Printed in Germany | PS 4588 04172. | © Siemens Healthcare GmbH, 2017

Siemens MedMuseum Gebbertstraße 1 91052 Erlangen Germany Phone: +49 9131 736-000 siemens.de/medmuseum

Eine Ausstellung in Kooperation mit: An exhibition in cooperation with:

Siemens Healthineers Headquarters Siemens Healthcare GmbH Henkestr. 127 91052 Erlangen Germany Phone: +49 9131 84-0 siemens.com/healthineers

Die dritte Dimensionins Innere des Körpers

Faszinierende Einblicke

The third dimensioninto the human body

Fascinating Insights

medmuseum.siemens.com

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Querschnittsbilder des Gesichts geben den Blick auf das Innere des Kopfes frei. In der Mitte sind die Nase und der linke Augapfel zu erkennen. Oben rechts sieht man die Großhirnrinde und auf der linken Seite die Nervenfasern.

Cross-sectional images of the face reveal the inside of the head. The nose and left eye are visible at center. The cerebral cortex is visible at top right, with the nerve fibers on the left.

Cinematic-Rendering-Darstellung auf der Basis von Magnetresonanz-Daten

Cinematic rendering based on data gleaned from magnetic resonance imaging

2017 I Siemens Healthcare GmbH/Cardiff University Brain Research Imaging Centre, Cardiff, GB

Die dritte Dimension – Faszinierende Einblicke ins Innere des Körpers

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Was befindet sich unter der Haut? Wie sieht das Innere des Körpers aus? Diese und ähnliche Fragen beschäfti-gen die Menschen schon lange. Über Jahrtausende hinweg – von den frühen Hochkulturen bis zum Ende des Mittelalters – gibt es keine klaren Antworten auf diese Fragen. Kulturelle und religiöse Gründe behindern die Erforschung des Inneren des menschlichen Körpers. Da der Leichnam als unantastbar gilt, sind Leichenschauen verpönt. Rituelle Leichenöffnungen zur Mumifizierung von toten Körpern im alten Ägypten stellen eine der wenigen Ausnahmen dar, bei denen dieses Tabu gebrochen wird. Das vage Wissen über die Anatomie setzt sich vor allem aus Beobachtungen zusammen, die man beim Schlachten und Obduzieren von Tieren gewinnt.

Die Renaissance führt im 15. Jahr- hundert zu einem Umbruch in der Medizin, die Öffnung von Leichen wird zunehmend anerkannt. Schnell wird aus einem Mysterium eine Wissenschaft. Mit der anatomischen Forschung geht der Wunsch einher, das neue Wissen so realitätsnah wie möglich zu präsentieren. Texte und Zeichnungen vermitteln zwar einen Eindruck, doch nichts kommt dem Vorbild des menschlichen Körpers so nahe wie dreidimensionale Modelle. Obwohl unser Körper heute bis ins kleinste Detail erkundet ist, hat die Anatomie nichts von ihrer Fas-zination verloren.

What lies under the skin? What does the inside of the body look like? People have been asking these and similar questions for a long time. For millennia – from early civiliza-tions right up to the end of the Middle Ages – there were no clear answers. Cultural and religious factors impeded research on the inside of the human body. The body was considered inviolable, so examina-tions of corpses were taboo. Ritual openings of dead bodies for mummifi-cation in ancient Egypt are among the few instances when this taboo was broken. What little knowledge there was of anatomy was vague, having been cobbled together in particular from observations gleaned from slaughtering and dissecting animals.

The Renaissance brought a sea change in the field of medicine in the 15th century, as opening of corpses became more and more accepted. What had once been a mystery soon turned into a science. Anatomical research was accompanied by a desire to present the new knowledge as realistically as possible. Texts and drawings can convey an impression, but nothing comes as close to representing the human body as three-dimensional models. Although the body has been explored and mapped in minute detail nowadays, anatomy has lost none of its fascination.

The third dimension – Fascinating Insights into the human body

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Wie kann man mehr über den Aufbau des eigenen Körpers erfahren, wenn der Blick unter die Haut nur mithilfe eines Skalpells möglich ist? Diese Frage stellt sich schon Leonardo da Vinci (1452–1519). Er experimentiert mit Wachs und gießt die Hohlräume von Herz und Gehirn damit aus, um deren Struktur zu ergründen. Im 17. Jahrhundert beginnt die Wissen-schaft damit, neugewonnene Er-kenntnisse aus Leichenschauen in Wachs darzustellen und damit für die Nachwelt zu konservieren. Gaetano Giulio Zumbo (1656–1701) ist einer der Pioniere der anatomischen Wachsbildnerei. Sein Modell eines Kopfes zählt zu den ersten anatomi-

Das anatomische Wachsfigurenkabinett

schen Wachsmodellen überhaupt und ist in der 1775 eröffneten Sammlung „La Specola“ in Florenz ausgestellt.

