GEAVANCEERDE CHEMISCHE
ANALYSE, BEELDVORMING EN
VERWERKING
Macroscopische beeldvormingstechnieken ..............................................................................2
X-straal beeldvorming en CT (computed tomography)............................................................3
Nucleaire beeldvormingstechnieken.....................................................................................6
MRI = magnetic resonance imaging .................................................................................... 12
In vivo optical imaging ........................................................................................................ 15
Microscopische beeldvormingstechnieken ............................................................................. 19
Fysische grondbeginselen .................................................................................................. 19
Beeldvormingstechnieken .................................................................................................. 24
Selectie van microscopische en cytologische technieken in biomedisch onderzoek ............. 27
Preparatie van materiaal: kleuringen weefsel ...................................................................... 33
Moderne microscopen en technieken ................................................................................. 38
Morfologisch moleculaire technieken..................................................................................... 41
Technieken voor lokalisatie van specifieke bestanddelen..................................................... 41
,Macroscopische beeldvormingstechnieken
− Macroscopische = klinische = medische beeldvorming
• Radiologie: US + CT + MR
• Nucleaire geneeskunde: SPECT + PET
− Evolutie in bio-imaging
• Heden: microscopische en macroscopische beeldvorming = apart
o Eigen onderzoekslijnen
o Weinig communicatie
• Toekomst: brugvorming = molecule en mens dichter bij elkaar brengen
o Complexe systemen vertonen structuur op veel schalen
- Complex systeem = menselijk lichaam
- Schalen = macroscopisch tot microscopisch
Bv. atomen – moleculen – organellen – cellen – weefsels – organen - …
➔ processen op kleine schaal kunnen die op grote schaal beïnvloeden
o Gebruik alle beschikbare onderzoeksinfrastructuur
o Gap
- X-as = massa bestuurd d.m.v. beeldvorming [gram]
- Y-as = ruimtelijke resolutie van beeldvormingssysteem [mm3]
! gaat van onder = hoog – naar boven = laag
- Microscopische beeldvorming
▪ Goede ruimtelijke resolutie = μm range
▪ Lage massa = weefselcoupes
- Macroscopische beeldvorming
▪ Minder ruimtelijke resolutie = mm range
▪ Hoge massa = volledig lichaam
➔ oplossing: preklinische medische beeldvorming
− Preklinische medische beeldvorming
= medische beeldvormingstechniek toegepast op kleine proefdieren
• Sterkere ruimtelijke resolutie: 50-100 μm
o Factor 280 verschil in volume: mens = 70 kg rat = 250 g
= 6.5 keer kleiner in x-, y- en z-richting
= 6.5 keer betere ruimtelijke resolutie nodig
o Factor 2800 verschil in volume: mens = 70 kg muis = 25 g
= 14 keer kleiner in x-, y- en z-richting
= 14 keer betere ruimtelijke resolutie nodig
➔ 10 keer betere ruimtelijke resolutie nodig
• Extra modaliteit: optische beeldvorming van levende dieren
= bioluminescentie + fluorescentie
2
,X-straal beeldvorming en CT (computed tomography)
− 1900: 2D beeld van de anatomie van een hand met kogels
! Find – fight – follow-up
• Find = diagnose: verschillende kogels in hand
• Fight = behandeling: nauwkeurig kogels verwijderen
• Follow-up = opvolging: nieuwe X-straalbeeldvorming ter controle
Werking X-straalbeeldvorming
− X-stralenbron: genereert X-stralen
• Stroom sturen doorheen kathode
Kathode warmt op tot 2700 K
Vorming van negatief geladen elektronenwolk rond kathode
= thermo-ionic emission
Spanningsverschil aanleggen tussen kathode en anode = buisspanning = 80-120 kV
Versnelling van elektronen naar anode = buisstroom
o Elektronen worden afgeremd door atomen aanwezig in anode
= vrijgekomen energie = X-straling = Bremsstrahlung
o Elektron dringt binnen in atoom van anode
