MEDISCHE BEELDVORMING (GCBA)
BRUG TUSSEN MICROSCOPIE EN MACROSCOPIE
Klinische (macroscopische, medische) beeldvorming = beeldvorming teruggevonden in een klinische omgeving
Vandaag: bezig met brug te bouwen tussen macroscopische en microscopische beeldvorming
=> belangrijk: ‘een kenmerk van complexe systemen is dat zij structuur vertonen op vele schalen)
=> beeldvorming van complex systeem (menselijk lichaam) door op verschillende niveaus van detail te kijken
=> structuren op kleine schalen kunnen processen op grote schaal beïnvloeden
Verschillende structurele entiteiten van het menselijk lichaam:
Moleculen < organellen < cellen < weefsels < organen < menselijk lichaam < omgeving van het lichaam
3 F’s van medische beeldvorming: Find (diagnose stellen), Fight (behandeling) en Follow-up (opvolging)
3 R’s van proefdieronderzoek: Replacement (door computermodellen), Refinement (methoden bewerken voor minimaal
dierenleed) en Reduction (zo weinig mogelijk proefdieren gebruiken voor antwoord op de onderzoeksvraag)
PREKLINISCHE BEELDVORMING
Challenge: de relatie tussen massa en resolutie van een beeldvormingstoestel
=> microscopische technieken: zeer lage resolutie (µm), zeer kleine massa
=> macroscopische technieken: zeer hoge resolutie (mm), zeer grote massa
ð GAP tussen die 2! = brug tussen microscopische en macroscopisch
ð Mogelijk oplossing = preklinische medische beeldvorming = toestellen voor
klinische beeldvorming beschikbaar voor medische beeldvorming in
proefdieren => resolutie 10x beter dan bij de mens
Waarom preklinische toestellen een hogere resolutie?
- Proefdieren wegen minder => rat 6,5 keer kleiner dan de mens in x-, y- en z-richting
=> dus 6,5 keer betere resolutie in zelfde scan als mens om anatomische details van een rat te zien
=> rat en muis samengenomen = factor +10 betere resolutie
CLINICAL IMAGING TECHNOLOGIES
5 belangrijke beeldvormingstechnieken:
- US/ echografie - SPECT/ Single-Photon Emission Tomography
- CT/ Computed Tomography - PET/ Positron Emission Tomography
- MRI/ Magnetic Resonance Imaging
=> al deze toestellen ook aanwezig in de preklinische medische beeldvorming (toestellen afgeleid van klinisch equivalent)
=> preklinische beeldvorming nog een extra techniek: optische beeldvorming van levende dieren (bioluminescentie en
fluorescentie in levende dieren)
2 belangrijke groepen van technieken (zowel microscopisch als macroscopisch):
- Structurele anatomische beeldvorming: externe bron/detector verkrijgt structurele informatie (vb. CT, MRI, US)
- Functionele beeldvorming: radiofarmacon ingespoten in patiënt die we kunnen volgen (vb. PET en SPECT)
,X-RAY IMAGING AND CT (COMPUTED TOMOGRAPHY)
X-RAY IMAGING
= tweedimensionaal beeld verkrijgen via X-straalbestraling (niet-invasief)
Apparatuur:
- X-stralenbron: X-stralen genereren (meer energie dan visueel licht
waardoor ze door lichaam stralen)
1. Kathode opgewarmd door stroom waardoor vorming van negatief geladen elektronenwolk errond
=> elektronen onder ‘thermo-ionic emission’
2. Spanningsverschil aanleggen tussen anode en kathode = elektronen naar anode versneld = buisstroom
3. Elektronen bereiken met hoge snelheid de anode waardoor afgeremd = energieverlies
=> botsen op anode in de focal spot (ontstaan X-stralen)
=> grootte = 1 mm, hier verlaten X-stralen de stralingsbuis
=> grootte bepaalt ruimtelijke resolutie: grotere focal spot = schaduwen (lagere ruimtelijke resolutie)
en meer X-stralen gegenereerd per tijdseenheid (anode warmt minder snel op)
