Visualisierung in der Medizin (eBook)

Neue Techniken und die Grenzen der Entwicklung

Zhe Liu (Herausgeber)

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2025 | 1. Auflage
XV, 213 Seiten
Springer Spektrum (Verlag)
978-981-97-9693-9 (ISBN)

Infos

Dieses Buch fasst die jüngsten Fortschritte in der visualisierten Medizin zusammen, sowohl hinsichtlich der grundlegenden Prinzipien als auch der Entwicklung  neuer Techniken und deren Grenzen. Besonders in Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI), medizinischen Bildgebungsverfahren und medizinischen Robotern wurden intelligente Medizintechnologien entwickelt und klinisch angewendet, um die Diagnose, Behandlung, Prognose und Datenanalyse von lebensbedrohlichen Krankheiten zu verbessern. Diese Philosophie revolutioniert umfassend die Behandlungsstrategie im Gesundheitswesen und wird die Präzisionsmedizin und Präzisionschirurgie weiter intuitiv erfassbar, intelligent analysierbar und präzise umsetzbar machen.

Das Buch beinhaltet folgende Themen und fasst sie zusammen:

1. Die hochmoderne Definition der visualisierten Medizin.
2. Fortschrittliche Techniken und klinische Anwendungen der visualisierten Medizin im vergangenen Jahrzehnt.
3. Neue Grenzen und brandneue Technologien, z.B. künstliche Intelligenz (KI), chirurgische Roboter, etc.
4. Revolutionäre Auswirkungen auf Diagnose, Behandlung und Prognose von Krankheiten.
5. Zukünftige Herausforderungen und Perspektiven.

