Imaging prosedyre
En bildebehandlingsmetode genererer et bilde fra målte variabler til et reelt objekt , hvor den målte variabelen eller informasjonen avledet derfra blir visualisert på en romlig oppløst måte og kodet ved hjelp av lysstyrkeverdier eller farger .
Kommentarer: Den sylindriske kappen lar en del av utslippet fra den fremdeles varme trakten passere. Stålbåndene rundt glasskanna har en høy grad av refleksjon , dvs. en liten emissivitet , som forårsaker en refleks på venstre, kald kanne og et mørkt bånd på høyre, varmt kanne.
Imaging prosesser brukes i nesten alle vitenskapelige områder ( arkeologi , materialtesting , fjernmåling og andre). Begrepet " bildebehandling " er spesielt utbredt i medisin og brukes mest her med følgende betydning: "Generisk betegnelse for forskjellige diagnostiske metoder som gir bilder fra kroppen". De viktigste bildebehandlingsprosessene innen medisin er ultralyd, røntgen- og kjernediagnostikk, magnetisk resonans og computertomografi og endoskopi. Den mikroskop er nå sjelden forbundet med begrepet.
historie
Uttrykket "avbildning" ble allerede brukt av mystikeren Heinrich Seuse (1295 / 97-1366) i sin vita , der han skriver om "bildgebender wise" ("imaging manner") og "bildgebender glichnus" ("imaging parable"). "Imaging procedures" har blitt brukt i medisin siden slutten av 1970-tallet.
Den eldste og enkleste enheten som brukes i en bildebehandling er pinhole-kameraet . Den ble allerede brukt av astronomer for å observere solflekker på slutten av 1200-tallet. Som med alle fotografiske prosesser, brukes energien og fargen (bølgelengden) til lyset som sendes ut av objektet som den målte variabelen. Dette lyset skaper et bilde av objektet på baksiden av kameraet. I dette flyktige bildet gjenkjenner man lysstyrken og fargen på objektet på en romlig oppløst måte. I motsetning til det virkelige objektet er det imidlertid bare en todimensjonal representasjon. Malere i tiden til Leonardo da Vinci brukte pinhole-kameraet som et tegnehjelpemiddel for den detaljerte skildringen av virkeligheten. Den gang var tegning og maling de eneste måtene å holde et bilde permanent.
Teleskop og mikroskop er andre bildeenheter der utviklingen fant sted rundt 1600. Selv om de også bruker farger og lysstyrke på objekter for å generere bilder , tillater de visualisering av ting som ikke ville være synlige uten disse metodene.
En direkte implementering som et permanent bilde ble mulig da Joseph Nicéphore Nièpce oppfant fotoplaten i 1826 . Fotografering , slik oppfunnet , brukte lysfølsomme stoffer (fotografiske lag) ordnet i tynne lag og førte snart til utviklingen av høyhastighets kameralinser. I dag tar bildesensorer i økende grad rollen som de tidligere fotografiske lagene (se digital fotografering ).
Wilhelm Conrad Röntgen anerkjente i 1895 at røntgenstrålingen oppkalt etter ham er i stand til å trenge inn i materiale som er ugjennomtrengelig for synlig lys. Han oppdaget at forskjellige materialer demper strålingen i ulik grad. Grunnleggende om røntgenteknologi ble lagt, og de første røntgenbildene ble tatt. Bildet av hånden til kona Anna Bertha (22. desember 1895) viser ikke det visuelle inntrykket av hånden skapt av lys, men snarere den forskjellige absorpsjonen av røntgenstråler av forskjellige materialer og deres distribusjon inne i hånden for å skape bilde. På håndbildet ser de røntgentette beinene og fingerringen mørke ut, mens bløtvevet bestråles nesten uhindret.