4. Energieverlies komt vrij onder de vorm van X-stralen
=> elektron kan atoom in anode binnendringen en een elektron uit de K-schil wegstoten
=> energieverschil = uitgezonden als X-stralen specifiek voor het atoom in kwestie
= karakteristieke pieken X-stralen spectrum
o Anode + kathode
o X-stralen opgewekt door afremmen van elektronen => ‘Bremsstrahlung’/ remstraling
o Sterkte van afbuiging elektronen door atomen in anode bepaalt hoeveel energie het elektron verliest
=> spectrum aan X-stralen uitgezonden door X-stralenbuis (variatie aan frequenties van fotonen)
=> fotonen met zeer lage energie gefilterd door behuizing van de X-stralenbuis (niet tot detector)
- X-stralendetector: X-stralen detecteren recht tegenover de stralingsbron en attenuatie/absorptie meten
o Wit beeld = geen absorptie, dus alle X-stralen gemeten (lucht)
o Grijs beeld = een beetje absorptie (spieren)
o Zwart beeld = veel absorptie (botten)
=> hoger atoomnummer = beter röntgenstralen absorberen
o Bestaat uit 2 lagen:
1. Scintillator (0,3-2,5 mm) => vaak gadolinium-oxysulfide/ cesium-iodine kristallen
- X-stralen fotonen omzetten naar zichtbaar licht fotonen (meestal groen)
= 1 X-straal foton in 35-60 zichtbaar licht fotonen omgezet want heeft hogere energie
- Voorwaarden om efficiënt om te zetten:
1. Materiaal van scintillator hoge densiteit om te kunnen absorberen
2. Zichtbaar licht dat ontstaat groen, want TFT-detector gevoelig voor groen
3. Materiaal scintillator transparant voor zichtbaar licht (gegenereerd licht doorlaten)
4. Materiaal scintillator eenvoudig manipuleerbaar en mechanisch bewerkbaar
2. Fotodetector (thin-film transistor (TFT) detector met pixels van 200-600 µm)
- Tegenovergestelde van TFT-monitor
- Gedurende bepaalde tijd (exposure time) veel X-stralen fotonen detecteren en omzetten
in een spanning die toeneemt naar mate meer fotonen gedetecteerd (niet één per één)
=> elke pixel vangt een hele reeks fotonen op per tijdseenheid
=> zichtbaar licht door scintillator gegenereerd opvangen en omzetten naar signaal
Probleem met conventionele X-stralenbeeldvorming = 2-dimensionale beelden, maar mensen zijn 3-dimensionaal
=> oplossing; CT-scan
, COMPUTED TOMOGRAPHY (CT-SCAN) ALS KLINISCH TOESTEL
= verschillende tweedimensionale beelden opnemen rond het lichaam en reconstrueren tot een driedimensionaal beeld
via een wiskundige techniek (beeldreconstructie) = niet-invasief
Apparatuur:
- Gelijkaardige opbouw als röntgenscans
- X-stralenbron-detector combinatie draait 4 keer rond per seconde: 3D-beelden snel
genereren => draait continu rond de patiënt
- Vaak detectorstrip ipv 2D-detector gebruikt: tweedimensionale beelden per lijn opnemen
o Nadeel 2D-detector: gevoelig voor scatter van X-stralen
1. Meeste X-stralen buigen niet af wanneer ze door lichaam gaan na vertrekken uit stralenbuis
2. Als wel afbuigen = op onverwachte plekken belanden = minder contrast op beeld
o Stripdetector: gescatterde lijnen niet gedetecteerd, want vallen buiten de strip (2D-beelden per lijn)
1. Om de beurt alle lijnen van het lichaam van een patiënt scannen
- Structuren die gevisualiseerd kunnen worden:
o Botten
o Bloedvaten (adhv contrastmiddel)
o Longen
o Minder geschikt voor zwachte weefsels
COMPUTED TOMOGRAPHY (CT-SCAN) ALS PREKLINISCH TOESTEL/ MICRO-CT
X-stralendetector en X-stralenbuis moeten aangepast worden om de resolutie te kunnen verhogen in diermodellen:
- Focale spot: verkleint naar diameter van ongeveer 100 µm
o Hogere ruimtelijke resolutie (geen schaduw)