Inhalt

Geleitwort I 6
Geleitwort II 8
Geleitwort III 10
Vorwort 12
Inhaltsverzeichnis 14
1 Entwicklung von der medizinischen Bildgebung zur visualisierten Medizin 15
Zusammenfassung 15
Liste der Abkürzungen 16
1.1Überblick und Meilensteine 16
1.2Traditionelle medizinische Bildgebung 17
1.2.1Röntgen und CT 17
1.2.2Magnetresonanztomographie 17
1.2.3Nukleare Bildgebung 18
1.2.4Ultraschallbildgebung 18
1.3Molekulare Bildgebung 18
1.3.1Molekulare optische Bildgebung 19
1.3.2Molekulare nukleare Bildgebung 20
1.3.3Molekulare MR-Bildgebung 20
1.3.4Multimodale Bildgebung 21
1.4Visualisierte Medizin 22
1.4.1VR/AR-unterstützte Technologie 22
1.4.2KI-personalisierte Diagnose 23
1.4.3Bildgeführte Roboterpräzisionschirurgie 24
1.4.4Intelligente Traditionelle Chinesische Medizin 24
1.5Ausblick 25
Literatur 26
2 Medizintechnik und Bildgebungsagenten 29
Zusammenfassung 29
Liste der Abkürzungen 29
2.1Traditionelle medizinische Bildgebung 31
2.1.1Magnetresonanztomographie 31
2.1.1.1 Prinzip der MRT 31
2.1.1.2 Kontrastmittel in der MRT 31
Paramagnetische und superparamagnetische Kontrastmittel 32
Nanopartikel-Kontrastmittel 32
2.1.2Computertomographie 33
2.1.2.1 Prinzip der CT 33
2.1.2.2 Kontrastmittel in der CT 34
Jodbasierte Kontrastmittel 34
Nanopartikel-Kontrastmittel 34
2.1.3Positronen-Emissions-Tomographie 35
2.1.3.1 Prinzip von PET 35
2.1.3.2 Kontrastmittel in der PET 36
PET-Radioisotope 36
Nanopartikel-Kontrastmittel 36
2.1.4Single-Photon-Emissions-Computertomographie 37
2.1.4.1 Prinzip von SPECT 37
2.1.4.2 Kontrastmittel in SPECT 37
SPECT-Radionuklide 37
Funktionelle Nanomaterialien in SPECT 39
2.1.5Ultraschall 39
2.1.5.1 Prinzip des US 40
2.1.5.2 Kontrastmittel im US 40
Mikroblasenbasierte Ultraschallkontrastmittel 40
Nanoblasenbasierte Ultraschallkontrastmittel 41
2.1.6Optische Bildgebung 41
2.1.6.1 Prinzip von OI 41
2.1.6.2 Kontrastmittel in der optischen Bildgebung (OI) 42
2.2Neue Bildgebungstechnologien 43
2.2.1Photoakustische Bildgebung 43
2.2.1.1 Prinzip der PAI 44
2.2.1.2 Kontrastmittel in der PAI 44
2.2.2Thermoakustische Bildgebung 45
2.2.2.1 Prinzip der TAI 45
2.2.2.2 Kontrastmittel in der TAI 45
2.2.3Raman-Bildgebung 46
2.2.4Up-Conversion-Lumineszenz 46
2.2.5NIR-basierte Bildgebungstechnologien 46
2.3Multimodale Bildgebungstechnologien 47
2.3.1Häufige multimodale Bildgebung 48
2.3.2Kontrastmittel in der häufigen multimodalen Bildgebung 48
Literatur 49
3 Molekulare Bildgebung zur Diagnose von Krankheiten im Frühstadium 56
Zusammenfassung 56
Liste der Abkürzungen 57
3.1Die Frühdiagnose von malignen Tumoren 57
3.2Die Frühdiagnose von kardio- oder zerebrovaskulären Erkrankungen 63
3.3Die Frühdiagnose von Erkrankungen des Verdauungssystems 65
3.4Die Frühdiagnose von Erkrankungen des Zentralnervensystems 67
3.5Die Frühdiagnose anderer Krankheiten 69
Literatur 72
4 Bildgeführte Präzisionsbehandlungen 77
Zusammenfassung 77
Liste der Abkürzungen 77
4.1Chemotherapie 78
4.2Strahlentherapie 80
4.2.13D-konforme Strahlentherapie (3D-CRT) 82
4.2.2Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) 82
4.2.3Bildgeführte Strahlentherapie (IGRT) 82
4.3Thermotherapie 83
4.3.1Photothermische Therapie 83
4.3.2Magnetische Hyperthermie-Therapie 84
4.3.3Thermoablation 86
4.3.3.1 Kryoablation (CA) 86
4.3.3.2 Radiofrequenzablation (RFA) 86
4.3.3.3 Mikrowellenablation (MWA) 87
4.4Dynamische Therapie 88
4.4.1Photodynamische Therapie 89
4.4.2Sonodynamische Therapie 91
4.4.3Chemodynamische Therapie 93
4.4.4Andere dynamische Therapien 95
