Liu Visualisierung in der Medizin

Neue Techniken und die Grenzen der Entwicklung
1. Auflage 2025
ISBN: 978-981-97-9693-9
Verlag: Springer Singapore
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 213 Seiten, eBook

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

Zielgruppe

Research

Autoren/Hrsg.

Liu, Zhe

Inhaltsverzeichnis

1;Geleitwort I;6
2;Geleitwort II;8
3;Geleitwort III;10
4;Vorwort;12
5;Inhaltsverzeichnis;14
6;1 Entwicklung von der medizinischen Bildgebung zur visualisierten Medizin;15
6.1;Zusammenfassung;15
6.2;Liste der Abkürzungen;16
6.3;1.1Überblick und Meilensteine;16
6.4;1.2Traditionelle medizinische Bildgebung;17
6.4.1;1.2.1Röntgen und CT;17
6.4.2;1.2.2Magnetresonanztomographie;17
6.4.3;1.2.3Nukleare Bildgebung;18
6.4.4;1.2.4Ultraschallbildgebung;18
6.5;1.3Molekulare Bildgebung;18
6.5.1;1.3.1Molekulare optische Bildgebung;19
6.5.2;1.3.2Molekulare nukleare Bildgebung;20
6.5.3;1.3.3Molekulare MR-Bildgebung;20
6.5.4;1.3.4Multimodale Bildgebung;21
6.6;1.4Visualisierte Medizin;22
6.6.1;1.4.1VR/AR-unterstützte Technologie;22
6.6.2;1.4.2KI-personalisierte Diagnose;23
6.6.3;1.4.3Bildgeführte Roboterpräzisionschirurgie;24
6.6.4;1.4.4Intelligente Traditionelle Chinesische Medizin;24
6.7;1.5Ausblick;25
6.8;Literatur;26
7;2 Medizintechnik und Bildgebungsagenten;29
7.1;Zusammenfassung;29
7.2;Liste der Abkürzungen;29
7.3;2.1Traditionelle medizinische Bildgebung;31
7.3.1;2.1.1Magnetresonanztomographie;31
7.3.1.1;2.1.1.1 Prinzip der MRT;31
7.3.1.2;2.1.1.2 Kontrastmittel in der MRT;31
7.3.1.2.1;Paramagnetische und superparamagnetische Kontrastmittel;32
7.3.1.2.2;Nanopartikel-Kontrastmittel;32
7.3.2;2.1.2Computertomographie;33
7.3.2.1;2.1.2.1 Prinzip der CT;33
7.3.2.2;2.1.2.2 Kontrastmittel in der CT;34
7.3.2.2.1;Jodbasierte Kontrastmittel;34
7.3.2.2.2;Nanopartikel-Kontrastmittel;34
7.3.3;2.1.3Positronen-Emissions-Tomographie;35
7.3.3.1;2.1.3.1 Prinzip von PET;35
7.3.3.2;2.1.3.2 Kontrastmittel in der PET;36
7.3.3.2.1;PET-Radioisotope;36
7.3.3.2.2;Nanopartikel-Kontrastmittel;36
7.3.4;2.1.4Single-Photon-Emissions-Computertomographie;37
7.3.4.1;2.1.4.1 Prinzip von SPECT;37
7.3.4.2;2.1.4.2 Kontrastmittel in SPECT;37
7.3.4.2.1;SPECT-Radionuklide;37
7.3.4.2.2;Funktionelle Nanomaterialien in SPECT;39
7.3.5;2.1.5Ultraschall;39
7.3.5.1;2.1.5.1 Prinzip des US;40
7.3.5.2;2.1.5.2 Kontrastmittel im US;40
7.3.5.2.1;Mikroblasenbasierte Ultraschallkontrastmittel;40
7.3.5.2.2;Nanoblasenbasierte Ultraschallkontrastmittel;41
7.3.6;2.1.6Optische Bildgebung;41
7.3.6.1;2.1.6.1 Prinzip von OI;41
7.3.6.2;2.1.6.2 Kontrastmittel in der optischen Bildgebung (OI);42
7.4;2.2Neue Bildgebungstechnologien;43
7.4.1;2.2.1Photoakustische Bildgebung;43
7.4.1.1;2.2.1.1 Prinzip der PAI;44
7.4.1.2;2.2.1.2 Kontrastmittel in der PAI;44
7.4.2;2.2.2Thermoakustische Bildgebung;45
7.4.2.1;2.2.2.1 Prinzip der TAI;45
7.4.2.2;2.2.2.2 Kontrastmittel in der TAI;45
7.4.3;2.2.3Raman-Bildgebung;46
7.4.4;2.2.4Up-Conversion-Lumineszenz;46
7.4.5;2.2.5NIR-basierte Bildgebungstechnologien;46
7.5;2.3Multimodale Bildgebungstechnologien;47
7.5.1;2.3.1Häufige multimodale Bildgebung;48
7.5.2;2.3.2Kontrastmittel in der häufigen multimodalen Bildgebung;48
7.6;Literatur;49
8;3 Molekulare Bildgebung zur Diagnose von Krankheiten im Frühstadium;56
8.1;Zusammenfassung;56
8.2;Liste der Abkürzungen;57
8.3;3.1Die Frühdiagnose von malignen Tumoren;57
8.4;3.2Die Frühdiagnose von kardio- oder zerebrovaskulären Erkrankungen;63
8.5;3.3Die Frühdiagnose von Erkrankungen des Verdauungssystems;65
8.6;3.4Die Frühdiagnose von Erkrankungen des Zentralnervensystems;67
8.7;3.5Die Frühdiagnose anderer Krankheiten;69
8.8;Literatur;72
9;4 Bildgeführte Präzisionsbehandlungen;77
9.1;Zusammenfassung;77
9.2;Liste der Abkürzungen;77
9.3;4.1Chemotherapie;78
9.4;4.2Strahlentherapie;80
9.4.1;4.2.13D-konforme Strahlentherapie (3D-CRT);82