o Minder X-stralen door de opening (hogere scantijd om eenzelfde aantal stralen uit te zenden)
- X-stralendetector: kleinere pixels van ongeveer 100 µm
o Minder X-stralen per pixels gedetecteerd waardoor er langer gescand moet worden
o Hogere resolutie (scherpte) van het beeld
Door aanpassingen verlengt de scantijd, maar deze moet toch onder controle gehouden worden:
- Tweedimensionale detector i.p.v. detectorstrip
o Gevoeliger voor scatter van stralen (stralen die afbuigen en op onverwachte plaatsen door lichaam gaan)
o Contrast in preklinische CT-beelden lager dan in klinische CT-beelden (vnl. in zacht weefsel)
o Om contrast iets te verbeteren wordt vaan contrastmiddel gebruikt (vnl. in bloedvaten ingespoten)
Toepassingen preklinische CT veel beperkter dan klinische CT door lager contrast en lange scantijden
Focus van preklinische CT-beelden blijft in beeld brengen van botstructuren, vasculatuur en longen
VOORBEELD: p60 – p95
=> eerst via scans modellen bij de mens analyseren, daarna op proefdieren testen uitvoeren (eventueel met medicijnen)
=> traditionele approach vraagt meer dode proefdieren dan in vivo imaging (diermodellen maken en bestuderen)
=> 3 R’s: Refinement beter (minder dierenleed) + Reduction beter (minder proefdieren gebruikt)
=> in vivo modellen hebben grotere dimensies dan ex vivo modellen en zijn daarom nuttiger in onderzoek
NUCLEAR IMAGING TECHNIQUES (PET & SPECT)
Functionele beeldvormingstechniek: radiofarmacon wordt ingespoten in een patiënt om interne processen te bekijken
=> voordeel: functionele veranderingen gebeuren altijd voor structurele veranderingen in het lichaam, dus ziekte vroeger
te voorspellen/ diagnosticeren (hogere overlevingskans + minder duur (minder complexe therapie))
=> voordeel: snellere evaluatie mogelijk, want bij starten therapie eerst cellulaire en moleculaire veranderingen voordat er
structurele veranderingen zijn waar te nemen
BRUG TUSSEN MICROSCOPIE EN MACROSCOPIE
Klinische (macroscopische, medische) beeldvorming = beeldvorming teruggevonden in een klinische omgeving
Vandaag: bezig met brug te bouwen tussen macroscopische en microscopische beeldvorming
=> belangrijk: ‘een kenmerk van complexe systemen is dat zij structuur vertonen op vele schalen)
=> beeldvorming van complex systeem (menselijk lichaam) door op verschillende niveaus van detail te kijken
=> structuren op kleine schalen kunnen processen op grote schaal beïnvloeden
Verschillende structurele entiteiten van het menselijk lichaam:
Moleculen < organellen < cellen < weefsels < organen < menselijk lichaam < omgeving van het lichaam
3 F’s van medische beeldvorming: Find (diagnose stellen), Fight (behandeling) en Follow-up (opvolging)
3 R’s van proefdieronderzoek: Replacement (door computermodellen), Refinement (methoden bewerken voor minimaal
dierenleed) en Reduction (zo weinig mogelijk proefdieren gebruiken voor antwoord op de onderzoeksvraag)
PREKLINISCHE BEELDVORMING
Challenge: de relatie tussen massa en resolutie van een beeldvormingstoestel
=> microscopische technieken: zeer lage resolutie (µm), zeer kleine massa
=> macroscopische technieken: zeer hoge resolutie (mm), zeer grote massa
ð GAP tussen die 2! = brug tussen microscopische en macroscopisch
ð Mogelijk oplossing = preklinische medische beeldvorming = toestellen voor
klinische beeldvorming beschikbaar voor medische beeldvorming in
proefdieren => resolutie 10x beter dan bij de mens
Waarom preklinische toestellen een hogere resolutie?