„La Specola“ ist von Anfang an auch für das allgemeine Publikum zugänglich – eine Besonderheit für die damalige Zeit. Die hochwertigen Präparate der angeschlossenen Werkstatt sind in ganz Europa sehr begehrt. Der österreichische Kaiser Joseph II. ist so fasziniert davon, dass er 1781 rund 1200 Wachs figuren bei der „Specola-Werkstatt“ bestellt, die noch heute im „Josephinum“, der Sammlung der medizinischen Universität in Wien, zu sehen sind.

Wachsmodell mit Darstellung der Gefäße und Lymphknoten der Bauchhöhle

Wax model showing the vessels and lymphnodes within the abdominal cavity

Saulo Bambi, Museo di Storia Naturale Università di Firenze, Sez. di Zoologia “La Specola”– Italien

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How can people learn more about the structure of the human body if the only way to look under the skin is with a scalpel? Leonardo da Vinci (1452–1519) had the same question. He experimented with wax, grouting the cavities of the heart and brain to study their structures. In the 17th century, scholars began representing the information newly gleaned from autopsies in wax, thereby preserving this knowledge for future generations. Gaetano Giulio Zumbo (1656–1701) was a pioneer in anatomical wax sculpture. His model of a head is one of the world’s first anatomical wax models. It is displayed at

The anatomicalwax museum

“La Specola”, in Florence, a collection that first opened in 1775.

From its inception, La Specola was open to the public – an unusual feature at the time. The high-quality anatomical specimens from the adjacent workshop were coveted all over Europe. Holy Roman Emperor Joseph II was so fascinated by the wax figures that he commissioned about 1,200 of them from the Specola workshop in 1781. They are still on display today in the Josephinum Collections of the Medical University of Vienna.

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Gaetano Giulio Zumbo/Wachsmodell eines verwesenden Kopfes, ca. 1695

Wax model of a decomposing head, ca. 1695

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Mit der Entdeckung der Röntgen-strahlen 1895 ergeben sich völlig neue Einblicke in den Körper von lebenden Menschen. Viele Krankhei-ten sind nun einfacher zu diagnosti-zieren. Allerdings können Röntgen-bilder auch täuschen, da sie alle Strukturen des durchleuchteten Körperbereichs auf einer Ebene ab- bilden. Was tiefer im Körper liegt, wird durch davor Liegendes verdeckt. Bei Verdacht auf Lungentuber kulose beispielsweise kann ein Schatten auf der Lunge ein wichtiger Hinweis sein. Auf einem Röntgenbild werden jedoch Teile der Lunge von den Rippen verdeckt und es lässt sich nicht eindeutig erkennen, ob ein Schatten vor oder auf der Lunge liegt.

Ein neuer Blickin den Körper

Damit Röntgenaufnahmen einen räumlichen Eindruck vom Körperin-neren vermitteln können, nutzt man ab 1896 die Stereoskopie. Bei dieser Technik werden hintereinander zwei Röntgenbilder des gleichen Körper-teils aus leicht unterschiedlichen Perspektiven, die dem durchschnittli-chen Augen abstand des Menschen entsprechen, auf genommen. Beide Aufnahmen des sogenannten Stereo-bildpaares müssen den Augen so präsentiert werden, dass das Gehirn sie zu einem dreidimensionalen Bild ver ar beiten kann. Hier für gibt es verschiedene Betrachtungstechniken wie das Anaglyphen- oder das Side-by-Side-Verfahren.

Stereoaufnahmegerät von Siemens-Reiniger-Veifa, 1927

Stereo X-ray unit from Siemens-Reiniger-Veifa, 1927

Bronchogramm einer gesunden Lunge, 1958

Bronchogram of a healthy lung, 1958

Schneidrzik, W.E.J./Kallenberg, A: Die Bronchostereographie, in: RöFo, Bd. 88, 1958, S. 159

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The discovery of X-rays, in 1895, opened up completely new views of the inside of living human bodies. Many diseases were now easier to diagnose. Still, X-ray images can also be deceptive, since they depict all of the structures in a particular area of the body in a single plane, and deeper structures are hidden by what lays in front of them. A shadow on the lungs can be an important clue in suspected cases of tuberculosis, for example, but in an X-ray image, parts of the lungs are covered by the ribs, so it is not clear whether a shadow is located in front of the lungs or on them.