En annen viktig milepæl i bildebehandlingsteknikkens historie var oppfinnelsen av elektronrøret , som kan betraktes som grunnlaget for elektronisk signalbehandling. Dette muliggjorde bruken av mange nye mål. Omtrent samtidig ble billedrøret også utviklet, som nå også kunne vise bevegelige bilder. Linje-for-linje-strukturen til bildet i billedrøret ble også delvis brukt i området for måledatainnsamling. Den sekvensielle skanningen av objektet kan fremdeles finnes i dag i prinsippet om skanningelektronmikroskopet , profilometeret eller i bildesensoren, der lyssignalene blir registrert parallelt, men leses opp sekvensielt.
Imidlertid ble de vidtrekkende endringene i bildeprosesser initiert av stadig kraftigere datamaskiner. Med dem er det mulig å utføre komplekse beregninger på kortest mulig tid. Dette er en forutsetning for rekonstruksjonsberegninger innen tomografiske prosesser og beregning av skjæreplan eller 3D-representasjoner.
Prinsippet for pinhole-kameraet: første og enkleste bildemetode
En av de første røntgenstrålene fra 1895
Seksjonsserie av magnetisk resonansavbildning av hodet
Grunnleggende prinsipp
En avbildingsprosess måler fysiske mengder av et ekte objekt. Avhengig av metode og type signal, skjer ytterligere behandling eller evaluering av de målte verdiene til informasjonen er tilgjengelig i ønsket form. De vises romlig løst som et bilde av objektet. Informasjonen blir presentert som lysstyrkeverdier eller kodet med falske farger. Typen representasjon avhenger av metoden som brukes, objektet og spørsmålet.
Objekter
Objektene som er undersøkt kan være veldig små (f.eks. For analyse med mikroskopiske og spektroskopiske metoder i materialtesting), levende vesener eller deler derav (f.eks. Sonografi eller tomografi i medisinsk diagnostikk), hele landskap (f.eks. Syntetisk blenderadar i navigasjon eller fjernmåling ) eller til og med deler utenfor vårt solsystem (f.eks. radioteleskoper for å utforske andre galakser i astronomi).
Mål
Den målte variabelen som brukes til å generere bildet bestemmer hvilken egenskap til objektet som vises. Tabellen nedenfor gir en oversikt over de målte variablene for forskjellige bildebehandling.
Bildevisning
Som allerede vist i delen Historikk , er forskjellige medier tilgjengelige for visualisering av bildebehandling. Bildet av objektet kan være analogt eller digitalt z. B. permanent i form av en film, foto, utskrift eller digitalt lagret eller vist som en flyktig fremstilling ved projeksjon, skjermvisning.
Uavhengig av utdata medium er det forskjellige typer visningsalternativer for den målte eller beregnede informasjonen. Dette gjelder spesielt når
- et målesignal inneholder forskjellig informasjon og kan derfor evalueres på forskjellige måter,
- flere signaler ble målt samtidig i en prosedyre,
- dataene er tilgjengelige som et komplett 3D-datasett.
Spesielt når det gjelder et 3D-datasett, beregnes ofte snittbilder eller snittbildeserier av kroppen. Seksjonsplanets retning og posisjonen kan vanligvis velges fritt. I motsetning til en projeksjonsmetode som for eksempel å bestråle en kropp, kan detaljer over eller under laget av interesse maskeres. I eksemplet nedenfor ble den forstyrrende informasjonen til ribbeina fjernet ved hjelp av skjæreplanteknikken. I noen tilfeller opprettes 3D-rekonstruksjoner for diagnose eller evaluering, som kan orienteres hvor som helst i rommet og tillate utsikt fra alle sider.
Måleenhet for computertomografi (CT) i medisin
Projeksjon (normal røntgen)
Seksjon i kroppens lengdeakse (frontparti)
tverrgående snittriss av legemet
3D VR rekonstruksjon av svært absorberende materialer (bein)
En representasjon av resultatene i form av målebjelker eller spektre tilsvarer ikke definisjonen av en avbildningsmetode, siden informasjonen ikke er representert romlig løst i forhold til det undersøkte objektet.
Imaging prosesser innen vitenskap og teknologi
Imaging prosedyrer i medisin
I medisin brukes vanligvis en annen definisjon for avbildningsmetoder: "Generisk betegnelse for forskjellige diagnostiske metoder som gir bilder fra innsiden av kroppen."