- Proefdieren wegen minder => rat 6,5 keer kleiner dan de mens in x-, y- en z-richting
=> dus 6,5 keer betere resolutie in zelfde scan als mens om anatomische details van een rat te zien
=> rat en muis samengenomen = factor +10 betere resolutie
CLINICAL IMAGING TECHNOLOGIES
5 belangrijke beeldvormingstechnieken:
- US/ echografie - SPECT/ Single-Photon Emission Tomography
- CT/ Computed Tomography - PET/ Positron Emission Tomography
- MRI/ Magnetic Resonance Imaging
=> al deze toestellen ook aanwezig in de preklinische medische beeldvorming (toestellen afgeleid van klinisch equivalent)
=> preklinische beeldvorming nog een extra techniek: optische beeldvorming van levende dieren (bioluminescentie en
fluorescentie in levende dieren)
2 belangrijke groepen van technieken (zowel microscopisch als macroscopisch):
- Structurele anatomische beeldvorming: externe bron/detector verkrijgt structurele informatie (vb. CT, MRI, US)
- Functionele beeldvorming: radiofarmacon ingespoten in patiënt die we kunnen volgen (vb. PET en SPECT)
,X-RAY IMAGING AND CT (COMPUTED TOMOGRAPHY)
X-RAY IMAGING
= tweedimensionaal beeld verkrijgen via X-straalbestraling (niet-invasief)
Apparatuur:
- X-stralenbron: X-stralen genereren (meer energie dan visueel licht
waardoor ze door lichaam stralen)
1. Kathode opgewarmd door stroom waardoor vorming van negatief geladen elektronenwolk errond
=> elektronen onder ‘thermo-ionic emission’
2. Spanningsverschil aanleggen tussen anode en kathode = elektronen naar anode versneld = buisstroom
3. Elektronen bereiken met hoge snelheid de anode waardoor afgeremd = energieverlies
=> botsen op anode in de focal spot (ontstaan X-stralen)
=> grootte = 1 mm, hier verlaten X-stralen de stralingsbuis
=> grootte bepaalt ruimtelijke resolutie: grotere focal spot = schaduwen (lagere ruimtelijke resolutie)
en meer X-stralen gegenereerd per tijdseenheid (anode warmt minder snel op)
4. Energieverlies komt vrij onder de vorm van X-stralen
=> elektron kan atoom in anode binnendringen en een elektron uit de K-schil wegstoten
=> energieverschil = uitgezonden als X-stralen specifiek voor het atoom in kwestie
= karakteristieke pieken X-stralen spectrum
o Anode + kathode
o X-stralen opgewekt door afremmen van elektronen => ‘Bremsstrahlung’/ remstraling
o Sterkte van afbuiging elektronen door atomen in anode bepaalt hoeveel energie het elektron verliest
=> spectrum aan X-stralen uitgezonden door X-stralenbuis (variatie aan frequenties van fotonen)
=> fotonen met zeer lage energie gefilterd door behuizing van de X-stralenbuis (niet tot detector)
- X-stralendetector: X-stralen detecteren recht tegenover de stralingsbron en attenuatie/absorptie meten
o Wit beeld = geen absorptie, dus alle X-stralen gemeten (lucht)
o Grijs beeld = een beetje absorptie (spieren)
o Zwart beeld = veel absorptie (botten)
=> hoger atoomnummer = beter röntgenstralen absorberen
o Bestaat uit 2 lagen:
1. Scintillator (0,3-2,5 mm) => vaak gadolinium-oxysulfide/ cesium-iodine kristallen
- X-stralen fotonen omzetten naar zichtbaar licht fotonen (meestal groen)
= 1 X-straal foton in 35-60 zichtbaar licht fotonen omgezet want heeft hogere energie
- Voorwaarden om efficiënt om te zetten:
1. Materiaal van scintillator hoge densiteit om te kunnen absorberen
2. Zichtbaar licht dat ontstaat groen, want TFT-detector gevoelig voor groen
3. Materiaal scintillator transparant voor zichtbaar licht (gegenereerd licht doorlaten)
4. Materiaal scintillator eenvoudig manipuleerbaar en mechanisch bewerkbaar
2. Fotodetector (thin-film transistor (TFT) detector met pixels van 200-600 µm)
- Tegenovergestelde van TFT-monitor