A new view of the inside of the body

A new method was introduced in 1896 to allow X-ray images to present a spatial impression of the inside of the body: stereoscopy. In this technique, two X-ray images are taken of the same part of the body in quick succession from slightly different perspectives that correspond to the average distance between the human eyes. The two stereoscopic images have to be presented to the eyes in such a way that the brain can process them as a single three- dimensional image. There are various techniques of viewing the images to accomplish this, including the anaglyphic and the side-by-side method.

Plastische Nachformung eines Stereoröntgenbildes am Spiegelstereo skop nach Hasselwander, ca. 1937

Shaping a model of a stereoscopic X-ray image using the mirror stereoscope after Hasselwander, ca. 1937

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Der Durchbruch in der 3D-Bildgebung gelingt erst durch die einsetzende Computerisierung in den 1970er Jahren. Unter Einbezug der Computer-technik werden in den nächsten Jahren zwei neue bild gebende Verfahren entwickelt. Während die Computerto-mographie mit Röntgenstrahlen den Körper von allen Seiten durchleuchtet, entstehen bei der Kernspintomographie die Bilder auf der Basis von Magnet-resonanz. Beide Verfahren bilden anatomische Struk turen überlage-rungsfrei in Schnitt bildern ab. Zu sehen ist jeweils nur eine schmale Körperschicht. Um einen Überblick über die anatomischen Gegebenheiten zu bekommen, ist es etwa für die Operationsplanung oder die Beurtei-lung einer Fraktur hilfreich, eine dreidimensionale Bildrekonstruktion anzufertigen.

Schicht für Schichtzum 3D-Bild

Um aus einzelnen Schnittbildern ein dreidimensio nales Bild rekonstruieren zu können, müssen sehr dünne, ohne Lücken aufeinander folgende Schichten innerhalb kurzer Zeit in hoher Bildqualität aufgenommen werden. Die gewonnen Bilddaten werden von speziellen Computer-programmen verarbeitet und digital zu dreidimen sionalen Bildern von anatomischen Strukturen wie Knochen, Organen, Haut und Blut modelliert. Während die frühen 3D-Bilder nur einfache Oberflächen-strukturen abbilden konnten, ist die Technik heute in der Lage, sogar feine Details wie winzige Stents im Blut-gefäß in Farbe darzustellen.

Mit dem Computertomo-graphen SOMATOM DR ist es ab Mitte der 1980er Jahre möglich, klassische Röntgen bilder als Überblicks-aufnahmen, Schnittbilder und 3D-Rekonstruktionen mit nur einem Gerät anzu-fertigen.

Starting in the mid-1980s, the SOMATOM DR computed tomography (CT) scanner made it possible to produce traditional X-ray images as overviews, cross-sectional images, and 3D reconstructions with just a single device.

1984–1986 I Siemens AG, UB Med

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The real breakthrough in 3D imaging did not come until the advent of computers, in the 1970s. Computer technology was used to develop two new imaging methods over the next few years. While computed tomogra-phy (CT) imaging uses X-rays to scan the body from all sides, magnetic resonance imaging (MRI) generates images based on magnetic resonance. Both methods visualize anatomical structures as cross-sectional images, without superimposition. Each image shows only a thin “slice” of the body. Making a three-dimensional image reconstruction is a good way to gain an overview of the specific anatomi-cal structures. Therefore it is used for surgery planning or assessing a fracture, for example.

Forming a 3D image,layer by layer

To be able to reconstruct a 3D image from individual sectional images, ultra-thin slice images must be taken in quick succession, without gaps, within just a short time and with high image quality. The image data that are collected during this step are processed by special computer programs to create three-dimensional digital models of anatomical struc-tures such as bones, organs, skin, and blood. Early 3D images were only able to depict simple, superficial structures, but technological advanc-es now make it possible to visualize even tiny details such as minuscule stents inside blood vessels in color.

3D-Rekonstruktionen mit der Magnet-resonanztomographie stellen das Weichteil-gewebe von Kopf und Gehirn besonders detailliert dar.

3D reconstructions using magnetic resonance imaging (MRI) technology visualize the soft tissue of the head and brain in particular detail.