Fotografering som bildebehandling
Bildebehandlingsprosessen i fotografering fungerer i stor grad med lys og etterligner måten menneskets øye fungerer på. I den analoge prosessen projiseres et lysbilde på et lysfølsomt medium ved hjelp av optiske prosesser og lagres der direkte og permanent. I den digitale versjonen konverteres bildeinformasjon til elektroniske data. Bildet tilsvarer den optiske oppfatningen av mennesket, selv om visse inntrykk av det fotograferte objektet blir skapt gjennom bildesammensetningen og belysningen, som gir rom for manipulasjon av betrakteren.
Evaluering av elektromagnetisk stråling
Avhengig av bølgelengden til den elektromagnetiske strålingen , oppnås forskjellig informasjon om objektet:
Ekstremt kortbølgestråling ( gamma- eller røntgenstråling ) trenger inn i de fleste materialene i en komponent. Dette gjør det mulig å synliggjøre interne strukturer og ufullkommenheter. Søknader er f.eks. B. Røntgenbilder eller computertomografi , som også brukes oftere og oftere i materialtesting. Dette kan f.eks. B. i sammenheng med en skadeanalyse eller kvalitetssikring.
Det synlige spekteret (lys) kan brukes direkte til bildebehandling i bildebehandling. Typiske optiske metoder er fotografering eller lysmikroskopi. Når komponenten er belyst med UV- lys, kan imidlertid materialforskjeller også visualiseres ved hjelp av fluorescenseffekter som ikke vil være synlige for det blotte øye med normal belysning. Ved hjelp av lasere ( laserskanning ) eller ved hjelp av stripprojeksjonsmetoder er det imidlertid også mulig å måle 3D-strukturen til et objekt. Hvis måleresultatene deretter vises som et bilde, kan dette også refereres til som bildeprosesser.
Infrarød stråling (IR) kan brukes i termografi for å vise fordelingen av varme på overflater. I sammenheng med en bygningstermografi kan svake punkter i isolasjonen eller fuktighet i vegger oppdages. I industrisektoren brukes imidlertid termografi også til å analysere eller overvåke prosesser. Videre kan infrarød stråling også vurderes spektroskopisk ( infrarød spektroskopi ). Absorpsjonen av infrarød stråling gjennom molekylære vibrasjoner måles. Denne informasjonen kan brukes til å synliggjøre kjemiske reaksjoner og gi informasjon om strukturen til for eksempel organiske forbindelser . Hvis det oppdagede signalet blir vist romlig oppløst for visse bølgelengder i et bilde, kan en materialfordeling i objektet visualiseres med et tilsvarende utvalg av de viste vibrasjonsbåndene.
Når det gjelder terahertz- strålingen etter IR- strålingen , ble det funnet at denne klærne trenger inn nesten uten svekkelse, men reflekteres sterkt av metall eller vann. Derfor brukes systemer med denne teknologien også på noen flyplasser for identitetskontroller. Denne prosessen gikk gjennom media under begrepet " naken skanner " og er ennå ikke i bruk i Tyskland. Terahertz-stråling, så vel som stråling i det påfølgende mikrobølgeområdet, brukes i radioastronomi for å utforske verdensrommet.
I mikrobølgeovnen brukes refleksjonene til bildebehandling. Søknadene er værovervåking (stasjonær eller i fly), trafikkovervåking i flytrafikkontroll og orientering på vannveier i tåke ( skipsradar ). Den radar benyttes også i det militære.
Evaluering av lyd
I tette medier som vann har lydbølger en betydelig større spredningsavstand enn elektromagnetiske bølger (f.eks. Synlig lys), som er relativt sterkt absorbert . Lydbølger er derfor av stor betydning for å måle fysiske, kjemiske og biologiske mengder i havet. Som med bildeakkolodd, kan informasjonen vises som et bilde. Et eksempel er sideskannende ekkolodd , som brukes til å utforske havbunnen. I tillegg til formen på havbunnen ( topografi ), kan materialforskjeller (f.eks. Sand, stein eller silt) også gjenkjennes. Enkle enheter brukes også til vannredning. Som et alternativ til sidesøk-ekkoloddet kan noen moderne høyoppløselige loddbobber med lignende oppløsning brukes.
