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Wie man mit kleinen Kreiseln Krankheiten diagnostiziert

von Bernhard Scharinger

Ich studiere an der TU Graz Biomedical Engineering und schreibe hier das erste Mal einen Blog-Beitrag.

Eines vorweg, bei diesem Beitrag handelt es sich nicht um eine neue esoterisch angehauchte Methode um Krankheiten zu diagnostizieren. Es geht um eines der wichtigsten bildgebenden Diagnoseverfahren, der Magnetresonanztomographie – kurz MRT, auch bekannt als Kernspintomographie. Mit diesem seit über 30 Jahren verwendeten Verfahren lassen sich nicht nur anatomische Strukturen darstellen, es lassen sich zum Beispiel auch Konzentrationen von chemischen Verbindungen bestimmen oder der Blutfluss im Gewebe. Das Ganze ist eine gar nicht so einfache Angelegenheit und in diesem Text möchte ich euch näherbringen, wie aus einem Magnetfeld ein Bild entsteht.

 Ein moderner Magnetresonanztomograph (KasugaHuang, Modern 3T MRI, CC BY-SA 3.0)

Ein moderner Magnetresonanztomograph (KasugaHuang, Modern 3T MRI, CC BY-SA 3.0)

Um zu verstehen wie ein Magnetresonanztomograph funktioniert, brauchen wir erstmal ein paar physikalische Grundlagen. Das ganze Verfahren beruht auf der Reaktion eines Protons auf ein sich veränderndes magnetisches Feld, genauer gesagt, der Reaktion eines Wasserstoff-Kerns. Praktisch, dass der menschliche Körper zu ca. 70% aus Wasser besteht.

So ein Wasserstoff-Kern hat verschiedene Eigenschaften die ihn beschreiben, zum Beispiel die Hauptquantenzahl oder seine elektrische Ladung. Wichtig für uns ist allerdings das so genannte magnetische Dipolmoment des Wasserstoff-Protons. Steckt man so einen magnetischen Dipol in ein Magnetfeld, dann erfährt dieser ein Drehmoment, das seinen Spin-Drehimpuls verändert. Dies führt wiederum dazu, dass das Proton eine Präzessionsbewegung ausführt, also eine Bewegung der Rotationsachse. Zu beobachten ist eine solche Präzession auch, wenn man zum Beispiel einen Kreisel seitlich anstößt. Er wird auf die Seite kippen und seine Achse wird eine kreisförmige Bewegung ausführen. Ohne ein äußeres Magnetfeld, ist es den Protonen im Gewebe quasi egal wie sie ausgerichtet sind. In einem gleichmäßigen Magnetfeld führt die Energiezufuhr jedoch dazu, dass sich bald ein thermisches Gleichgewicht einstellt, in dem die Kerne mit einer bestimmten Frequenz, der sogenannten Larmorfrequenz präzessieren. Die Zeit die die Protonen benötigen um das Gleichgewicht zu erreichen nennt man Spin-Gitter-Relaxation T1 oder Längsrelaxation.

Präzessionsbewegung eines Atomkerns (Franz Wilhelmstötter, MRT Praecession Rotation, CC BY-SA 3.0)

Präzessionsbewegung eines Atomkerns (Franz Wilhelmstötter, MRT Praecession Rotation, CC BY-SA 3.0)

Legt man nun ein mit der Larmorfrequenz pulsierendes Magnetfeld an, sodass Resonanz entsteht, erreicht man, dass die Protonen in ihrem Gleichgewicht gestört werden und eine zusätzliche Präzessionsbewegung ausführen. Diese erzeugt ein sich veränderndes magnetisches Feld und wer das Induktionsgesetz kennt weiß, dass ein solches Feld in einer Spule einen elektrischen Strom induziert. Dieses hochfrequente Signal nimmt jedoch durch Wechselwirkung zwischen den einzelnen Protonen exponentiell ab. Die Zeitkonstante dieser Abnahme nennt man Spin-Spin-Relaxation T21 und T2 für Muskelgewebe bei einer Flussdichte von 3 Tesla 1412s bzw 50s. Im Gegensatz dazu hat Blut bei derselben Flussdichte eine T1 von 1932s und eine T2 von 275s.

