Anatomie und Physiologie

Mikroskopie ist das technische Gebiet der Verwendung von Mikroskopen (Vergrößerungsinstrumenten), um Objekte und Bereiche von Objekten zu betrachten, die mit dem bloßen Auge nicht gesehen werden können (Objekte, die nicht im Auflösungsbereich des normalen Auges liegen).17 Ein Mikroskop ist ein Gerät, das eine Linse oder ein System von Linsen verwendet, um ein stark vergrößertes Bild eines Objekts zu erzeugen. Die moderne Mikroskopie verwendet heute Software wie ImageJ, CellProfiler, NeuronStodio zur Erfassung und Analyse von Bildern.1

Es gibt zwei Zweige der Mikroskopie.1,18

1. Lichtmikroskop (einfaches, zusammengesetztes Mikroskop, Präpariermikroskop (Stereomikroskop), Vergleichsmikroskop, inverses Mikroskop, Operations- und Digitalmikroskop.
2. Elektronenmikroskop (Transmissions- und Rasterelektronenmikroskop)

Lichtmikroskop

Das Lichtmikroskop, auch Lichtmikroskop genannt, ist eine Art von Mikroskop, das sichtbares Licht und ein System von Linsen verwendet, um Bilder von kleinen Proben zu vergrößern.17 Optische Mikroskope sind die älteste Form von Mikroskopen und wurden in ihrer heutigen Form möglicherweise im 17. Jahrhundert erfunden. Jahrhundert erfunden. Einfache optische Mikroskope können sehr einfach sein, obwohl es viele komplexe Konstruktionen gibt, die darauf abzielen, die Auflösung und den Probenkontrast zu verbessern, wie z. B. zusammengesetzte Mikroskope, Seziermikroskope und Operationsmikroskope.19 Moderne Mikroskope ermöglichen mehr als nur die Beobachtung des Durchlichtbildes einer Probe; es gibt viele Techniken, die verwendet werden können, um andere Arten von Daten zu gewinnen. Die meisten dieser Verfahren erfordern neben einem einfachen Verbundmikroskop zusätzliche Ausrüstung.17 Die optische Mikroskopie wird in großem Umfang in der Histologie, Histopathologie, Mikroelektronik, Nanophysik, Biotechnologie, Pharmaforschung, Mineralogie und Mikrobiologie eingesetzt.20

Einfaches Mikroskop: Ein einfaches Mikroskop verwendet eine Linse oder eine Gruppe von Linsen, um ein Objekt allein durch Winkelvergrößerung zu vergrößern, so dass der Betrachter ein aufrechtes, vergrößertes virtuelles Bild erhält.21 Die Verwendung einer einzelnen konvexen Linse oder einer Gruppe von Linsen findet sich immer noch in einfachen Vergrößerungsgeräten wie Lupen, Lupen und Okularen für Teleskope und Mikroskope.22

Verbundmikroskop: Ein zusammengesetztes Mikroskop verwendet eine Linse (Objektiv), die sich in der Nähe des zu betrachtenden Objekts befindet, um Licht zu sammeln, das ein reales Bild des Objekts im Inneren des Mikroskops bündelt. Dieses Bild wird dann durch eine zweite Linse oder eine Gruppe von Linsen (das so genannte Okular) vergrößert, die dem Betrachter ein vergrößertes, umgekehrtes virtuelles Bild des Objekts liefert.18 Die Verwendung einer Kombination aus Objektiv und Okular ermöglicht eine viel stärkere Vergrößerung (bis zu 1000-2000 Mal) (Abbildung 7). Ein zusammengesetztes Mikroskop ermöglicht auch fortschrittlichere Beleuchtungssysteme, wie z. B. Phasenkontrast.21,22

Stereomikroskop: Ein Stereomikroskop ist ein Mikroskop mit geringer Leistung, das eine stereoskopische Ansicht einer Probe liefert (bis zu 100-fache Vergrößerung) und üblicherweise zum Sezieren verwendet wird (Abbildung 8).18

Invertiertes Mikroskop: zur Untersuchung von Proben von unten; nützlich für Zellkulturen in Flüssigkeit oder für die Metallographie (Abbildung 9).18