1987 I Siemens AG, UB Med

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Das neue Verfahren „Cinematic Rendering“ führt die 3D-Bildgebung in eine neue Ära. Mit einer konventionel-len 3D-Rekonstruktion etwa eines Computertomogrammes kann man nur schwer einschätzen, wie nah beispiels-weise ein Blutgefäß am Knochen verläuft. Dagegen zeigt die fotorealisti-sche Ansicht mit der neusten 3D- Visualisierungstechnik den Abstand deutlich. Um medizinische Daten aus bildgebenden Verfahren naturnah aufzuarbeiten, kommt beim Cinematic Rendering eine Technik aus der Film - industrie zum Einsatz – die „bildbasier-te Beleuchtungsberechnung“. Dabei wird am Computer mit abstrakten Algorithmen berechnet, wie es aus-sehen würde, wenn Licht ins Körperin-nere fallen würde. Im Rechenprozess werden diverse Fragen berück sichtigt.

Eine virtuelle Reiseins Körperinnere

Wie würde das Licht das Gewebe durch dringen und an der Oberfläche gespiegelt werden? Wo wären Schatten zu sehen?

Cinematic Rendering revolutioniert die medizinische Ausbildung und die Patientenkommunikation. Die virtuelle Reise durch den Körper stellt die Anatomie realitätsnah und verständ-lich dar. Das erleichtert auch die Diagnose bestimmter Krankheiten und die Operationsplanung. Die gerenderten Bilder sind so plastisch, dass sie dem Chirurgen bereits vor dem Eingriff eine genaue Vorstellung von den jeweiligen anatomischen Struk turen des Patienten vermitteln können, die er während der Operation vor finden wird.

2016 I Siemens Healthcare GmbH/Universitätsmedizin Göttingen, Prof. Dr. med. Michael Knauth/PD Dr. med. Marios Psychogios, Göttingen, Deutschland

Seitliche Ansicht der im Schädel gelegenen Gefäßstrukturen.

Side view of the vascular structures inside the skull.

Cinematic-Rendering-Darstellung auf der Basis von Bilddaten einer Unter suchung mit einem C-Bogen für die Angiographie und der DynaCT-Software

Cinematic rendering based on image data from a scan using a C-arm for angiography and DynaCT software

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2015 I Siemens Healthcare GmbH/Hospital do Coração, São Paulo, Brasilien

A new method known as cinematic rendering is now ushering in a new era in 3D imaging. Based on conven-tional 3D reconstruction of an image generated through CT, for example, it is difficult to assess things such as how close a blood vessel is to a bone. By contrast, the photorealistic views provided by the latest 3D visualiza-tion technique show this distance clearly. To prepare medical data from imaging methods realistically, cinematic rendering relies on a technique developed in the film industry: “image-based lighting.” In this method, abstract algorithms are used to calculate on a computer what it would look like if light were to fall on the inside of the body. The calculation process takes a

range of different questions into account. How would the light penetrate the tissue and be reflected on the surface? Where would shadows be visible?

Cinematic rendering is revolutionizing medical education and patient communication. This kind of virtual journey through the body visualizes human anatomy in a way that is both true to life and understandable. It also makes it easier to diagnose certain diseases and to plan surgery. The rendered images are so vivid that they can give the surgeon a highly detailed idea of the specific anatomical structures that will be found in that patient during the operation.

Blut in der linken Herzkammer und den Koronargefäßen mit mehreren Stents, umgeben von Lungen-gewebe (in Weiß dargestellt).

Blood in the left ventricle of the heart and the coronary vessels with multiple stents, surrounded by lung tissue (shown in white).

Cinematic-Rendering- Darstellung auf der Basis von Computer-tomo graphie-Daten

Cinematic rendering based on CT data

A virtual journeyinside the human body

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Lungenflügel und Organe des Bauch raumes mit Herz und Leber. Der kleine orangene Fleck im rechten Lungen flügel des Patienten zeigt einen Lungentumor. Die weißen „Blasen“ im unteren Bauch raum stellen den Dünn- darm dar.

Lungs and organs of the abdomen, with the heart and liver. The small orange spot in the patient’s right lung is a lung tumor. The white “bubbles” in the lower abdomen represent the small intestine.

Cinematic-Rendering-Darstellung auf der Basis von Computer-tomographie-Daten

Cinematic rendering based on CT data

2015 I Siemens Healthcare GmbH/Universitäts klinikum Erlangen, Prof. Dr. med. Alexander Cavallaro, Erlangen, Deutschland

Becken und Wirbelsäule. Etwa über dem vierten Lenden wirbel gabelt sich die Bauchaorta in die rechte und linke Becken-arterie. Zur Stabilisierung der Gefäßwand der beiden Arterien wurden Stents (in Weiß) eingesetzt. In Blau sind die Nieren dargestellt.

The pelvis and spinal column. Above about the fourth lumbar vertebra, the abdominal aorta forks into the right and left iliac arteries. Stents (white) have been used to stabilize the vascular walls of both arteries. The kidneys are shown in blue.