➔ stoot 1 elektron uit K-schil weg = open plaats voor elektron
➔ elektron uit L-schil springt naar open plaats
- Energieverschil = X-straal
! Grote atomen: röntgenstraal = pieken in spectrum
• X-straal spectrum: energieverlies gebaseerd op afbuiging van atomen in anode
! niet 1 bepaalde frequentie – maar grote variatie
o Ezichtbaar licht = 2-3 eV EX-stralen = 40-120 keV
o Voldoende energie om doorheen lichaam te stralen
• Focal spot = locatie waar elektronen botsen op anode
o Grootte = 1 mm
! bepaalt ruimtelijke resolutie
- Grote focal spot
▪ Meer X-stralen genereren per tijdseenheid
! warmt minder snel op
- Kleine focal spot
▪ Minder schaduwen: scherper
o Vertrekpunt bruikbare X-straling = kegelvormig
3
, − X-stralendetector: detecteert X-stralen
• Meet attenuatie/absorptie van X-stralen
o Geen attenuatie = lucht: zwart
o Veel attenuatie = bot: wit
• Scintillator: 0.3 – 2.5 mm
o Zet X-straalfotonen om in zichtbaar lichtfotonen
- EX-stralen >>> Ezichtbaar licht
- 1 X-straalfoton ➔ groot aantal zichtbaar lichtfotonen (35-60/keV)
o Voorwaarden
- Materiaal met hoge densiteit: X-straalfotonen absorberen
- Zichtbaar licht = groen: TFT is gevoeligst voor groen
- Materiaal met transparantie: zichtbaar lichtfotonen niet absorberen
- Manipuleerbaar en mechanisch bewerkbaar materiaal
Bv. gadolinium-oxy-sulfide, cesium-iodine kristallen
• Fotodetector = thin-film transistor: 30 x 40 cm – 200 – 600 μm pixels
! hoe meer licht fotonen een pixel ontvangt – hoe hoger de opgebouwde spanning
o Detecteert gedurende exposure time
o Spanning evenredig met aantal fotonen: foton-integration
! geen foton-per-foton detectie – maar reeks fotonen per tijdseenheid
Werking computed tomography
= verschillende 2D beelden opnemen rond lichaam
➔ 3D beeld reconstrueren via beeldreconstructie
− Evolutie in apparatuur
• 1971
o Duratie: 5 minuten
o Matrix: 80 x 80 pixels
• 2024
o Duratie: secondes (4 rondes per seconde)
o Matrix : 1024 x 1024 pixels
! niet echt een 2D decector – maar detectorstrip
- Vermindert scatter (buiging) van X-stralen = verhoogt contrast
4
ANALYSE, BEELDVORMING EN
VERWERKING
Macroscopische beeldvormingstechnieken ..............................................................................2
X-straal beeldvorming en CT (computed tomography)............................................................3
Nucleaire beeldvormingstechnieken.....................................................................................6
MRI = magnetic resonance imaging .................................................................................... 12
In vivo optical imaging ........................................................................................................ 15
Microscopische beeldvormingstechnieken ............................................................................. 19
Fysische grondbeginselen .................................................................................................. 19
Beeldvormingstechnieken .................................................................................................. 24
Selectie van microscopische en cytologische technieken in biomedisch onderzoek ............. 27
Preparatie van materiaal: kleuringen weefsel ...................................................................... 33
Moderne microscopen en technieken ................................................................................. 38
Morfologisch moleculaire technieken..................................................................................... 41
Technieken voor lokalisatie van specifieke bestanddelen..................................................... 41
,Macroscopische beeldvormingstechnieken
− Macroscopische = klinische = medische beeldvorming
• Radiologie: US + CT + MR
• Nucleaire geneeskunde: SPECT + PET
− Evolutie in bio-imaging
• Heden: microscopische en macroscopische beeldvorming = apart
o Eigen onderzoekslijnen
o Weinig communicatie
• Toekomst: brugvorming = molecule en mens dichter bij elkaar brengen
o Complexe systemen vertonen structuur op veel schalen
- Complex systeem = menselijk lichaam
