3.1 Entstehung von Röntgenstrahlung

Beim Auftreffen schneller Elektronen auf Materie werden 99% der kinetischen Energie in Wärme, der Rest in Röntgenstrahlen umgewandelt. Das, was man auf Röntgenbildern sieht, entsteht aus der Röntgenbremsstrahlung. Wenn ein Elektron Materie durchdringt, wird es von dieser unterschiedlich abgelenkt oder gebremst, und so wird dieser Verlust kinetischer Energie in Röntgenstrahlung umgesetzt.

Technisch sieht ein Röntgen-Verfahren so aus: Man beschleunigt Elektronen, die auf den Brennfleck auftreffen, wobei Röntgenstrahlen entstehen, die sich dann durch das Objekt fortsetzen und unterschiedlich abgeschwächt werden.

Die Computertomographie erzeugt mit Röntgenstrahlen Ebenenbilder(*) vom Objekt. Eine Ebene wird in verschiedenen Winkeln aufgenommen. Aus den entstehenden Daten kann man mit Hilfe einer Transformation das Bild rekonstruieren.

3.2 Die Magnet-Resonanz-(oder Kernspin-)Tomographie (MR)

1973 wurde dieses Verfahren entwickelt, was einen großen Fortschritt für die Aussagekraft medizischer Bilder bewirkte. Nicht nur Knochen und Weichteile, sondern auch Strukturen innerhalb von Organen konnten erkennbar gemacht werden. Während Röntgen oder CT dadurch funktionieren, daß sie messen, wie stark Strahlen inerhalb des Körpers gebremst werden, macht MR eine Aussage über die Anzahl der Protonen im Gewebe.
Jeder Atomkern besteht aus einer Anzahl von Neutronen und Protonen. Einen Eigendrehimpuls (Spin) haben nur solche Kerne, deren Anzahl von Neutronen und/oder Protonen ungerade ist. Das sind z.B. Wasserstoff, Kohlenstoff-13 und Phosphor-31 (Aus [2]), wobei Wasserstoff die wichtigste Rolle spielt.
Die Protonen mit einem Eigendrehimpuls verhalten sich wie zufällig verteilte Stabmagneten: ihre magnetische Wirkung hebt sich gegenseitig auf.
Wenn jetzt ein äußeres Magnetfeld angebracht wird, richtet sich die Hälfte der Protonen entgegengesetzt dazu aus, die andere Hälfte mit dem äußeren Magnetfeld. Allerdings ist es nicht genau die Hälfte, sondern ein sehr geringer Teil mehr (1 zu 10^6) ist in Richtung mit dem äußeren Feld zu beobachten.
Außerdem beginnen die Protonen mit einer kreiselartigen Bewegung um die Achse des äußeren Magnetfeldes (siehe Bild 3.1). Das nennt man Präzession oder Resonanz.

Bild 3.1 Bo: äußeres Magnetfeld

Nun kann man mit einem bestimmten Verfahren (für Details siehe [2]) Daten
wie z.B. die Protonendichte erfahren.Allerdings sind dies keine ortsgebundenen Daten; deshalb wird ein Verfahren der Ortsauflösung auf die Daten angewandt.

3.2.1 Verschiedene Ortsauflösungsverfahren

• Punkttechnik
   Die Resonanz trift nur auf einem Punkt der Probe auf. So müssen alle "Punkte" (oder Voxel(*2) ) (je nach Wahl der Auflösung) gemessen werden. Das dauert aber sehr lange; Besser ist die
• Linientechnik
   Das Resonanz-Signal, das von einer "Zeile" ausgesendet wird, wird durch eine Transformation in Bildpunkte übersetzt. Hier wird also der Vorteil durch Computer bemerkbar: die Aufnahmezeit verringert sich, aber die Berechnung der Transformation in kurzer Zeit ist nur mit dem Computer möglich.
• Ebenentechnik
   Nur eine Ebene gibt ein Resonanz-Signal zurück. Die zweidimensionalen Daten müssen den einzelnen Voxeln zugeordnet werden. Die Aufnahmezeit ist noch geringer.
• Dreidimensionale Technik
   Hier ist nur noch eine Messung notwendig, daher muß man nicht dafür sorgen, daß nur ein bestimmter Teil der Probe mit Resonanz reagiert. Die Daten müssen nun mit einer dreidimensionalen Transformation aufbereitet werden.
   Da medizische dreidimensionale Bilder meistens als eine Reihe von zweidimensionalen Bildern gespeichert werden, verwendet man aber häufiger die Ebenentechnik.

3.3 Schallwellen

Schallwellen können sich nur in Materie ausbreiten. In der Medizin wird nur die longitudinale Schallwelle verwendet (Ausbreitung parallel zur Schwingungsrichtung).
Durch verschiedene Materialkonstanten wie Schallgeschwindigkeit und Dichte lassen sich Knochen, Weichteile und Luft unterscheiden. Wenn eine Schallwelle auf die Grenze zwischen zwei verschiedenen Materialien trifft, wird ein Teil der Welle reflektiert, der größere Teil setzt sich weiter fort. Durch die reflektierten Wellen kann man ein Ultraschallbild (Sonographie) rekonstruieren.