Cinematic-Rendering- Darstellung auf der Basis von Computer tomographie-Daten

Cinematic rendering based on CT data

2016 I Siemens Healthcare GmbH/Alegent Health Lakeside Hospital, Omaha, Nebraska, USA

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Ansicht der Brust und des Brustgewebes. Als rote Stelle in der Mitte ist ein Tumor im Gewebe der Brust zu erkennen. Die kleinere rote Stelle an der Spitze der Brust ist die Brustwarze.

View of the breast and breast tissue. The red spot at center is a tumor in the tissue of the breast. The smaller red spot at the tip of the breast is the nipple.

Cinematic-Rendering-Darstellung auf der Basis von Tomosynthese-Daten

Cinematic rendering based on tomosynthesis data

2016 I Siemens Healthcare GmbH/ Jeroen Bosch Hospital, Dr. M.J.C.M. Rutten, ’s-Hertogenbosch, Niederlande

Skelett mit Schädel, Rippen, Brustbein und Becken. Hinter den Rippen sieht man das Herz. Im Bauchraum sind die Nieren und die Bauchaorta zu erkennen. Das Fettgewebe des Patienten ist als lila Schatten dargestellt. Die weißen Kabel und Elektroden stammen von einem EKG, an das der Patient während der CT-Unter-suchung angeschlossen war.

Skeleton with skull, ribs, sternum and pelvis. The heart is visible behind the ribs. The kidneys and abdominal aorta can be seen in the abdominal cavity. The patient’s adipose tissue, or fat, is depicted as a purple shadow. The white cables and electrodes are from an EKG machine that was hooked up to the patient during the CT scan.

Cinematic-Rendering-Darstellung auf der Basis von Computer-tomographie-Daten

Cinematic rendering based on CT data

2017 I Siemens Healthcare GmbH /Qilu Hospital, Shandong University, Jinan, China

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1983 entwickelt der Amerikaner Charles „Chuck“ Hull den weltweit ersten 3D-Drucker. Er will damit kleine Kunststoffteile schnell und präzise für die Industrie fertigen. Ausgehend von Hulls Erfindung haben sich viele verschiedene 3D-Druckverfahren entwickelt, die völlig neue Möglich-keiten in der Medizin eröffnen.

Die Spanne der medizinischen An-wendungsbereiche von Objekten aus dem 3D-Drucker ist groß. Oft sind 3D-Datensätze des Patienten, die bei der Untersuchung mit einem Computer- oder Magnet resonanz-tomographen gewonnen werden, die Basis für den Druck. So lassen sich 3D-Modelle von Körperteilen des Patienten generieren, die bei

Anatomie aus dem Drucker

komplizierten Operationen zum Beispiel am Herzen oder der Wirbel-säule helfen können, die Operations-schritte im Vorfeld zu simulieren und mögliche Komplikationen vorher-zusehen. Außerdem können mit 3D-Druckern Implantate wie künst-liche Hüftgelenke hergestellt werden, die individuell auf die Anatomie des einzelnen Patienten abgestimmt sind. Weitere Einsatzfelder der 3D-Druck-technologie in der Medizin werden gerade erforscht, beispielsweise das sogenannte „Bioprinting“. Erste Versuche bestätigen, dass es möglich ist, mit lebenden Zellen zu drucken. Ob auch funktionsfähige Organe hergestellt werden können, wird die Zukunft zeigen.

3D-Modell einer skoliastischen Wirbelsäule

3D model of a spinal column with scoliosis

2014 | Acibadem Hospitel Group, Prof. Ahmet Alanay, Türkei

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Charles “Chuck” Hull, an American inventor, developed the world’s first 3D printer in 1983. His goal was to produce small plastic parts for industrial use quickly and with great precision. Many different 3D printing methods have emerged based on Hull’s invention, opening up com-pletely new possibilities in medicine.

The range of medical applications for 3D-printed objects is broad. 3D data sets gleaned during a CT or MRI scan of a patient often form the basis for the printing process. This makes it possible to generate 3D models of parts of the patient’s body. In the case of complicated operations involving

Anatomy from a printer

the heart or spinal column, for example, these models can help to simulate the steps in the operation ahead of time and predict where com-plications might arise. 3D printers can also be used to produce implants such as artificial hip joints tailored specifically to the individual patient’s anatomy. Further fields of application for 3D printing technology in medi-cine are currently being explored. In one such area, known as “bioprint-ing,” initial studies have confirmed that it is possible to print using living cells. Future research will show whether it is also possible to produce functional organs.

3D-gedrucktes Modell eines Herzens auf Basis von Computertomographie-Daten

3D printed model of a heart based on CT data

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