- Gedurende bepaalde tijd (exposure time) veel X-stralen fotonen detecteren en omzetten
in een spanning die toeneemt naar mate meer fotonen gedetecteerd (niet één per één)
=> elke pixel vangt een hele reeks fotonen op per tijdseenheid
=> zichtbaar licht door scintillator gegenereerd opvangen en omzetten naar signaal
Probleem met conventionele X-stralenbeeldvorming = 2-dimensionale beelden, maar mensen zijn 3-dimensionaal
=> oplossing; CT-scan
, COMPUTED TOMOGRAPHY (CT-SCAN) ALS KLINISCH TOESTEL
= verschillende tweedimensionale beelden opnemen rond het lichaam en reconstrueren tot een driedimensionaal beeld
via een wiskundige techniek (beeldreconstructie) = niet-invasief
Apparatuur:
- Gelijkaardige opbouw als röntgenscans
- X-stralenbron-detector combinatie draait 4 keer rond per seconde: 3D-beelden snel
genereren => draait continu rond de patiënt
- Vaak detectorstrip ipv 2D-detector gebruikt: tweedimensionale beelden per lijn opnemen
o Nadeel 2D-detector: gevoelig voor scatter van X-stralen
1. Meeste X-stralen buigen niet af wanneer ze door lichaam gaan na vertrekken uit stralenbuis
2. Als wel afbuigen = op onverwachte plekken belanden = minder contrast op beeld
o Stripdetector: gescatterde lijnen niet gedetecteerd, want vallen buiten de strip (2D-beelden per lijn)
1. Om de beurt alle lijnen van het lichaam van een patiënt scannen
- Structuren die gevisualiseerd kunnen worden:
o Botten
o Bloedvaten (adhv contrastmiddel)
o Longen
o Minder geschikt voor zwachte weefsels
COMPUTED TOMOGRAPHY (CT-SCAN) ALS PREKLINISCH TOESTEL/ MICRO-CT
X-stralendetector en X-stralenbuis moeten aangepast worden om de resolutie te kunnen verhogen in diermodellen:
- Focale spot: verkleint naar diameter van ongeveer 100 µm
o Hogere ruimtelijke resolutie (geen schaduw)
o Minder X-stralen door de opening (hogere scantijd om eenzelfde aantal stralen uit te zenden)
- X-stralendetector: kleinere pixels van ongeveer 100 µm
o Minder X-stralen per pixels gedetecteerd waardoor er langer gescand moet worden
o Hogere resolutie (scherpte) van het beeld
Door aanpassingen verlengt de scantijd, maar deze moet toch onder controle gehouden worden:
- Tweedimensionale detector i.p.v. detectorstrip
o Gevoeliger voor scatter van stralen (stralen die afbuigen en op onverwachte plaatsen door lichaam gaan)
o Contrast in preklinische CT-beelden lager dan in klinische CT-beelden (vnl. in zacht weefsel)
o Om contrast iets te verbeteren wordt vaan contrastmiddel gebruikt (vnl. in bloedvaten ingespoten)
Toepassingen preklinische CT veel beperkter dan klinische CT door lager contrast en lange scantijden
Focus van preklinische CT-beelden blijft in beeld brengen van botstructuren, vasculatuur en longen
VOORBEELD: p60 – p95
=> eerst via scans modellen bij de mens analyseren, daarna op proefdieren testen uitvoeren (eventueel met medicijnen)
=> traditionele approach vraagt meer dode proefdieren dan in vivo imaging (diermodellen maken en bestuderen)
=> 3 R’s: Refinement beter (minder dierenleed) + Reduction beter (minder proefdieren gebruikt)
=> in vivo modellen hebben grotere dimensies dan ex vivo modellen en zijn daarom nuttiger in onderzoek
NUCLEAR IMAGING TECHNIQUES (PET & SPECT)
Functionele beeldvormingstechniek: radiofarmacon wordt ingespoten in een patiënt om interne processen te bekijken
=> voordeel: functionele veranderingen gebeuren altijd voor structurele veranderingen in het lichaam, dus ziekte vroeger
te voorspellen/ diagnosticeren (hogere overlevingskans + minder duur (minder complexe therapie))
=> voordeel: snellere evaluatie mogelijk, want bij starten therapie eerst cellulaire en moleculaire veranderingen voordat er
structurele veranderingen zijn waar te nemen
