Ein bildgebendes Verfahren erzeugt aus Messgrößen eines realen Objektes ein Abbild, wobei die Messgröße oder eine daraus abgeleitete Information ortsaufgelöst und über Helligkeitswerte oder Farben kodiert visualisiert wird.
mini|hochkant=2|Beispiel zweier bildgebender Verfahren (Thermografie und Fotografie): Das Wärmebild links zeigt die Temperaturverteilung einer Kaffeemaschine mit zwei Kannen, abgeleitet aus der Infrarotabstrahlung. Die Legende in der Mitte zeigt die benutzten Falschfarben. Rechts ist das gleiche Objekt im sichtbaren Spektralbereich dargestellt.Bemerkungen: Der zylindrische Mantel lässt einen Teil der Emission des noch heißen Trichters durch, sein Material zeigt also im genutzten Infrarotbereich eine gewisse Transparenz. Die Stahlbänder um die Glaskannen haben einen hohen Reflexionsgrad, also eine kleine Emissivität, was an der linken, kalten Kanne einen Reflex und an der rechten heißen Kanne ein dunkles Band bewirkt.
Bildgebende Verfahren finden Anwendung in nahezu allen naturwissenschaftlichen Bereichen (Archäologie, Materialprüfung, Fernerkundung und andere). Der Ausdruck „bildgebendes Verfahren“ ist besonders in der Medizin weit verbreitet und wird hier meist mit folgender Bedeutung benutzt: „Oberbegriff für verschiedene Diagnostikmethoden, die Aufnahmen aus dem Körperinneren liefern“.Roche Lexikon Medizin. Urban & Fischer Verlag, München, ISBN 978-3-437-15180-4. Die wichtigsten bildgebenden Verfahren in der Medizin sind Ultraschall-, Röntgen- und Nukleardiagnostik, Magnetresonanz- und Computertomografie sowie die Endoskopie. Die Mikroskopie wird heute seltener mit dem Begriff assoziiert.
Geschichte Der Ausdruck „bildgebend“ wurde bereits von dem Mystiker Heinrich Seuse (1295/97–1366) in seiner Vita verwendet, wo er von „bildgebender wise“ („bildgebender Weise“) und „bildgebender glichnus“ („bildgebendes Gleichnis“) schreibt.vgl. Hermann Kunisch: Die mittelalterliche Mystik und die deutsche Sprache. Ein Grundriß. In: Literaturwissenschaftliches Jahrbuch im Auftrage der Görres-Gesellschaft 6 (1965), S. 37–90, hier 76.Heinrich Seuse: Vita, in: Deutsche Schriften. Im Auftrag der Württembergischen Kommission für Landesgeschichte hg. von Karl Bihlmeyer, Stuttgart 1907, 3,3 und 191,1 (e-Text; PDF; 1,6 MB) Von „bildgebenden Verfahren“ wird seit Ende der 1970er Jahre in der Medizin gesprochen.Z. B. „Die Dynamik der Weiterentwicklung grundsätzlich neuer Technologien und bildgebender Verfahren läßt über den damit verbundenen Zuwachs unseres Wissens über Anatomie und Pathologie der Organe des kleinen Beckens weitere Fortschritte erwarten“, Lothar Diethelm: Handbuch der medizinischen Radiologie. Band 12–13, Springer, 1980, S. vi.
Das älteste und einfachste Gerät eines bildgebenden Verfahrens ist die Lochkamera. Sie wurde bereits am Ende des 13. Jahrhunderts von Astronomen zur Beobachtung der Sonnenflecken verwendet. Als Messgröße wird hier, wie bei allen fotografischen Verfahren, die Energie und Farbe (Wellenlänge) des vom Objekt ausgesendeten Lichts verwendet. Dieses Licht erzeugt auf der Rückseite der Kamera ein Abbild des Objektes. In diesem flüchtigen Abbild erkennt man die Helligkeit und die Farbe des Objektes ortsaufgelöst. Im Gegensatz zum realen Objekt ist es jedoch nur eine zweidimensionale Darstellung. Maler in der Zeit von Leonardo da Vinci nutzten die Lochkamera als Zeichenhilfe zur detailgenauen Abbildung der Wirklichkeit. Zeichnung und Malerei waren damals die einzige Möglichkeit, ein Bild dauerhaft zu erhalten.
Fernrohr und Mikroskop sind weitere bildgebende Geräte, deren Entwicklungen um 1600 stattfanden. Obwohl auch sie Farbe und Helligkeit von Objekten zur Bilderzeugung nutzen, erlauben sie die Visualisierung von Dingen, die ohne diese Verfahren nicht sichtbar wären.