9.4.2;4.2.2Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT);82
9.4.3;4.2.3Bildgeführte Strahlentherapie (IGRT);82
9.5;4.3Thermotherapie;83
9.5.1;4.3.1Photothermische Therapie;83
9.5.2;4.3.2Magnetische Hyperthermie-Therapie;84
9.5.3;4.3.3Thermoablation;86
9.5.3.1;4.3.3.1 Kryoablation (CA);86
9.5.3.2;4.3.3.2 Radiofrequenzablation (RFA);86
9.5.3.3;4.3.3.3 Mikrowellenablation (MWA);87
9.6;4.4Dynamische Therapie;88
9.6.1;4.4.1Photodynamische Therapie;89
9.6.2;4.4.2Sonodynamische Therapie;91
9.6.3;4.4.3Chemodynamische Therapie;93
9.6.4;4.4.4Andere dynamische Therapien;95
9.7;4.5Gastherapie;98
9.7.1;4.5.1Stickstoffmonoxid (NO);98
9.7.2;4.5.2Wasserstoff (H2);99
9.7.3;4.5.3Schwefelwasserstoff (H2S);100
9.7.4;4.5.4Kohlenmonoxid (CO);101
9.8;Literatur;102
10;5 Bildgesteuerte Chirurgie;107
10.1;Zusammenfassung;107
10.2;Liste der Abkürzungen;107
10.3;5.1Endoskope;108
10.3.1;5.1.1Meilensteine der Endoskopentwicklung;109
10.3.1.1;5.1.1.1 Hartrohrendoskope;109
10.3.1.2;5.1.1.2 Halbflexible Endoskope;111
10.3.1.3;5.1.1.3 Faserendoskope;112
10.3.1.4;5.1.1.4 Ultraschallendoskope;113
10.3.1.5;5.1.1.5 Elektronische Endoskope;113
10.3.1.6;5.1.1.6 Kapselendoskope;114
10.3.2;5.1.2Klinische Anwendungen der Endoskopie;115
10.4;5.2Chirurgische Roboter;116
10.4.1;5.2.1Meilensteine der Entwicklung chirurgischer Roboter;118
10.4.1.1;5.2.1.1 Puma 560;118
10.4.1.2;5.2.1.2 ROBODOC;118
10.4.1.3;5.2.1.3 AESOP;118
10.4.1.4;5.2.1.4 ZEUS;118
10.4.1.5;5.2.1.5 Da Vinci;119
10.4.2;5.2.2Neueste Fortschritte bei chirurgischen Robotern in China;119
10.4.2.1;5.2.2.1 MicroHand S von der Tianjin Universität;119
10.4.2.2;5.2.2.2 HURWA vom Peking Union Medical College Hospital;119
10.4.2.3;5.2.2.3 Luban vom Peking Tiantan Hospital und Peking Institute of Technology;120
10.4.3;5.2.3Klinische Anwendungen von chirurgischen Robotern und Zukunftsperspektiven;120
10.5;5.3Nanoroboter für fortschrittliche Bildgebungsnavigationen und minimalinvasive Chirurgie;121
10.5.1;5.3.1Zielgerichtete Medikamentenabgabe und Therapie;122
10.5.2;5.3.2Präzisionschirurgie;123
10.6;Literatur;124
11;6 KI-unterstützte Krankheitsvorhersage in der visualisierten Medizin;129
11.1;Zusammenfassung;129
11.2;Liste der Abkürzungen;129
11.3;6.1Definition und Entwicklungsgeschichte der KI;130
11.3.1;6.1.1Definition;130
11.3.2;6.1.2Entwicklungsgeschichte;131
11.4;6.2Industrielles System der KI im Gesundheitswesen;132
11.4.1;6.2.1Technisches System der KI in der visualisierten Medizin;132
11.4.2;6.2.2KI in der industriellen Ökologie des Gesundheitswesens;134
11.4.3;6.2.3Industrielles Muster der KI im Gesundheitswesen;135
11.5;6.3Anwendungen der KI in der Medizin;137
11.5.1;6.3.1Neurologische Systembezogene Krankheiten;138
11.5.1.1;6.3.1.1 Alzheimer-Krankheit;138
11.5.1.2;6.3.1.2 Epilepsie;138
11.5.2;6.3.2Kardiologische Erkrankungen;139
11.5.2.1;6.3.2.1 EKG-Klassifikator;139
11.5.2.2;6.3.2.2 Herzinsuffizienz;139
11.5.3;6.3.3Pulmonale Erkrankung;140
11.5.3.1;6.3.3.1 COVID-19-Pneumonie;140
11.5.3.2;6.3.3.2 Tuberkulose-Diagnose;141
11.5.3.3;6.3.3.3 Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD);142
11.5.4;6.3.4Ophthalmologiebezogene Systeme;142
11.5.4.1;6.3.4.1 Screening auf diabetische Retinopathie;142
11.5.4.2;6.3.4.2 Screening auf altersbedingte Makuladegeneration;143
11.5.4.3;6.3.4.3 Glaukom-Screening;143
11.5.5;6.3.5Onkologie;144
11.5.5.1;6.3.5.1 Brustkrebs;144
11.5.5.2;6.3.5.2 Darmkrebs;145
11.5.5.3;6.3.5.3 Schilddrüsenkrebs;145
11.5.5.4;6.3.5.4 Dermatologie;146
11.6;6.4Einschränkungen und zukünftige Perspektiven;147
11.7;Literatur;148
12;7 Gehirn-Computer-Schnittstellen in der visualisierten Medizin;152
12.1;Zusammenfassung;152
12.2;Liste der Abkürzungen;152
12.3;7.1Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) und ihre Visualisierung in der Medizin;153
12.4;7.2Die Komponenten des BCI-Systems;153
12.4.1;7.2.1Neuronale Signalerfassung;153