Hier ist zu erwähnen, dass in der Praxis Protonen in unterschiedlichen Umgebungen mit leicht unterschiedlichen Magnetfeldern zum entstehenden Signal beitragen. Gruppen von Protonen die dieselbe Frequenz besitzen werden Isochromaten genannt. Nun kann es aber sein, dass diese Gruppen das Signal durch gegenseitige Beeinflussung stören. Diese Störungen können durch Spinecho-Sequenzen teilweise ausgeglichen werden, aber weil eine ausführliche Erklärung den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde, sie nur gesagt, dass bei dieser Methode durch eine Abfolge von bestimmten Pulsen diese Effekte verringert werden.

Wie wir oben gesehen haben, kann man mit Hilfe der T1– und T2-Zeiten Signale erhalten die vom Gewebetyp abhängig sind. Jedoch bringt uns das allein nicht viel. Wir brauchen auch noch eine örtliche Abhängigkeit des Signals, um ein sinnvolles Bild zu erhalten. Dies wird realisiert, indem man Magnetfeldgradienten verwendet. In unserem Fall ist das ein zusätzliches Magnetfeld, das eine Richtungskomponente hat, die von der räumlichen Position abhängig ist. Also zum Beispiel ist das Magnetfeld im Kopfbereich stärker als bei den Füßen, oder auf der linken Seite stärker als auf der rechten.

Kommen wir zum Herzstück des Magnetresonanztomographen – dem Magneten. Zu den Anfangszeiten der Diagnose mit MRT-Bildern wurden Permanentmagnete verwendet die eher niedrigere Flussdichten aufwiesen, und somit eine geringe Auflösung besaßen. Heutzutage werden meistens Geräte verwendet, die Magnetfelder mit bis zu 3 Tesla erzeugen, obwohl auch schon wesentlich höhere Flussdichten möglich sind. Das Problem dabei ist, dass bei höheren Flussdichten, beim Einfahren des Patienten in das Magnetfeld kleine Wirbelströme im Gehirn induziert werden können, die zu Unwohlsein und Übelkeit führen. In manchen Krankenhäusern und Forschungseinrichtungen sind aber auch Anlagen mit bis zu 11,7 T in Betrieb. Zum Vergleich: das Erdmagnetfeld hat eine Stärke von ca. 30 Mikrotesla am Äquator.

Möglich wurden solche Flussdichten erst durch die Entwicklung von zuverlässigen supraleitenden Magneten in den 1980ern. Durch die Kühlung mit flüssigem Helium auf ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt, lässt sich der elektrische Widerstand der Spulen auf ein Minimum verringern, sodass es nur geringe Energieverluste durch Erwärmung gibt. So können die Spulen mit hohen Strömen versorgt werden, und somit starke Magnetfelder produzieren.
Ein Magnetresonanztomograph hat nicht nur eine große Spule. Um ein starkes homogenes, also gleichmäßig verteiltes Magnetfeld zu erzeugen, werden mehrere verschieden große Spulen kombiniert. Außerdem müssen die Gradientenmagnetfelder erzeugt werden, was wiederum eigene Spulen in speziellen Anordnungen erfordert. Diese Spulen sind üblicherweise nicht supraleitend, sodass sie mit Wasser gekühlt werden müssen. Außerdem müssen sie sehr hohen Kräften widerstehen können, die entstehen wenn sich die Spulen in dem hochfrequenten pulsierenden Magnetfeld befinden. Jeder der schon einmal eine MRT-Untersuchung über sich ergehen hat lassen, kennt die Auswirkungen dieser Kräfte, sie erzeugen das typische laute Klopfgeräusch, dass bei den meisten Kernspintomographen auftritt.

Kommen wir zu einem zweiten wichtigen Teil, den Empfangsspulen. Die Signale die bei der Tomographie gemessen werden, sind sehr klein, sodass wir ein relativ kleines Signal-Rausch-Verhältnis haben. Das bedeutet, dass die gemessenen Signale im Vergleich zu den störenden Hintergrundeinflüssen klein sind, sodass eine Unterscheidung zwischen dem Signal und dem Rauschen schwierig ist. Aus diesem Grund werden in modernen Geräten Anordnungen von vielen kleinen Empfängerspulen verwendet. Eine einzelne kleine Empfangsspule wird nur das Rauschen aus einem kleinen Volumenbereich empfangen, sodass sie ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis hat, als eine größere Spule mit der dasselbe Volumen dargestellt wird. Über komplizierte Empfänger-Schaltungen werden nun die einzelnen Signale kombiniert und einem Computer zugeführt, der aus diesen Signalen ein Bild errechnet.