Eine direkte Umsetzung als dauerhaftes Abbild wurde möglich, als Joseph Nicéphore Niépce 1826 die fotografische Platte erfand. Die damit erfundene Fotografie nutzte in dünnen Schichten angeordnete lichtempfindliche Stoffe (fotografische Schichten) und führte bald zur Entwicklung lichtstarker Kameraobjektive. Heute übernehmen Bildsensoren zunehmend die Rolle der früheren fotografischen Schichten (siehe Digitalfotografie).
Wilhelm Conrad Röntgen erkannte 1895, dass die nach ihm benannte Röntgenstrahlung imstande ist, für sichtbares Licht undurchdringliche Materie zu durchdringen. Er entdeckte, dass verschiedene Materialien die Strahlung unterschiedlich stark schwächen. Die Grundlagen der Röntgentechnik waren damit gelegt und die ersten Röntgenbilder wurden aufgenommen. Auf dem Bild der Hand seiner Ehefrau Anna Bertha (22. Dezember 1895) ist nicht der durch Licht erzeugte visuelle Eindruck der Hand wiedergegeben, sondern es wurde als Messgröße die unterschiedliche Absorption der Röntgenstrahlung durch verschiedene Materialien und deren Verteilung im Inneren der Hand zur Bilderzeugung verwendet. Im Abbild der Hand erscheinen die röntgendichteren Knochen und der Fingerring dunkel, während das Weichgewebe nahezu ungehindert durchstrahlt wird.
Ein weiterer großer Meilenstein in der Geschichte der bildgebenden Verfahren war die Erfindung der Elektronenröhre, die als Basis der elektronischen Signalverarbeitung angesehen werden kann. Diese ermöglichte die Nutzung vieler neuer Messgrößen. Etwa zeitgleich wurde auch die Bildröhre entwickelt, die nun auch bewegte Bilder darstellen konnte. Der zeilenweise Aufbau des Bildes in der Bildröhre wurde zum Teil auch im Bereich der Messdatenerfassung verwendet. Die sequentielle Abrasterung des Objekts findet man auch heute noch im Prinzip des Rasterelektronenmikroskops, des Profilometers oder im Bildsensor verwirklicht, bei dem die Lichtsignale zwar parallel aufgenommen, aber sequenziell ausgelesen werden.
Die weitestreichenden Veränderungen der bildgebenden Verfahren wurden jedoch von den zunehmend leistungsfähigeren Computern initiiert. Mit ihnen ist es möglich, komplexe Berechnungen in kürzester Zeit durchzuführen. Dieses ist Voraussetzung für Rekonstruktionsberechnungen im Bereich tomografischer Verfahren und die Berechnung von Schnittebenen oder von 3D-Darstellungen.
Grundprinzip mini|Grundprinzip eines bildgebenden Verfahrens
Ein bildgebendes Verfahren misst physikalische Größen eines realen Objektes. Je nach Verfahren und Signalart erfolgt eine zusätzliche Weiterverarbeitung oder Auswertung der Messwerte, bis die Informationen in der gewünschten Form vorliegen. Sie werden ortsaufgelöst als Abbild des Objektes dargestellt. Die Informationsdarstellung erfolgt als Helligkeitswerte oder kodiert über Falschfarben. Die Art der Darstellung hängt vom verwendeten Verfahren, dem Objekt und der Fragestellung ab.
Objekte Die untersuchten Objekte können sehr klein sein (z. B. zur Analyse mit mikro- und spektroskopischen Methoden in der Materialprüfung), Lebewesen oder Teile davon (z. B. Sonografie oder Tomografie in der medizinischen Diagnostik), ganze Landschaften (z. B. Synthetic Aperture Radar in der Navigation oder Fernerkundung) oder sogar Teile außerhalb unseres Sonnensystems (z. B. Radioteleskope zur Erforschung anderer Galaxien in der Astronomie).
Messgrößen Die zur Bilderzeugung verwendete Messgröße entscheidet, welche Eigenschaft des Objektes dargestellt wird. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Messgrößen unterschiedlicher bildgebender Verfahren.