Vergleichsmikroskop: Es ist ein Gerät, das zur Analyse von nebeneinanderliegenden Proben verwendet wird. Es besteht aus zwei Mikroskopen, die durch eine optische Brücke verbunden sind, wodurch ein geteiltes Sichtfenster entsteht, das die gleichzeitige Betrachtung zweier getrennter Objekte ermöglicht. Es verfügt über zwei getrennte Lichtwege, die den direkten Vergleich zweier Proben über ein Bild in jedem Auge ermöglichen (Abbildung 10). Dadurch muss sich der Beobachter beim Vergleich zweier Objekte unter einem herkömmlichen Mikroskop nicht auf sein Gedächtnis verlassen.27

Digitalmikroskop: Dabei handelt es sich um eine Variante des herkömmlichen Lichtmikroskops, bei der eine Optik und eine Digitalkamera verwendet werden, um ein Bild auf einem Monitor auszugeben, manchmal mit Hilfe von Software, die auf einem Computer läuft.20 Ein Digitalmikroskop hat oft eine eigene eingebaute LED-Lichtquelle und unterscheidet sich von einem Lichtmikroskop dadurch, dass es keine Möglichkeit gibt, die Probe direkt durch ein Okular zu betrachten. Da das Bild auf den digitalen Schaltkreis fokussiert wird, ist das gesamte System auf das Monitorbild ausgelegt (Abbildung 11). Das Okular für das menschliche Auge entfällt.20

Chirurgisches Mikroskop: Sie werden verwendet, um die Vergrößerung des Chirurgen bei chirurgischen Eingriffen zu erhöhen (bis zum 4- bis 40-fachen).29 Ursprünglich wurden sie in der Hals-, Nasen- und Ohrenchirurgie eingesetzt. Sie setzen jedoch immer noch neue Maßstäbe in der allgemeinen Chirurgie, der Augenheilkunde, der orthopädischen Chirurgie, der gynäkologischen Chirurgie, der HNO-Heilkunde, der Neurochirurgie, der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, der plastischen Chirurgie, der Fußchirurgie und der Kinderchirurgie (Abbildung 6).29

Elektronenmikroskop

Der Aufbau eines Elektronenmikroskops ähnelt dem eines Lichtmikroskops. Licht wird durch Elektronen ersetzt, Glaslinsen werden durch elektromagnetische und elektrostatische Linsen ersetzt. Elektronenmikroskope haben elektronenoptische Linsensysteme, die den Glaslinsen eines optischen Lichtmikroskops entsprechen. Es gibt zwei Haupttypen von Elektronenmikroskopen: das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (SEM), von denen das TEM am häufigsten verwendet wird (Abbildung 12).22 Der größte Vorteil besteht darin, dass sie eine höhere Auflösung als Lichtmikroskope haben und daher auch eine höhere Vergrößerung (bis zu 2 Millionen Mal) erreichen können.31 Elektronenmikroskope ermöglichen die Sichtbarmachung von Strukturen, die normalerweise mit der Lichtmikroskopie nicht sichtbar wären.32 Elektronenmikroskope werden zur Untersuchung der Ultrastruktur einer Vielzahl biologischer und anorganischer Proben verwendet, darunter Mikroorganismen, Zellen, große Moleküle, Biopsieproben, Metalle und Kristalle (Abbildung 13).31 Moderne Elektronenmikroskope erstellen elektronenmikroskopische Aufnahmen mit speziellen Digitalkameras und Framegrabbern.

Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM)

Die Transmissions-Elektronenmikroskopie ist eine Technik, die entwickelt wurde, um eine Vergrößerung und damit Details einer Probe zu erhalten, die viel besser sind als die konventionellen optischen Mikroskope.34,35 Bei der TEM wird ein Elektronenstrahl durch eine ultradünne Probe geleitet, der beim Durchgang mit der Probe interagiert. Aus der Wechselwirkung der durch die Probe übertragenen Elektronen entsteht ein Bild, das vergrößert und auf ein bildgebendes Gerät fokussiert wird, z. B. auf einen fluoreszierenden Bildschirm, auf eine Schicht eines fotografischen Films oder zur Erfassung durch einen Sensor wie eine CCD-Kamera.2 In einem TEM durchdringen Elektronen eine dünne Probe und werden dann durch geeignete Linsen abgebildet, in weitgehender Analogie zum biologischen Lichtmikroskop.22 Das TEM umfasst ein Beleuchtungssystem, einen Probentisch, ein Bildgebungssystem und ein Vakuumsystem. Die Transmissionselektronenmikroskopie ist eine wichtige Analysemethode in den physikalischen, chemischen und biologischen Wissenschaften. TEMs finden Anwendung in der Krebsforschung, Virologie und Materialwissenschaft sowie in der Umweltverschmutzung, Nanotechnologie und Halbleiterforschung.36