12.4.2;7.2.2Signalverarbeitung;154
12.4.2.1;7.2.2.1 Vorverarbeitung;154
12.4.2.2;7.2.2.2 Merkmalsextraktion;155
12.4.2.3;7.2.2.3 Klassifikation und Dekodierung;155
12.4.2.4;7.2.2.4 Deep-Learning-Strategie;155
12.4.3;7.2.3Geräteausgabe;155
12.4.4;7.2.4Benutzerfeedback;156
12.5;7.3Gehirnsignale, die für das BCI-System verwendet werden;157
12.5.1;7.3.1Überblick über die Eigenschaften verschiedener neuronaler Signale;157
12.5.2;7.3.2Elektrophysiologische Signale, die für BCIs verwendet werden;157
12.5.2.1;7.3.2.1 Fall I. Kopfhaut-EEG;157
12.5.2.2;7.3.2.2 Fall II. Intrakranielles EEG für klinische Aufzeichnungen beim Menschen;158
12.5.2.3;7.3.2.3 Fall III. Utah-Array;160
12.5.3;7.3.3Magnetische Signale für BCIs;160
12.5.3.1;7.3.3.1 Vergleich zwischen elektrischen und magnetischen Signalen;161
12.5.4;7.3.4Metabolische Signale für BCIs;161
12.5.4.1;7.3.4.1 Fall I. fNIRS;161
12.5.4.2;7.3.4.2 Fall II. fMRT;162
12.6;7.4Gehirn-Computer-Schnittstellen für die motorische Erholung;164
12.6.1;7.4.1Die erste Generation des BrainGate-Systems zur zweidimensionalen motorischen Steuerung;164
12.6.2;7.4.2Die zweite Generation des BrainGate-Systems zur dreidimensionalen Motorsteuerung;165
12.6.3;7.4.3Neuromuskuläre elektrische Stimulationsmanschette (NMES);166
12.6.4;7.4.4Das chinesische nicht-invasive künstliche Nervenrehabilitationsroboter (ANRR)-System zur motorischen Rehabilitation;166
12.6.5;7.4.5Das chinesische implantierbare BCI-System zur dreidimensionalen Motorsteuerung;167
12.7;7.5Gehirn-Computer-Interfaces für Kommunikation;168
12.7.1;7.5.1Vollständig implantiertes BCI für indirekte Kommunikation mittels eines Schreibspellers;168
12.7.2;7.5.2Noninvasive BCI für indirekte Kommunikation durch die Verwendung eines Schreibers;168
12.7.3;7.5.3Direkte Kommunikation durch Synthese von Sprache aus den neuronalen Aktivitäten des Sprachkortex;169
12.7.4;7.5.4Tonale Informationsdekodierung für direkte Sprachkommunikation BCI in einer tonalen Sprache;171
12.8;7.6Visualisierungsmuster und Anwendungen von Gehirn-Computer-Schnittstellen;172
12.8.1;7.6.1Fall I. Visualisierung des ereignisbezogenen Potenzials;172
12.8.2;7.6.2Fall II. Visualisierung des Zeit-Frequenz-Spektrogramms;172
12.8.3;7.6.3Fall III. Visualisierung der Topographie;173
12.8.4;7.6.4Fall IV. Multivariate Musteranalyse-Visualisierung;174
12.8.5;7.6.5Fall V. Netzwerkanalyse-Visualisierung;174
12.9;7.7Visualisierung des Benutzerfeedbacks im BCI-System;176
12.9.1;7.7.1Die Visualisierung des Benutzerfeedbacks fördert die neuronale Rehabilitation durch Spiele;176
12.9.2;7.7.2Die Visualisierung des Benutzerfeedbacks hilft, in verschiedenen Situationen mit dem Menschen zu interagieren;176
12.9.2.1;7.7.2.1 Fall I. Virtuelle Realität (VR) zur Visualisierung;176
12.9.2.2;7.7.2.2 Fall II. Drohnensteuerung zur Visualisierung;177
12.10;Literatur;178
13;8 Organ-Chips und Visualisierung biologischer Systeme;181
13.1;Zusammenfassung;181
13.2;Liste der Abkürzungen;182
13.3;8.1Überblick über Organ-Chips;182
13.4;8.2Die zugrundeliegende Technologie von Organ-Chips;186
13.4.1;8.2.1Mikrofluidik-Technologie;186
13.4.2;8.2.2Dreidimensionale Zellkulturtechnologie;188
13.4.3;8.2.3Biomarker-Detektionstechnologie;190
13.5;8.3Arten von Organ-Chips;192
13.5.1;8.3.1Einzelorgan-Chip;192
13.5.1.1;8.3.1.1 Lungen-Chip;192
13.5.1.2;8.3.1.2 Leber-Chip;194
13.5.1.3;8.3.1.3 Nierenchip;195
13.5.1.4;8.3.1.4 Herz auf einem Chip;196
13.5.1.5;8.3.1.5 Andere Einzel-Organ-Chips;197
13.5.2;8.3.2Multi-Organ-Chip;199
13.5.3;8.3.3Organ-Chips und Organoide;202
13.6;8.4Anwendungen und Herausforderungen von Organ-Chips;204
13.6.1;8.4.1Anwendung von Organ-Chips;204
13.6.1.1;8.4.1.1 Krankheitsmodell;204
13.6.1.2;8.4.1.2 Arzneimittelscreening;205
13.6.1.3;8.4.1.3 Menschen und personalisierte Medizin auf einem Chip;206
13.6.2;8.4.2Probleme in der Organchip-Forschung;207
13.7;Literatur;208

