we onderzoeken
Een mogelijke oplossing = preklinische medische beeldvorming
Alle medische beeldvormingstechnieken die we terug vinden in de kliniek (US, CT, MRI,
SPECT, PET) zijn sinds ±2005 ook beschikbaar voor medische beeldvorming van kleine
proefdieren, zoals ratten en muizen. Deze preklinische toestellen hebben een ruimtelijke
resolutie die 10x beter is dan klinische toestellen. Dus beeldvorming van deze kleine
proefdieren kan ‘molecule’ en ‘mens’ dichter bij elkaar brengen. 2
,Why preclinical imaging can close the gap
Waarom hebben preklinische beeldvormingstechnieken een ruimtelijke resolutie die 10x beter is
(±50-100µm range)?
Een gemiddelde mens weegt ongeveer ±70kg, een rat weegt ongeveer 250g. Dit betekent een
verschil van een factor 280 in volume. Wat op zich betekent dat een rat 6.5 keer kleiner is in de x-, in
de y- én in de z-richting. Dit betekent dat als een klinisch CT een ruimtelijke resolutie heeft van
±1mm, men met een preklinische CT-scanner een ruimtelijke resolutie nodig heeft van 150µm (6.5x
beter) om dezelfde anatomische details te zien in een rat.
Wanneer we naar een muis kijken dan weegt deze ±25g. Dit betekent een verschil van een factor
2800 in volume in vergelijking met een mens. Wat op zich betekent dat een muis 14 keer kleiner is in
de x-, in de y- en in de z-richting. Dit betekent dat als een klinisch CT een ruimtelijke resolutie heeft
van ±1mm, men met een preklinische CT-scanner een ruimtelijke resolutie nodig heeft van 71µm
(14x beter) om dezelfde anatomische details te kunnen zien in een muis.
Als we rat en muis dus samen nemen dient de ruimtelijke resolutie dus te verbeteren met
een factor ± 10
Hierdoor kan preklinische medische beeldvorming (50-100µm ruimtelijke resolutie) de ‘gap’
tussen klinische beeldvorming (mm-range ruimtelijke resolutie) en microscopische
beeldvorming (µm range) opvullen.
Preclinical imaging technologies
Vandaag zijn al deze klinische toestellen ook aanwezig in de preklinische wereld. Deze preklinische
toestellen zijn meestal direct afgeleid van hun klinisch equivalent. Er zal dan ook in deze lessenreeks
uitgelegd worden hoe een klinisch toestel aangepast kan worden tot een preklinisch toestel, om een
ruimtelijke resolutie te verkrijgen die 10x beter is.
In de wereld van de preklinische beeldvorming is er ook nog een extra beeldvormingsmodaliteit die
zeer veel gebruikt wordt, en dit is optische beeldvorming van levende dieren . Meer specifiek gaat
het hier over bioluminescentie en fluorescentie beeldvorming van levende dieren. Vermits deze
technieken ook gebruikt worden in microscopische beeldvorming, is optische beeldvorming van
levende dieren ook een mooie brug tussen microscopisch en macroscopische beeldvorming. 3
, Objectives of the lectures
Voor elke modaliteit (CT, PET, SPECT, MRI, in vivo optical) zal uitgelegd worden:
1) Hoe deze toestellen werken
2) Hoe dat men de ruimtelijke resolutie met een factor 10 kan verbeteren voor preklinisch
gebruik (small animal imaging)
3) Een preklinisch voorbeeld zal gegeven worden om aan te tonen hoe deze toestellen gebruikt
kunnen worden in de (preklinische) praktijk
1. X-straal beeldvorming en CT (computed
tomografie)
The evolution of bio-imaging
Eerste figuurtje in ‘the evolution of bio-imaging’ = X-stralenbeeld uit +- 1900
In the beginning there was…
X-stralenbeeld in 1901
= 2D beeld van de anatomie
van een hand
X-straal beeldvorming
• De apparatuur die nodig is om zulke 2D beelden te maken is redelijk eenvoudig:
o x-stralenbron
▪ equivalent aan een gloeilamp, maar ipv het genereren van zichtbaar licht
worden x-stralen gegenereerd
▪ x-stralen behoren ook tot het EM spectrum maar hebben veel meer energie
➢ Energie van zichtbaar licht: ~2-3 elektron-volt (eV)
➢ Energie van x-stralen: ~40-120 kilo-eV is
o x-stralendetector
▪ wordt tegenover x-stralenbron geplaatst
▪ men meet de attenuatie of absorptie van de x-stralen (die gegenereerd
worden door de x stralenbron) in het lichaam
➢ Geen attenuatie v/d x-stralen (zoals in de lucht): zwart beeld
➢ Veel attenuatie v/d x-stralen (zoals in botstructuren): wit beeld
➢ In spieren is er een beetje attenuatie wen wordt het beeld grijs (zie
figuur rechts bovenaan)
4