Rasterelektronenmikroskop (SEM)

Ein Rasterelektronenmikroskop ist ähnlich aufgebaut wie ein TEM, aber die Säule ist wesentlich kürzer, weil nur die Linsen oberhalb der Probe benötigt werden, um die Elektronen auf einen feinen Punkt auf der Probenoberfläche zu fokussieren.37 Unter der Probe gibt es keine Linsen. Die Probenkammer hingegen ist größer, da die REM-Technik keine anderen Beschränkungen für die Probengröße auferlegt als die, die durch die Größe der Probenkammer vorgegeben sind.38 Die REM-Technik erzeugt Bilder einer Probe, indem sie die Oberfläche mit einem fokussierten Elektronenstrahl abtastet. Die Elektronen interagieren mit den Atomen in der Probe und erzeugen verschiedene Signale, die Informationen über die Oberflächentopografie und -zusammensetzung der Probe enthalten.39 Der Elektronenstrahl wird in einem Rasterscanmuster abgetastet, und die Position des Strahls wird mit dem erkannten Signal kombiniert, um ein Bild zu erzeugen. SEM kann eine Auflösung von mehr als 1 Nanometer erreichen.40

Ultrasonographie

Ultrasonographie wird auch als Doppler-Untersuchung oder Ultraschalluntersuchung bezeichnet und für die medizinische Diagnose verwendet. Es handelt sich um eine schmerzfreie und nicht-invasive Technik, bei der ein Ultraschallgerät mit leisen Hochfrequenz-Schallwellen (1 bis 5 Megahertz) verwendet wird, um Live-Bilder der inneren Strukturen des Körpers zu erzeugen, die auch als Sonogramm bezeichnet werden. Es ermöglicht Ärzten, kranke oder normale Organe oder Gewebe (wie Blase, Gebärmutter, Niere und Eierstöcke) im Körper sichtbar zu machen, ohne einen Schnitt zu machen. Die Ultraschalluntersuchung ist die empfohlene medizinische Technik zur Darstellung eines Fötus bei schwangeren Frauen/Tieren, da sie im Gegensatz zu anderen medizinischen Bildgebungsverfahren keine Strahlung erzeugt.2

Bei der Ultraschalltechnik wird ein flüssiges Gel und eine in der Hand gehaltene Schallkopfsonde auf der Körperoberfläche verwendet. Die Sonde, die einen Schallwandler enthält, sendet und empfängt pro Sekunde Millionen von Impulsen und Echos in den Körper. Die Schallwellen dringen in den Körper ein und treffen auf eine Grenze zwischen den Geweben (z. B. Weichgewebe und Knochen). Die Wellen werden zur Schallkopfsonde zurückreflektiert und dann an die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) weitergeleitet (Abbildung 14-16). Die CPU ist eine Maschine, die den Schallkopf mit Strom versorgt, die Reflexionszeit der Welle und die Tiefe der Gewebeschnittstelle, die die Welle verursacht, berechnet, um ein zweidimensionales Bild auf dem Monitor zu erstellen. Das Verfahren dauert in der Regel mindestens 30 Minuten.41,42

Nachfolgend sind die verschiedenen Arten von Ultraschall

2D-Ultraschallbild: Dies ist die häufigste Art von Ultraschallbildern, es handelt sich um eine Reihe von flachen, zweidimensionalen Querschnittsbildern des untersuchten Gewebes. Diese Art des Scannens ist nach einem halben Jahrhundert immer noch Standard für viele diagnostische und geburtshilfliche Situationen.43-46

3D-Ultraschallbild: Hierbei handelt es sich um ein dreidimensionales Bild (3D), das aus einem in mehreren Winkeln gescannten Gewebeschnitt gewonnen wird, wobei die empfangenen Daten zu einem dreidimensionalen Bild rekonstruiert werden. Dieser Ultraschall wird häufig verwendet, um ein vollständigeres und realistischeres Sonogramm (Bild) eines Fötus und bei der Diagnose von Lippenspalten zu erhalten.44-47

4D-Ultraschallbild: verwendet Schallwellen, um ein Live-Video des Fötus in der Gebärmutter zu erzeugen.4346 3D- und 4D-Ultraschall erzeugen ein realistisches Bild eines sich bewegenden oder sich entwickelnden Fötus in der Gebärmutter, das auf einem 2D-Ultraschallbild nicht ohne weiteres zu erkennen ist.43-46

