Die Kernspintomographie - Einblick durch Magnetfelder

24-07-2003

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Die Kernspintomographie - Einblick durch Magnetfelder

Mediziner nutzen die Physik eigentlich schon immer für Diagnose und Therapie. Ein schönes Beispiel für die technische Umsetzung eines grundlegenden physikalischen Prinzips ist die Kernspintomographie, auch Magnetresonanztomographie (MRT) genannt.

Bereits 1967, gut zwanzig Jahre nach der Entdeckung der Kernspinresonanz durch F. Bloch und G. M. Purcell, die dafür 1952 den Nobelpreis erhielten, meldete eine deutsche Firma ein Gerät zum Patent an, mit dem sich die Flüssigkeitsverteilung im menschlichen Körper bestimmen ließ. Die ersten erfolgreichen Experimente zur Bilderzeugung mittels Kernspinresonanz wurden 1972 von Damadian und 1974 von Lauterbur vorgestellt. Fünf Jahre später wurde das erste MRT-Bild des menschlichen Körpers im British Journal of Radiology veröffentlicht.

Inzwischen hat sich die Kernspintomographie einen festen Platz in der medizinischen Diagnostik erobert. Ebenso wie die mit Röntgenstrahlung arbeitende Computertomographie (CT) erzeugt sie Schnittbilder (Tomogramme) des untersuchten Körpers. Die Computertomographie nutzt die unterschiedlichen Dichten des Körpergewebes für den Bildkontrast; sie eignet sich gut für die Darstellung von Knochen, aber nicht von Weichteilen. Die Kernspintomographie besitzt hingegen einen exzellenten Weichteilekontrast und das sogar ohne Strahlenbelastung.

Abb. 1: Wirkungsweise eines Schichtgradienten: Aufgrund der ortsabhängigen Resonanzfrequenz regt ein Hochfrequenzimpuls mit einer bestimmten Bandbreite nur eine Scheibe der Probe an.

Ein Kernspintomograph setzt sich im Wesentlichen aus drei Elementen zusammen: einem starken Permanentmagnet, einer Hochfrequenzspule und einer Antenne. Der Permanentmagnet erzeugt ein statisches und homogenes Magnetfeld. Die Hochfrequenzspule sorgt mithilfe eines gepulsten Magnetfeldes, das senkrecht zum Grundfeld ausgerichtet ist, für die Anregung der Kernresonanz. Und die Antenne empfängt das durch die Kernresonanz induzierte Signal. Liegt der Patient nun in der Röhre eines Tomographen, orientieren sich die Kernspins seiner Atome in Richtung des starken Grundfeldes.

Der Spin verleiht Elementarteilchen (Neutronen, Protonen, Elektronen) magnetische Eigenschaften, genauer gesagt ein magnetisches Moment, das in der Lage ist, mit einem äußeren Magnetfeld zu wechselwirken. Auch zusammengesetzte Objekte wie Atomkerne haben ein magnetisches Moment, das sich aus den Spins der Nukleonen sowie deren Bahndrehimpulsen zusammensetzt. Besonders einfach liegen die Verhältnisse beim Wasserstoffatom, dessen Kern aus einem einzelnen Proton besteht und sich deshalb bezüglich eines Magnetfeldes in lediglich zwei Richtungen orientieren kann, parallel bzw. antiparallel zur Feldrichtung (die man in der Regel als z-Richtung definiert). Ohne äußeres Magnetfeld sind die Kernspins der Wasserstoffatome im Körper zufällig ausgerichtet; keine der möglichen Orientierungen wird bevorzugt, da die zugehörigen Energiezustände entartet sind, sich also nicht unterscheiden.

Die Situation ändert sich mit einem zusätzlichen starken Magnetfeld: Jetzt orientieren sich die Kernspins am Magnetfeld und es entsteht ein geringer Überschuss an Atomen, deren Kernspins parallel zum Magnetfeld liegen. Die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld hebt die Entartung auf, und die beiden Orientierungen unterscheiden sich nun um die Energiedifferenz DE = hn_{_L}, wobei n_{_L} = gB/2p die Larmor-Frequenz zur magnetischen Flussdichte B ist. Diese Larmor-Frequenz beschreibt jedoch nicht nur die Energiedifferenz zwischen den beiden Spinstellungen, sondern gleichzeitig auch die Präzession der Spinachse um die Magnetfeldachse, denn diese beiden Achsen liegen nicht ganz parallel zueinander - analog zur Torkelbewegung eines schräg stehenden Brummkreisels. Das gyromagnetische Verhältnis g beträgt für das Proton 2,67 × 10^⁸ 1/sT. Die in der Natur und im menschlichen Gewebe am häufigsten vorkommenden Wasserstoffkerne (Wasser, Fett) besitzen also eine Larmor-Frequenz von 42,5 MHz für ein 1-Tesla-Feld. Die Energieaufspaltung der Spinzustände ist sehr klein verglichen mit der kinetischen Energie der Atome bei Zimmertemperatur, sodass auch der Überschuss der parallel ausgerichteten Atome sehr gering ist. Die große Anzahl an Wasserstoffatomen im menschlichen Körper (ein Milliliter Wasser enthält schon etwa 30 Trilliarden) sorgt allerdings dafür, dass es doch zu einer messbaren Magnetisierung im Gewebe kommt.