Wie kann man diese Signale nun verwenden? Die bekannteste und auch am meisten verwendete Anwendung ist das Darstellen von anatomischen Strukturen. Diese beruht auf den verschiedenen T1– und T2-Zeiten. Nachdem ein MRT innere Organe sehr detailliert darstellen kann, können damit auch leicht Veränderungen dieses Gewebes entdeckt werden. Im Gegensatz zur Computertomographie spricht man bei der Magnetresonanztomographie nicht von helleren oder dunkleren Bereichen, sondern von hypoinstensiv und hyperintensiv, also signalreichen oder signalarmen Gegenden.

Im menschlichen Körper befinden sich nicht nur im Wasser Wasserstoffkerne, auch verschiedene Metaboliten, also Stoffwechselprodukte, enthalten Protonen. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Metabolite, präzessieren diese Protonen in einer ein bisschen kleineren Larmorfrequenz. Setz man diese Frequenz relativ zu einer Referenzfrequenz, erhält man die Chemische Verschiebung. Sie bildet die Grundlage für die Magnetresonanzspektroskopie (MRS). Hier werden die Einzelnen chemischen Verschiebungen verschiedener Metaboliten gemessen und ihre jeweilige Konzentration im Gewebe. Beispielsweise ist der Metabolit Lactat ein sehr spezifischer Marker für den Zelltod, womit Nekrosen identifiziert werden können.

Die Magnetresonanztomographie findet auch Anwendung beim Darstellen von Blutfluss und Adern. Bei normalen Röntgenbildern, muss dem Patienten ein Strahlenundurchlässiges Kontrastmittel verabreicht werden, das nicht immer gut vertragen wird. Bei der Magnetresonanzangiographie kann jedoch mit der Bewegung der fließenden Protonen im Blut, ein dreidimensionales Angiogramm erstellt werden.

Es gibt noch viele andere Anwendungen für die Magnetresonanztomographie, doch hier alle auszuführen, wäre an dieser Stelle zu Umfangreich. Aber eine für mich sehr faszinierende Applikation möchte ich noch kurz anschneiden, die Funktionelle Magnetresonanzspektroskopie.

Diese spezielle Methode macht sich zu Nutzen, dass sauerstoffarmes Blut, ein leicht anderes Signal erzeugt als sauerstoffreiches. Diesen Effekt nennt man auch BOLD-Effekt (Blood Oxygen Level Dependent, also abhängig vom Sauerstoffgehalt). Aktiviert man bestimmte Hirnregionen, zum Beispiel den Motorkortex durch einfaches bewegen der Finger, dann kann man einen erhöhten Fluss von sauerstoffreichem Blut in diese Hirnregion feststellen. So war es den Menschen möglich, beinahe jede kognitive Aktivität die wir ausführen können, bestimmten Hirnregion zuzuordnen. So konnte man nicht nur eine detaillierte „Karte“ des menschlichen Gehirns erstellen, sondern fand, unter anderem auch heraus, dass zum Beispiel bei einer Depression der Hirnstoffwechsel gestört ist.

Ein fMRT bei linksseitiger Bewegung der Finger (Urheber: M.Witte, Gemeinfrei)

Ein fMRT bei linksseitiger Bewegung der Finger (Urheber: M.Witte, Gemeinfrei)

Abschließend möchte ich noch anmerken, dass die Kernspintomographie natürlich nicht die Wunderwaffe der bildgebenden Diagnostik ist. Es gibt noch die Computertomographie, die Positronen-Emmisions-Tomographie und noch viele andere Diagnoseverfahren, die alle ihre Vor- und Nachteile besitzen. So ist bei der Magnetresonanztomographie die Auflösung durch technische Begebenheiten begrenzt, außerdem können Patienten mit ferromagnetischen Implantaten, Herzschrittmachern, etc. nicht untersucht werden. Im Großen und Ganzen finde aber, dass die Entdeckung, Weiterentwicklung und Anwendung dieser Technik unglaublich faszinierend ist, und es beeindruckt mich immer wieder, was für komplizierte Konzepte im Hintergrund stehen.