Doppler-Ultraschallbild: Bei dieser Technik werden reflektierte Schallwellen verwendet, um das Muster und die Art des Blutflusses in den Blutgefäßen sichtbar zu machen, was in einem 2D-, 3D- und 4D-Ultraschallbild nicht zu sehen ist. Mit dem Doppler-Ultraschall können verschiedene Anomalien des Herzens und der Blutgefäße diagnostiziert werden, z. B. Veneninsuffizienz, Arterienverengungen, Blutgerinnsel, Aneurysmen und angeborene Erkrankungen des Herzens. Bei der Doppler-Ultraschalluntersuchung wird der Schallkopf über die Haut entlang der Blutgefäße bewegt, um Schallwellen auszusenden und zu reflektieren. Die hochfrequenten Schallwellen prallen an den zirkulierenden Blutzellen ab, wodurch sich die Frequenz der reflektierten Wellen verändert, was als Doppler-Effekt bezeichnet wird; bei fehlendem Blutfluss treten keine Veränderungen bei den reflektierten Schallwellen auf. Die Daten der reflektierten Schallwellen mit Doppler-Effekt werden verwendet, um ein Diagramm zu erstellen, das das Muster und die Art des Blutflusses durch die Blutgefäße auf der CPU darstellt. Es gibt drei Arten von Doppler-Ultraschall, nämlich Farbdoppler, Spektraldoppler und Leistungsdoppler.43-46

Farbdoppler: Diese Art von Ultraschall verwendet den traditionellen 2D-Ultraschall, um das Bild eines Blutgefäßes zu erstellen, und verwendet einen Computer, um die Doppler-Schallwellen in Farben umzuwandeln, die die Richtung und Geschwindigkeit des Blutflusses auf dem Bild des Blutgefäßes darstellen.4346

Power-Doppler: Hierbei handelt es sich um eine empfindlichere Art von Farbdoppler, die verwendet wird, um Details des Blutflusses in einem festen Organ zu erzeugen, die mit einem herkömmlichen Farbdoppler nicht sichtbar gemacht werden können. Es ist jedoch nicht möglich, die Richtung des Blutflusses mit Power-Doppler-Ultraschall zu erkennen. 43-46

Spektraldoppler: Hierbei handelt es sich um eine Form des Ultraschalls, bei der der Blutfluss und die Richtung des Blutes grafisch dargestellt werden. Er kann den Grad der Verstopfung eines Blutgefäßes anzeigen.43,45

Kontinuierlicher Wellen-Doppler: Dieser Ultraschall verwendet Schallwellen, die kontinuierlich gesendet und reflektiert werden. Diese Art von Schallwellen wird verwendet, um Verstopfungen in den Blutgefäßen aufzuspüren und schnell fließendes Blut genau zu messen.43-46

Radiographie

Dies ist die älteste und am weitesten verbreitete bildgebende Diagnosetechnik.3 Sie ist eine nicht-invasive Technik wie die Ultraschalluntersuchung, verwendet jedoch eine sehr geringe Menge ionisierender oder nicht-ionisierender Strahlung (Röntgenstrahlen), die von einem Röntgengerät erzeugt wird, um ein latentes Bild der inneren Strukturen des Körpers auf einem Röntgenfilm zu erzeugen (Projektionsradiographie). Ein Röntgengerät kann stationär, mobil oder tragbar sein (Abbildung 17-19).48-51 Bei der Röntgenuntersuchung werden die Röntgenstrahlen auf den Körper gerichtet, so dass sie das Zielorgan durchdringen und dann hinter dem flachen Röntgenfilm aufgefangen werden, um ein 2D-Bild zu erzeugen (Abbildung 20). Die Röntgenuntersuchung kann je nach Dichte des zu untersuchenden Organs mit oder ohne Kontrastmittel (wie Barium oder Jod) durchgeführt werden. Mit Hilfe der Röntgenuntersuchung können verschiedene Erkrankungen wie Knochenbrüche, Krebs, Brusttumore und Tuberkulose diagnostiziert werden.48 Es gibt einige Risiken, die mit einer übermäßigen Röntgenexposition verbunden sind, wie Krebs, Haarausfall und Hautverbrennungen. Aber in den meisten Fällen überwiegen die Vorteile die Risiken.3,52