Messgröße Information Messverfahren und Geräte, die diese Messgröße nutzen Anwendungsbeispiele Licht Wellenlänge, Absorption, Beugung, Brechung, Streuung, Transmission, Fluoreszenz, Lumineszenz, Polarisation, Szintillation, Gravitation Mikroskopie, Endoskopie, Teleskop, Kamera, Lidar, Spektroskop, Particle Image Velocimetry (PIV), Refraktometer Astronomie, Fotografie, Materialwissenschaft, Biologie, Ingenieurwissenschaften, Analytische Chemie, Teilchenstrahlung Energie, Richtung, Masse, Ladung, Intensität Hodoskop, Nebelkammer, Blasenkammer, Elektronenmikroskop Kernphysik, Festkörperphysik Ladungen Elektrischer Strom von Elektronen, Ionen, Sekundärteilchen, Oberflächenform und -beschaffenheit Elektronenmikroskop, Rasterelektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskop, Rastertunnelspektroskopie, Feldelektronenmikroskop, Feldionenmikroskop Festkörperphysik, Oberflächenphysik, Oberflächenchemie Ionenmasse Materialzusammensetzung Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) Chemische Oberflächenanalytik Kraft Geometrie, Oberflächenform und -beschaffenheit Rasterkraftmikroskop Oberflächenphysik, Oberflächenchemie Absorption von Röntgenstrahlung Materialdichte und -verteilung im Inneren Röntgendiagnostik, Computertomografie (CT) Medizin, Röntgenopazität (zum Beispiel Gepäckkontrolle am Flughafen), Kunstwissenschaft Energie von Röntgenstrahlung Materialzusammensetzung Elementverteilungsbilder mit Röntgenspektroskopie (EDX, WDX), Multi-Energy-Computertomographie chemische Analytik, Kriminalistik, Medizin Reflexion und Streuung von Ultraschall Materialdichte und -verteilung im Inneren Sonografie, akustische Mikroskopie, Sodar Medizin, Halbleitertechnik, Materialwissenschaft, Meteorologie Kernspin im Magnetfeld Dichte und lokale Umgebungsbedingungen von Atomen Magnetresonanztomografie (MRT, MRI) Medizin, Neurowissenschaften, Archäologie an Mumien Infrarot-Strahlung Temperaturverteilung an der Oberfläche Thermografie Wärmebilder von Gebäuden, Auffinden von Brandherden (Feuerwehr), Personensuche Radarstrahlung Laufzeit, Intensität, Doppler- oder Phasenverschiebungen im Radarecho Synthetic Aperture Radar (SAR), Real Aperture Radar (RAR) Erkundung und militärische Aufklärung, Navigation Emissionen von radioaktiven Stoffen (Tracer) Darstellung der Stoffwechselaktivität bestimmter Strukturen im Körper Nuklearmedizinische Verfahren (Szintigrafie, SPECT, PET) Medizin, Neurowissenschaften Laufzeit von Schallwellen Schallgeschwindigkeit, Dichte Seismische Tomographie Geowissenschaften, Innerer Aufbau der Erde, Erkundung Stromstärke und Spannung Spezifischer Widerstand Elektrische Widerstandstomographie Geowissenschaften, Innerer Aufbau der Erde, Erkundung Magnetische Feldstärke Magnetische Suszeptibilität Inversion der magnetischen Feldstärke Geowissenschaften, Innerer Aufbau der Erde, Erkundung Stromfaden, Stromlinie Strömung Strömungsphysik Flugzeug, Fahrzeug, Sport, Rohrleitung und Gewässer Ort Lage und Bewegung einer Oberfläche Geodäsie, Schallanalyse, Produktionstechnik Lawinendienst, Lärmreduktion, Sounddesign, Umformen und Gewässer
Bilddarstellung Wie bereits im Abschnitt Geschichte dargestellt, stehen für die Bildvisualisierung von bildgebenden Verfahren verschiedene Medien zur Verfügung. Das Abbild des Objektes kann analog oder digital z. B. dauerhaft in Form eines Films, Fotos, Ausdrucks oder digital gespeichert festgehalten oder als flüchtige Darstellung durch Projektion, Bildschirmdarstellung angezeigt werden.
Unabhängig vom Ausgabemedium gibt es verschiedene Arten von Darstellungsmöglichkeiten der gemessenen bzw. daraus errechneten Information. Dieses gilt vor allem, wenn ein Messsignal verschiedene Informationen enthält und somit unterschiedlich ausgewertet werden kann, bei einem Verfahren mehrere Signale gleichzeitig gemessen wurden, die Daten als kompletter 3D-Datensatz vorliegen.
Speziell im Fall eines 3D-Datensatzes werden häufig Schnittbilder oder Schnittbildserien des Körpers errechnet. Die Orientierung der Schnittbildebene und die Position sind dabei meist frei wählbar. Im Gegensatz zu einem Projektionsverfahren wie der Durchstrahlung eines Körpers können so gezielt Details oberhalb oder unterhalb der interessierenden Schicht ausgeblendet werden. Im unteren Beispiel wurde durch die Technik der Schnittebene die störende Information der Rippen entfernt. Teilweise werden für die Diagnose oder Auswertung auch 3D-Rekonstruktionen erstellt, die sich beliebig im Raum orientieren lassen und Anblicke von allen Seiten erlauben.