4.5Gastherapie 98
4.5.1Stickstoffmonoxid (NO) 98
4.5.2Wasserstoff (H2) 99
4.5.3Schwefelwasserstoff (H2S) 100
4.5.4Kohlenmonoxid (CO) 101
Literatur 102
5 Bildgesteuerte Chirurgie 107
Zusammenfassung 107
Liste der Abkürzungen 107
5.1Endoskope 108
5.1.1Meilensteine der Endoskopentwicklung 109
5.1.1.1 Hartrohrendoskope 109
5.1.1.2 Halbflexible Endoskope 111
5.1.1.3 Faserendoskope 112
5.1.1.4 Ultraschallendoskope 113
5.1.1.5 Elektronische Endoskope 113
5.1.1.6 Kapselendoskope 114
5.1.2Klinische Anwendungen der Endoskopie 115
5.2Chirurgische Roboter 116
5.2.1Meilensteine der Entwicklung chirurgischer Roboter 118
5.2.1.1 Puma 560 118
5.2.1.2 ROBODOC 118
5.2.1.3 AESOP 118
5.2.1.4 ZEUS 118
5.2.1.5 Da Vinci 119
5.2.2Neueste Fortschritte bei chirurgischen Robotern in China 119
5.2.2.1 MicroHand S von der Tianjin Universität 119
5.2.2.2 HURWA vom Peking Union Medical College Hospital 119
5.2.2.3 Luban vom Peking Tiantan Hospital und Peking Institute of Technology 120
5.2.3Klinische Anwendungen von chirurgischen Robotern und Zukunftsperspektiven 120
5.3Nanoroboter für fortschrittliche Bildgebungsnavigationen und minimalinvasive Chirurgie 121
5.3.1Zielgerichtete Medikamentenabgabe und Therapie 122
5.3.2Präzisionschirurgie 123
Literatur 124
6 KI-unterstützte Krankheitsvorhersage in der visualisierten Medizin 129
Zusammenfassung 129
Liste der Abkürzungen 129
6.1Definition und Entwicklungsgeschichte der KI 130
6.1.1Definition 130
6.1.2Entwicklungsgeschichte 131
6.2Industrielles System der KI im Gesundheitswesen 132
6.2.1Technisches System der KI in der visualisierten Medizin 132
6.2.2KI in der industriellen Ökologie des Gesundheitswesens 134
6.2.3Industrielles Muster der KI im Gesundheitswesen 135
6.3Anwendungen der KI in der Medizin 137
6.3.1Neurologische Systembezogene Krankheiten 138
6.3.1.1 Alzheimer-Krankheit 138
6.3.1.2 Epilepsie 138
6.3.2Kardiologische Erkrankungen 139
6.3.2.1 EKG-Klassifikator 139
6.3.2.2 Herzinsuffizienz 139
6.3.3Pulmonale Erkrankung 140
6.3.3.1 COVID-19-Pneumonie 140
6.3.3.2 Tuberkulose-Diagnose 141
6.3.3.3 Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) 142
6.3.4Ophthalmologiebezogene Systeme 142
6.3.4.1 Screening auf diabetische Retinopathie 142
6.3.4.2 Screening auf altersbedingte Makuladegeneration 143
6.3.4.3 Glaukom-Screening 143
6.3.5Onkologie 144
6.3.5.1 Brustkrebs 144
6.3.5.2 Darmkrebs 145
6.3.5.3 Schilddrüsenkrebs 145
6.3.5.4 Dermatologie 146
6.4Einschränkungen und zukünftige Perspektiven 147
Literatur 148
7 Gehirn-Computer-Schnittstellen in der visualisierten Medizin 152
Zusammenfassung 152
Liste der Abkürzungen 152
7.1Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) und ihre Visualisierung in der Medizin 153
7.2Die Komponenten des BCI-Systems 153
7.2.1Neuronale Signalerfassung 153
7.2.2Signalverarbeitung 154
7.2.2.1 Vorverarbeitung 154
7.2.2.2 Merkmalsextraktion 155
7.2.2.3 Klassifikation und Dekodierung 155
7.2.2.4 Deep-Learning-Strategie 155
7.2.3Geräteausgabe 155
7.2.4Benutzerfeedback 156
7.3Gehirnsignale, die für das BCI-System verwendet werden 157
7.3.1Überblick über die Eigenschaften verschiedener neuronaler Signale 157
7.3.2Elektrophysiologische Signale, die für BCIs verwendet werden 157
7.3.2.1 Fall I. Kopfhaut-EEG 157
7.3.2.2 Fall II. Intrakranielles EEG für klinische Aufzeichnungen beim Menschen 158
7.3.2.3 Fall III. Utah-Array 160
7.3.3Magnetische Signale für BCIs 160
7.3.3.1 Vergleich zwischen elektrischen und magnetischen Signalen 161