Computertomographie (CT)

Ein CT-Scan ist eine Art der Radiographie, bei der ebenfalls Röntgenstrahlen verwendet werden. Im Gegensatz zur Projektionsradiographie verwendet der CT-Scan eine größere Menge an Röntgenstrahlen und liefert ein detaillierteres 3D-Bild. Das CT-Gerät besteht aus einem donutförmigen CT-Scanner, einem Tisch, einer Röntgenröhre, einem Röntgendetektor und einem Computer (Abbildung 21).54,55 Der Patient liegt auf dem Tisch, bevor er in den CT-Scanner geschoben wird. Die Röntgenröhre und die Kamera bewegen sich in einem Winkel von 360° um den Patienten herum, um die inneren Organe des Körpers zu scannen und mehrere Bilder zu erzeugen. Je nach dem, welches Organ von Interesse ist, kann ein Kontrastmittel entweder durch den Mund oder rektal verabreicht oder in die Vene injiziert werden, um das gescannte Organ hervorzuheben.55 Der Scan wird in einem separaten Computerraum durchgeführt, in dem die Bilder angezeigt werden und der Techniker mit Hilfe von Lautsprechern und Mikrofonen mit dem Patienten kommuniziert.56 Der Hauptvorteil des CT-Scans ist die schnelle Erfassung klarerer diagnostischer Bilder eines größeren Teils des Körpers.56,57

Es gibt spezialisierte veterinärmedizinische CT-Scanner wie den wiederaufladbaren veterinärmedizinischen CT-Scanner, der mit einer Röntgenkabine ausgestattet ist, die es dem Tierarzt ermöglicht, während des Scannens in der Nähe des Tieres zu bleiben, so dass kein separater Raum wie bei der herkömmlichen CT-Untersuchung beim Menschen erforderlich ist (Abbildung 22).57 Während des Scannens wird das Tier betäubt und überwacht, auf einem mobilen Tisch platziert und gestützt, bevor es in den CT-Scanner geschoben wird (Abbildung 23).60,61

Magnetresonanztomographie (MRT)

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine schmerzfreie, nicht-invasive diagnostische Bildgebungstechnik, bei der starke Magnetfelder und Radiowellen verwendet werden, um ein 3D-Bild der inneren Organe des Körpers zu erstellen. Bei der MRT kommen keine Strahlen zum Einsatz, wie sie bei der Radiographie (Projektil-Radiographie, CT und PET-Scan) vorkommen.4 Das MRT-Gerät sieht ähnlich aus wie das von CT und PET, obwohl die Technik mehr Zeit in Anspruch nimmt und lauter ist (Abbildung 24).5,61,63

Während des Scans liegt der Patient (mit oder ohne Kontrastmittel) auf einem Tisch, der in eine Röhre gleitet, die einen großen Magneten enthält, der ein Magnetfeld und Radiowellen um den Körper des Patienten erzeugt, die das Gewebe des Körpers vibrieren lassen. Diese Schwingungen werden auf dem Computer in ein detailliertes Bild umgewandelt (Abbildung 25).5

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

PET ist ein funktionelles 3D-Bildgebungsverfahren, das im Gegensatz zu CT und Röntgen die physiologischen Aktivitäten von Geweben und Organen des Körpers mit Hilfe eines Radiotracers (18F-FDG) nachweist. Die Art der Verabreichung (oral, venös oder nasal) des Radiotracers hängt von dem Gewebe oder Organ ab, das von Interesse ist.64 Der injizierte Radiotracer konzentriert sich in einem Gewebe, das auf einem Computer als 3D-Bild dargestellt wird. Das Gerät ähnelt CT und MRT, und moderne PET-Scans können mit CT- oder MRT-Scans kombiniert werden, um ein einzigartiges Bild zu erzeugen (Abbildung 26).66

PET-Scans werden hauptsächlich für die Untersuchung und Diagnose von Tumoren und Erkrankungen des Gehirns und des Herzens eingesetzt. Die Technik ist schmerzlos und nicht invasiv, wird aber wegen der Strahlung des Radiotracers 18F-Fluor-2-Desoxyglucose (18F-FDG) nicht für Schwangere und stillende Mütter empfohlen (Tabelle 1). Das Bild des PET-Scans ist ein farbiges Bild, das die aktivsten Bereiche des Organs oder Gewebes zeigt, je nachdem, wie viel Radiotracer es absorbiert hat (Abbildung 27).5,68-70