Abb 2:. Kopieren und Einsetzen in Lehrveranstaltungen bedarf der Zustimmung des Herstellers. © BIGS)

Derart durch ein starkes Magnetfeld vorbereitet, sind die Wasserstoffatome eines Patienten in der Lage, mit einem weiteren Magnetfeld in Interaktion zu treten: Strahlt man zusätzlich ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld (HF) in Form einer elektromagnetischen Welle ein, können die Spins der Parallelstellung in die entgegengesetzte Orientierung umklappen - vorausgesetzt, die eingestrahlte Frequenz stimmt mit der Larmor-Frequenz überein, sodass es zur Resonanz kommt und die Energie der elektromagnetischen Welle genau dem Energieabstand der beiden Spinorientierungen entspricht. Strahlt man jedoch nur einen kurzen Hochfrequenzpuls auf die Probe, ändert sich die Magnetisierung nicht vollständig, also um 180 Grad, sondern um einen kleineren Winkel. Die Spins präzedieren nun um die Richtung der neuen Magnetisierung. Insbesondere lässt sich die Pulsdauer so wählen, dass die Magnetisierung nach dem Puls im rechten Winkel zum ursprünglichen, konstanten Magnetfeld steht, die z-Komponente also verschwunden, aber eine transversale Komponente aufgetreten ist; man spricht dann von einem 90-Grad-Puls. Nach einer charakteristischen Relaxationszeit, der sog. Spin-Gitter-Relaxationszeit T_₁, ist bei etwa 2/3 der angeregten Spins (genauer: der Anteil (e - 1)/e) die ursprüngliche, energetisch günstige z-Komponente wieder hergestellt. Bei diesem Übergang wird ein elektromagnetisches Signal ausgesendet, das detektiert und aus dem letztlich das gewünschte Gewebebild generiert wird. Die Bezeichnung für T_₁ bezieht sich darauf, dass bei diesem Relaxationsprozess Energie zwischen dem Spinsystem und der Umgebung, dem sog. Gitter, ausgetauscht wird.

Auch die transversale Spinkomponente zerfällt nach dem Abschalten des HF-Pulses wieder; die entsprechende Zeitkonstante T_₂wird als Spin-Spin-Relaxationszeit bezeichnet, da Wechselwirkungen der Spins untereinander für diese Relaxation verantwortlich sind.
Die präzedierenden Spins erzeugen in der HF-Spule ein Induktionssignal, das die Basis der Bildrekonstruktion bildet. Die Spule hat somit eine Doppelfunktion: Zum einen erzeugt sie den magnetisierungsändernden Puls, zum anderen detektiert sie das Messsignal. Die Berechnung des Bildes aus den Resonanzsignalen ist aufwändig; standardmäßig verwendet man hierfür eine Fourier-Transformation.

In der Kernspintomographie stehen also drei Kontrastparameter zur Verfügung: Neben der Protonendichte, die in den einzelnen Organen variiert und die Stärke des Messsignals beeinflusst, liefern die beiden Relaxationszeiten, die das Abklingen des Signals widerspiegeln, wertvolle Informationen zur Unterscheidung der Organe bzw. des kranken vom gesunden Gewebe. Zusätzlich werden Kontrastmittel benutzt, die die Relaxationszeiten beeinflussen. Beispielsweise lassen sich Blutgefäße mit einem Kontrastmittel darstellen, das nur im Blut das Signal modifiziert.

Abb. 3: Aus den Schnittbildern der Kernspintomographie lassen sich dreidimensionale Bilder rekonstruieren. Mediziner, Physiker und Informatiker arbeiten daran, diese heute noch relativ zeitaufwändige Methode praxistauglich zu machen. (Quelle: MeVis Bremen)

Mit dem bisher beschrieben Versuchsaufbau wären nur Ganzkörperaufnahmen möglich; was noch fehlt, ist die für Schnittbilder notwendige Ortsauflösung. Eine Möglichkeit, diese zu erreichen, besteht darin, das statische Magnetfeld und somit auch die Larmor-Frequenz entlang des Körpers zu variieren - Resonanz tritt dann nur in den Bereichen auf, wo HF-Signal und Larmor-Frequenz zusammenpassen. Zur Variation des Magnetfeldes werden zusätzliche linear ansteigende Gradientenfelder entlang der kartesischen Koordinatenachsen überlagert. Ein Gradientenfeld in z-Richtung beispielsweise selektiert eine bestimmte Körperschicht (Abb. 1). Zusammen mit den anderen Raumrichtungen lässt sich schließlich ein dreidimensionales Muster erzeugen (Abb. 2).

Über die rein morphologische Darstellung des Körpers hinaus ist die funktionelle Kernspintomographie (fMRT) in der Lage, die Funktionsweise von Organen, vor allem des Gehirns, darzustellen. Sie nutzt beispielsweise die Tatsache, dass die magnetischen Eigenschaften von Blut vom Sauerstoffgehalt abhängen; dadurch lässt sich die Aktivität eines Hirnareals, die mit verstärktem Sauerstoffbedarf einhergeht, darstellen. Voraussetzung für die funktionelle Kernspintomographie ist eine gute zeitliche Auflösung, also eine möglichst schnelle Bildgebungsmethode. Die Entwicklung solcher Methoden war und ist immer noch Hauptgegenstand der Forschung - neben der Verbesserung der Auflösung und der Erschließung neuer Kontrastverfahren.

Ulrich Kilian

Weitere Infos:

Quelle:
Physik im Alltag, Phys. Bl. November 2001, S. 80
Animation erstellt von "BIGS - Bluck Industrial Graphic Service":
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E-Mail: bluck@bigs.de
MeVis an der Universität Bremen:
http://www.mevis.de
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