- Schalen = macroscopisch tot microscopisch
Bv. atomen – moleculen – organellen – cellen – weefsels – organen - …
➔ processen op kleine schaal kunnen die op grote schaal beïnvloeden
o Gebruik alle beschikbare onderzoeksinfrastructuur
o Gap
- X-as = massa bestuurd d.m.v. beeldvorming [gram]
- Y-as = ruimtelijke resolutie van beeldvormingssysteem [mm3]
! gaat van onder = hoog – naar boven = laag
- Microscopische beeldvorming
▪ Goede ruimtelijke resolutie = μm range
▪ Lage massa = weefselcoupes
- Macroscopische beeldvorming
▪ Minder ruimtelijke resolutie = mm range
▪ Hoge massa = volledig lichaam
➔ oplossing: preklinische medische beeldvorming
− Preklinische medische beeldvorming
= medische beeldvormingstechniek toegepast op kleine proefdieren
• Sterkere ruimtelijke resolutie: 50-100 μm
o Factor 280 verschil in volume: mens = 70 kg rat = 250 g
= 6.5 keer kleiner in x-, y- en z-richting
= 6.5 keer betere ruimtelijke resolutie nodig
o Factor 2800 verschil in volume: mens = 70 kg muis = 25 g
= 14 keer kleiner in x-, y- en z-richting
= 14 keer betere ruimtelijke resolutie nodig
➔ 10 keer betere ruimtelijke resolutie nodig
• Extra modaliteit: optische beeldvorming van levende dieren
= bioluminescentie + fluorescentie
2
,X-straal beeldvorming en CT (computed tomography)
− 1900: 2D beeld van de anatomie van een hand met kogels
! Find – fight – follow-up
• Find = diagnose: verschillende kogels in hand
• Fight = behandeling: nauwkeurig kogels verwijderen
• Follow-up = opvolging: nieuwe X-straalbeeldvorming ter controle
Werking X-straalbeeldvorming
− X-stralenbron: genereert X-stralen
• Stroom sturen doorheen kathode
Kathode warmt op tot 2700 K
Vorming van negatief geladen elektronenwolk rond kathode
= thermo-ionic emission
Spanningsverschil aanleggen tussen kathode en anode = buisspanning = 80-120 kV
Versnelling van elektronen naar anode = buisstroom
o Elektronen worden afgeremd door atomen aanwezig in anode
= vrijgekomen energie = X-straling = Bremsstrahlung
o Elektron dringt binnen in atoom van anode
➔ stoot 1 elektron uit K-schil weg = open plaats voor elektron
➔ elektron uit L-schil springt naar open plaats
- Energieverschil = X-straal
! Grote atomen: röntgenstraal = pieken in spectrum
• X-straal spectrum: energieverlies gebaseerd op afbuiging van atomen in anode
! niet 1 bepaalde frequentie – maar grote variatie
o Ezichtbaar licht = 2-3 eV EX-stralen = 40-120 keV
o Voldoende energie om doorheen lichaam te stralen
• Focal spot = locatie waar elektronen botsen op anode
o Grootte = 1 mm
! bepaalt ruimtelijke resolutie
- Grote focal spot
▪ Meer X-stralen genereren per tijdseenheid
! warmt minder snel op
- Kleine focal spot
▪ Minder schaduwen: scherper
o Vertrekpunt bruikbare X-straling = kegelvormig
3
, − X-stralendetector: detecteert X-stralen
• Meet attenuatie/absorptie van X-stralen
o Geen attenuatie = lucht: zwart
o Veel attenuatie = bot: wit
• Scintillator: 0.3 – 2.5 mm
o Zet X-straalfotonen om in zichtbaar lichtfotonen
- EX-stralen >>> Ezichtbaar licht
- 1 X-straalfoton ➔ groot aantal zichtbaar lichtfotonen (35-60/keV)
o Voorwaarden
- Materiaal met hoge densiteit: X-straalfotonen absorberen
- Zichtbaar licht = groen: TFT is gevoeligst voor groen
- Materiaal met transparantie: zichtbaar lichtfotonen niet absorberen
- Manipuleerbaar en mechanisch bewerkbaar materiaal
Bv. gadolinium-oxy-sulfide, cesium-iodine kristallen
• Fotodetector = thin-film transistor: 30 x 40 cm – 200 – 600 μm pixels
! hoe meer licht fotonen een pixel ontvangt – hoe hoger de opgebouwde spanning
o Detecteert gedurende exposure time
o Spanning evenredig met aantal fotonen: foton-integration
! geen foton-per-foton detectie – maar reeks fotonen per tijdseenheid
Werking computed tomography
= verschillende 2D beelden opnemen rond lichaam
➔ 3D beeld reconstrueren via beeldreconstructie
− Evolutie in apparatuur
• 1971
o Duratie: 5 minuten
o Matrix: 80 x 80 pixels
• 2024
o Duratie: secondes (4 rondes per seconde)
o Matrix : 1024 x 1024 pixels
! niet echt een 2D decector – maar detectorstrip
- Vermindert scatter (buiging) van X-stralen = verhoogt contrast
4