Verwendete Literatur:
Richard Ansorge und Martin Graves: The Physics and Mathematics of MRI, Morgan&Claypool Publishers, 2016

Christopher G. Roth: Fundamentals of Body MRI, Saunders, 2012

Kommentare (16)

  1. […] am 18.10.2017: Link zum Artikel […]

  2. #2 Mars
    18. Oktober 2017

    jupp – das gefällt mir gut, vorallem kann sich jeder reindenken, der schon mal in so einem gerät gelegen ist. das sind sicher schon sehr viele von den lesern.
    auch das verweisen auf zu weite ausführungen passen da ins bild. ein ausgewogener informationsfluss.

    und wieder ein paar sachen dazugelernt:
    dass sich zeiten wie T2-1 nicht in (erwartetetn) milli-sekunden bereich abspielt, sondern MINUTEN benötigt!
    Auch das bekannte klopfgeräuch habe ich bisher eher einenr mechanischen komponente zugeordnet als einer rein magnetischen.

    wir können froh sein, dass es heute nicht mehr nur eine handvoll von den geräten gibt, (wie bei einigen anderen der angesprochenen geräteschaften), denn die diagnostik – nicht nur im gehirn, aber da besonders wichtig: Thema schlaganfall durch ‘Verstopfung’ ODER leckage der blutversorgung, wo es zwar nicht auf millisekunden, aber doch minuten ankommt und eine komplett gegensächliche behandlung angegengen werden muss.

    .
    kleines Addendum:
    sind hier alle schon so ‘aufgescheucht’ (hätte noch ein anderes wort ..), dass man einen solchen artikel mit einer rechtfertigung wie dieser beginnen muss?
    ” …handelt es sich nicht um eine neue esoterisch angehauchte Methode ..”

  3. #3 Cornelia S. Gliem
    18. Oktober 2017

    Interessante Artikel. mir war gar nicht bewusst wie sehr ein MRT auf den Körper einwirkt … hätte ich mir wahrscheinlich denken können :-)

  4. #4 Braunschweiger
    18. Oktober 2017

    Witzisch!
    Ich habe heute noch einen MRT-Termin, und das schon seit etlichen Wochen. Sollte ich mich jetzt besser fühlen?
    Also, psychisch ist die “Röhre” für mich kein Thema, und vielleicht macht das neu erworbene Wissen die Sache einfach interessanter.

  5. #5 Lercherl
    18. Oktober 2017

    Die Zeitkonstante dieser Abnahme nennt man Spin-Spin-Relaxation T21 und T2 für Muskelgewebe bei einer Flussdichte von 3 Tesla 1412s bzw 50s.

    Bei dem Satz ist wohl ein Stück verlorengegangen. Sollte vermutlich ungefähr so lauten:

    Die Zeitkonstante dieser Abnahme nennt man Spin-Spin-Relaxation; sie wird mit T2 bezeichnet. T1 und T2 betragen für Muskelgewebe bei einer Flussdichte von 3 Tesla 1412s bzw 50s.

  6. #6 irma
    18. Oktober 2017

    Mächtig interessanter Artikel!! Und gut erklärt!

    @Mars#2: “aufgescheucht”?
    Absolut! Hier tauchen so oft so viele und vor allem hartnäckige und echt anstrengende “Leutchen” auf … da stellen sich bei der Überschrift schnell mal ein paar Nackenhaare auf…
    Und der Autor spielt ja nunmal genau damit…

  7. #7 Bernhard Scharinger
    18. Oktober 2017

    @Mars

    Das war nur der Versuch eines ein bisschen lockereren Einstiegs :)

    @Lercherl
    Ja war wohl ein Tippfehler von mir, sollte natürlich sinngemäß das von dir oben geschriebene heißen :)

  8. #8 Alderamin
    18. Oktober 2017

    Hmm, verstanden habe ich das Prinzip noch nicht so ganz – wenn diese Zeiten T1 und T2, die laut Text zur Unterscheidung der Gewebearten verwendet werden, so groß sind, wie kann man dann in relativ kurzer Zeit so viele Schnittaufnahmen anfertigen? Wird bei jedem hörbaren Schlag ein kompletter Schnitt aufgenommen? Man müsste dann doch zur Unterscheidung der Gewebe zumindest einen nennenswerten Bruchteil von T2 abwarten, oder verstehe ich das falsch?

  9. #9 Lercherl
    18. Oktober 2017

    @Mars, Alderamin

    und wieder ein paar sachen dazugelernt:
    dass sich zeiten wie T2-1 nicht in (erwartetetn) milli-sekunden bereich abspielt, sondern MINUTEN benötigt!