Das Konzept der Visualisierten Medizin.- Medizinische Bildgebungstechnologie und Bildgebungsagenten.- Molekulare Bildgebung zur Früherkennung von Krankheiten.- Bildgeführte Präzisionsbehandlungen.- Bildgesteuerte Chirurgie.- KI-gestützte intelligente Krankheitsvorhersage.- Hirn-Computer-Schnittstellen in der medizinischen Anwendung.

Über Autor(innen)

Dr. Zhe Liu ist stellvertretender Dekan des Fachbereichs Medizinische Wissenschaften und Technik, Direktor der Fakultät für Intelligente Biomaterialien und Professor an der Akademie für Medizintechnik und Translationale Medizin, Medizinische Hochschule, Universität Tianjin, China. Er promovierte 2007 am Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und ging dann als Postdoktorand zum Molecular Imaging Program in Stanford (MIPS, Stanford University, USA) und zum Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik (RWTH Aachen, Deutschland). Zu seinen aktuellen Forschungsinteressen gehören die Entwicklung intelligenter Biomaterialien für die Medikamentenverabreichung, visualisierte Medizin und innovative Strategien zur Behandlung von Krankheiten.
Dr. Liu hat mehr als 50 Forschungsartikel als unabhängiger Korrespondenz-/Erstautor veröffentlicht und weltweit 5 wissenschaftliche Bücher herausgegeben. Er ist „Fellow of the Royal Society of Chemistry“ (FRSC) und „Fellow of Royal Society of Medicine“ (FRSM) und hat die (leitende) Mitgliedschaft der Radiology Society of North America (RSNA), der American Society of Chemistry (ACS), der Chinese Chemical Society (CCS), der Chinese Anti-Cancer Association (CACA), der Chinese Medical Doctor Association (CMDA) und der Chinese Association of Ultrasound in Medicine and Engineering (CAUME).