Lydbølger kan også brukes til å karakterisere det indre av faste stoffer. Refleksjoner forekommer ved materialgrenser, slik at hulrom eller materialer med ulik tetthet kan visualiseres med hensyn til størrelse og posisjon. Et eksempel her er sonografi , som fungerer med ultralyd og hovedsakelig brukes innen det medisinske feltet. Innen materialvitenskapen brukes den enda kortere bølgen hypersonisk . Med bølgelengder som er i området synlig lys, er akustiske mikroskop mulig. B. kan brukes i elektronikk for ikke-destruktiv undersøkelse av kvaliteten på lederbanene.
Overflateskanning
Begrepet skanningssondemikroskopi dekker ulike metoder som skanner overflaten av en prøve med en fin nål. Informasjonen om høyden er oppnådd for hvert punkt på overflaten ( topografi ) og dermed et komplett sett med tredimensjonale koordinater som vises som et falskfarget bilde eller 3D-struktur. I tillegg tillater atomkraftmikroskopi også måling av andre interaksjoner mellom nålespissen og overflaten. Så z. B. lokale variasjoner av magnetiske feltstyrker , kjemiske egenskaper, materialhardhet, etc. kan bestemmes og visualiseres.
Evaluering av materiustråling
De scanning elektronmikroskop bruksområder for avbildnings elektroner , som utsendes fra prøven. Avhengig av type evaluering, oppnås bilder som viser overflateformen eller materialfordelingen i det undersøkte objektet. Med Focused Ion Beam brukes imidlertid ioner til å avbilde overflaten.
Hvis massen av ionene som sendes ut av prøven blir evaluert ved massespektrometri , kan fordelingen av de tilsvarende forbindelsene også vises som et bilde. Alle prosesser som vurderer materiustråling er veldig overflatefølsomme.
weblenker
Individuelle bevis
- ^ A b Roche Lexicon Medicine. Urban & Fischer Verlag, München, ISBN 978-3-437-15180-4 .
- ↑ se Hermann Kunisch: Den middelalderske mystikken og det tyske språket. En planløsning. I: Literary Studies Yearbook på vegne av Görres Society 6 (1965), s. 37–90, her 76.
- ^ Heinrich Seuse : Vita , i: tyske skrifter. På vegne av Württemberg-kommisjonen for statshistorie red. av Karl Bihlmeyer, Stuttgart 1907, 3.3 og 191.1 ( e-tekst ; PDF; 1,6 MB)
- ↑ F.eks. "Dynamikken til videreutvikling av fundamentalt nye teknologier og bildebehandlingsprosesser fører til forventning om ytterligere fremskritt på grunn av den tilhørende økningen i vår kunnskap om anatomi og patologi til organene i det lille bekkenet", Lothar Diethelm: Handbuch der Medizinische Radiologie. Vol. 12-13, Springer, 1980, s. Vi.
- ^ Oppdagelse av røntgenstråler <. I: XFELinfo. Tysk elektron-synkrotron DESY, tilgjengelig 20. juni 2009 .
- ↑ Røntgen. Deutsches Museum München, åpnet 25. oktober 2009 (utdrag fra: “Masterpieces from the Deutsches Museum Volume II”).
- ↑ Eksempel på bilde fra S. Figur, SF-legender: Fremme av prostatametastatisk migrasjon mot human benmargsstoma ved Omega 6 og dens hemming av Omega 3 PUFA . I: British Journal of Cancer . teip 94 , 2006, s. 842-853 , doi : 10.1038 / sj.bjc.6603030 .
- ↑ Georg Sorge: Fascination Ultralound. Vieweg + Teubner Verlag, 2002, ISBN 3-519-00415-1 , s. 94.