    Die Zahlen kommen mir auch seltsam vor. Nach allem, was ich so auf die Schnelle finde, liegen T1 und T2 im Bereich von Millisekunden bis wenigen Sekunden:

    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1328631/?page=1
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/spinrel.html
    https://arxiv.org/pdf/1412.6003.pdf

    In letzterer Quelle steht

    T2 = 1.52 s für reines Wasser
    T2 = 0.045 s für Muskelgewebe

    Scheint, als würde im Text ein “milli” vor den Sekunden fehlen.

  10. #10 Bernhard Scharinger
    18. Oktober 2017

    @Alderamin

    Diese Relaxationszeiten beschreiben die Zeitkonstanten mit der die Schwingungsfrequenz eines Protons abnimmt. Also nach dieser Zeit, ist das Signal, das jenes Proton aussendet, um ca. 63% schwächer geworden. Man muss gottseidank nicht die Relaxationszeiten abwarten bis ein Bild aufgenommen werden kann. Die Zeit zwischen Anregung und Messung nennt man Echozeit (TE). Sie wird je nach Art der Messung gewählt. Gewebe mit langer T2-Zeit verliert dann bei einer höheren TE weniger Signalstärke als ein Gewebe mit kurzer T2-Zeit. Daraus folgt dass Gewebe mit längerer Relaxationszeit dann auf den Bildern heller aussieht.

    Die unterteilung in Schnitte Funktioniert im Grunde bei den einfacheren Verfahren so, dass das anregende Signal ein Gradientenfeld ist, sodass immer nur eine bestimmte Schicht in der Larmorfrequenz präzessieren kann. Orthogonal dazu wird ein zweites Gradientenfeld angelegt, dass für jede gewünschte Bildzeile einen leicht veränderten Gradienten hat. Ein drittes Gradientenfeld in der dritten Raumrichtung wird angelegt, um in jeder Bildspalte eine Unterschiedliche Präzessionsfrequenz zu haben. Die Messungen werden dann in einer räumlichen Matrix gespeichert und können dann am Computer zu den Schichtbildern umgerechnet werden.

    Ich hoffe das klärt alles ein bisschen auf :)

  11. #11 Bernhard Scharinger
    18. Oktober 2017

    @Lercherl

    Du hast recht, da hab ich mir leider einen schweren Fehler erlaubt, die Relaxationszeiten sind natürlich in Millisekunden.

  12. #12 Mars
    18. Oktober 2017

    ein kleiner hinweis zum: was klopft denn da?
    1 seite gute technische zusatzinfos

    http://radiologie.charite.de/static/pdf/Taupitz_022013.pdf

    @Aleramin
    … ich mich das auch frage, als ich die langen zeiten gelesen hab.
    es nimmt zwar exponentiell ab, aber selbst da empfinde ich 50s schon lang, irgendwie geht es ja
    wo da der knoten ist, weiss ich grad auch nicht.

  13. #13 Mars
    18. Oktober 2017

    @Bernhard, @Lecherl
    was so ein kleines ‘milli’ für einen fragenkatalog auslöst, und weitere denkprozesse anregt.

  14. #14 rolak
    18. Oktober 2017

    Sooo eine schöne Überschrift – und dann wird dieser Vorsprung mit dem Dementi verschenkt…

    Kann doch so hilfreich sein: mir ist von diversen Bekannten seit neuestem der Zahnstatus bis ins hinterste Detail bekannt geworden. Ziemlich genau solange, seit bei der letzten Akutphase der Schulter-Schleimbeutelitis mir vom Sporthopäden ein neuer VorbeugeÜbungsplan unterbreitet wurde.
    Seitdem kann bei entsprechendem ‘Wie?’ geantwortet werden ‘Ach dat behandelich mit Pendeln’ – und prompt fällt gegenüber der Kiefer tiefer. Nu, war ja auch mir über das gute Dutzend Jahre seit dem ErstAuslöser unbekannt, daß leichtes ArmSchwingen mit schwerer Belastung nach unten die Situation entlastet.
    Oft kamen in letzter Zeit auch Fragen á la ‘Wat machse eijentlich mit dä Hantel am Rechner?’

  15. #15 Mars
    18. Oktober 2017

    @rolak
    ping – jetzt ist der groschen gefallen …

    ja, diese – bei mir ist es die wasserflasche aus der ich nie trinke – pendelbewegung mit kleinen kreisen ist mir auch bekannt.
    1940 hätten die uns wegen mangelnder begrüssungsfähigkeit weggesperrt.

  16. #16 Marion
    B.D.A
    18. Oktober 2017

    Toller Bericht und sehr informativ