7.3.4Metabolische Signale für BCIs 161
7.3.4.1 Fall I. fNIRS 161
7.3.4.2 Fall II. fMRT 162
7.4Gehirn-Computer-Schnittstellen für die motorische Erholung 164
7.4.1Die erste Generation des BrainGate-Systems zur zweidimensionalen motorischen Steuerung 164
7.4.2Die zweite Generation des BrainGate-Systems zur dreidimensionalen Motorsteuerung 165
7.4.3Neuromuskuläre elektrische Stimulationsmanschette (NMES) 166
7.4.4Das chinesische nicht-invasive künstliche Nervenrehabilitationsroboter (ANRR)-System zur motorischen Rehabilitation 166
7.4.5Das chinesische implantierbare BCI-System zur dreidimensionalen Motorsteuerung 167
7.5Gehirn-Computer-Interfaces für Kommunikation 168
7.5.1Vollständig implantiertes BCI für indirekte Kommunikation mittels eines Schreibspellers 168
7.5.2Noninvasive BCI für indirekte Kommunikation durch die Verwendung eines Schreibers 168
7.5.3Direkte Kommunikation durch Synthese von Sprache aus den neuronalen Aktivitäten des Sprachkortex 169
7.5.4Tonale Informationsdekodierung für direkte Sprachkommunikation BCI in einer tonalen Sprache 171
7.6Visualisierungsmuster und Anwendungen von Gehirn-Computer-Schnittstellen 172
7.6.1Fall I. Visualisierung des ereignisbezogenen Potenzials 172
7.6.2Fall II. Visualisierung des Zeit-Frequenz-Spektrogramms 172
7.6.3Fall III. Visualisierung der Topographie 173
7.6.4Fall IV. Multivariate Musteranalyse-Visualisierung 174
7.6.5Fall V. Netzwerkanalyse-Visualisierung 174
7.7Visualisierung des Benutzerfeedbacks im BCI-System 176
7.7.1Die Visualisierung des Benutzerfeedbacks fördert die neuronale Rehabilitation durch Spiele 176
7.7.2Die Visualisierung des Benutzerfeedbacks hilft, in verschiedenen Situationen mit dem Menschen zu interagieren 176
7.7.2.1 Fall I. Virtuelle Realität (VR) zur Visualisierung 176
7.7.2.2 Fall II. Drohnensteuerung zur Visualisierung 177
Literatur 178
8 Organ-Chips und Visualisierung biologischer Systeme 181
Zusammenfassung 181
Liste der Abkürzungen 182
8.1Überblick über Organ-Chips 182
8.2Die zugrundeliegende Technologie von Organ-Chips 186
8.2.1Mikrofluidik-Technologie 186
8.2.2Dreidimensionale Zellkulturtechnologie 188
8.2.3Biomarker-Detektionstechnologie 190
8.3Arten von Organ-Chips 192
8.3.1Einzelorgan-Chip 192
8.3.1.1 Lungen-Chip 192
8.3.1.2 Leber-Chip 194
8.3.1.3 Nierenchip 195
8.3.1.4 Herz auf einem Chip 196
8.3.1.5 Andere Einzel-Organ-Chips 197
8.3.2Multi-Organ-Chip 199
8.3.3Organ-Chips und Organoide 202
8.4Anwendungen und Herausforderungen von Organ-Chips 204
8.4.1Anwendung von Organ-Chips 204
8.4.1.1 Krankheitsmodell 204
8.4.1.2 Arzneimittelscreening 205
8.4.1.3 Menschen und personalisierte Medizin auf einem Chip 206
8.4.2Probleme in der Organchip-Forschung 207
Literatur 208

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 3.3.2025
• Zusatzinfo: XV, 203 S. 101 Abb., 90 Abb. in Farbe.
• Sprache: deutsch
• Original-Titel: Visualized Medicine
• Themenwelt: Informatik ► Theorie / Studium ► Künstliche Intelligenz / Robotik
• Themenwelt: Medizin / Pharmazie ► Gesundheitsfachberufe
• Themenwelt: Medizin / Pharmazie ► Medizinische Fachgebiete ► Radiologie / Bildgebende Verfahren
• Themenwelt: Technik ► Umwelttechnik / Biotechnologie
• Schlagworte: Bildgeführte Präzisionsbehandlung • Bildgesteuerte Chirurgie • Früherkrankungsdiagnose • Hirn-Computer-Schnittstellen-gestützte Krankheitsdiagnose • KI-gestützte intelligente Vorhersage von Krankheiten • Visualisierte Medizin
• ISBN-10: 981-97-9693-8 / 9819796938
• ISBN-13: 978-981-97-9693-9 / 9789819796939