Die Kernspintomographie – Einblick durch Magnetfelder
Mediziner nutzen die Physik eigent- lich schon immer für Diagnose und Therapie. Ein schönes Beispiel für die technische Umsetzung eines grundlegenden physikalischen Prin- zips 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, mel- dete eine deutsche Firma ein Gerät zum Patent an, mit dem sich die Flüssigkeitsverteilung im menschli- chen Körper bestimmen ließ. Die ersten erfolgreichen Experimente zur Bilderzeugung mittels Kernspin- resonanz wurden 1972 von Dama- dian und 1974 von Lauterbur vorge- stellt. Fünf Jahre später wurde das erste MRT-Bild des menschlichen
Körpers im British Journal of Ra- diologyveröffentlicht. Inzwischen hat sich die Kernspintomographie einen festen Platz in der medizini- schen Diagnostik erobert. Ebenso wie die mit Röntgenstrahlung arbei- tende Computertomographie (CT) erzeugt sie Schnittbilder (Tomo- gramme) des untersuchten Körpers.
Die Computertomographie nutzt die unterschiedlichen Dichten des Körpergewebes für den Bildkon- trast; sie eignet sich gut für die Dar- stellung von Knochen, aber nicht von Weichteilen. Die Kernspinto- mographie besitzt hingegen einen exzellenten Weichteilekontrast und das sogar ohne Strahlenbelastung.
Ein Kernspintomograph setzt sich im Wesentlichen aus drei Ele- menten zusammen: einem starken Permanentmagnet, einer Hochfre- quenzspule und einer Antenne. Der Permanentmagnet erzeugt ein stati- sches und homogenes Magnetfeld.
Die Hochfrequenzspule sorgt mit- hilfe eines gepulsten Magnetfeldes, das senkrecht zum Grundfeld aus- gerichtet ist, für die Anregung der
Kernresonanz. Und die Antenne empfängt das durch die Kernreso- nanz induzierte Signal. Liegt der Patient nun in der Röhre eines To- mographen, orientieren sich die Kernspins seiner Atome in Rich- tung des starken Grundfeldes. Der Spin verleiht Elementarteilchen (Neutronen, Protonen, Elektronen) magnetische Eigenschaften, genauer gesagt ein magnetisches Moment, das in der Lage ist, mit einem äuße- ren Magnetfeld zu wechselwirken.
Auch zusammengesetzte Objekte wie Atomkerne haben ein magneti- sches Moment, das sich aus den Spins der Nukleonen sowie deren Bahndrehimpulsen zusammensetzt.
Besonders einfach liegen die Ver- hältnisse beim Wasserstoffatom, dessen Kern aus einem einzelnen Proton besteht und sich deshalb be- züglich eines Magnetfeldes in ledig- lich zwei Richtungen orientieren kann, parallel bzw. antiparallel zur Feldrichtung (die man in der Regel als z-Richtung definiert). Ohne äu- ßeres Magnetfeld sind die Kern- spins der Wasserstoffatome im Kör- per zufällig ausgerichtet; keine der möglichen Orientierungen wird be- vorzugt, da die zugehörigen Ener- giezustände entartet sind, sich also nicht unterscheiden. Die Situation ändert sich mit einem zusätzlichen starken Magnetfeld: Jetzt orientie- ren sich die Kernspins am Magnet- feld 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 = hnL, wobei nL =gB/2pdie Larmor-Frequenz zur magnetischen Flussdichte B ist.
Diese Larmor-Frequenz beschreibt jedoch nicht nur die Energiediffe- renz zwischen den beiden Spinstel- lungen, sondern gleichzeitig auch die Präzession der Spinachse um die Magnetfeldachse, denn diese beiden Achsen liegen nicht ganz parallel zueinander – analog zur Torkelbewegung eines schräg ste- henden Brummkreisels. Das gyro- magnetische Verhältnis gbeträgt für das Proton 2,67}1081/sT. Die in der Natur und im menschlichen Gewebe am häufigsten vorkommen- den Wasserstoffkerne (Wasser, Fett) besitzen also eine Larmor-Frequenz von 42,5 MHz für ein 1-Tesla-Feld.
Die Energieaufspaltung der Spinzu- stände ist sehr klein verglichen mit der kinetischen Energie der Atome
bei Zimmertemperatur, sodass auch der Überschuss der parallel ausge- richteten Atome sehr gering ist. Die große Anzahl an Wasserstoffatomen im menschlichen Körper (ein Milli- liter Wasser enthält schon etwa 30 Trilliarden) sorgt allerdings dafür, dass es doch zu einer messbaren Magnetisierung im Gewebe kommt.
Derart durch ein starkes Magnet- feld vorbereitet, sind die Wasser- stoffatome eines Patienten in der Lage, mit einem weiteren Magnet- feld 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 entgegenge- setzte Orientierung umklappen – vorausgesetzt, die eingestrahlte Fre- quenz stimmt mit der Larmor-Fre- quenz überein, sodass es zur Reso- nanz kommt und die Energie der elektromagnetischen Welle genau dem Energieabstand der beiden Spinorientierungen entspricht.
Strahlt man jedoch nur einen kur- zen Hochfrequenzpuls auf die Pro- be, ändert sich die Magnetisierung nicht vollständig, also um 180 Grad, sondern um einen kleineren Winkel. Die Spins präzedieren nun um die Richtung der neuen Magne- tisierung. Insbesondere lässt sich die Pulsdauer so wählen, dass die Magnetisierung nach dem Puls im rechten Winkel zum ursprüngli- chen, konstanten Magnetfeld steht, die z-Komponente also verschwun- den, aber eine transversale Kompo- nente aufgetreten ist; man spricht dann von einem 90-Grad-Puls.
Nach einer charakteristischen Rela- xationszeit, der sog. Spin-Gitter- Relaxationszeit T1, 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 elektromagneti- sches Signal ausgesendet, das de- tektiert und aus dem letztlich das gewünschte Gewebebild generiert wird. Die Bezeichnung für T1be- zieht sich darauf, dass bei diesem Relaxationsprozess Energie zwi- schen dem Spinsystem und der Um- gebung, dem sog. Gitter, ausge- tauscht wird.
Auch die transversale Spinkom- ponente zerfällt nach dem Abschal- ten des HF-Pulses wieder; die ent- sprechende Zeitkonstante T2wird als Spin-Spin-Relaxationszeit be- zeichnet, da Wechselwirkungen der Spins untereinander für diese Rela-
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Abb. 1:
Wirkungsweise eines Schichtgradi- enten: Aufgrund der ortsabhängigen Resonanzfrequenz regt ein Hochfre- quenzimpuls mit einer bestimmten Bandbreite nur eine Scheibe der Probe an.
Dr. Ulr ich Kilian, scie nce & more re daktionsbüro, uk@science-and- more .de
xation verantwortlich sind.
Die präzedierenden Spins erzeu- gen in der HF-Spule ein Indukti- onssignal, das die Basis der Bildre- konstruktion bildet. Die Spule hat somit eine Doppelfunktion: Zum einen erzeugt sie den magnetisie- rungsändernden Puls, zum anderen detektiert sie das Messsignal. Die Berechnung des Bildes aus den Re- sonanzsignalen ist aufwändig; stan- dardmäßig verwendet man hierfür eine Fourier-Transformation.
In der Kernspintomographie ste- hen also drei Kontrastparameter zur Verfügung: Neben der Proto- nendichte, die in den einzelnen Or- ganen variiert und die Stärke des Messsignals beeinflusst, liefern die beiden Relaxationszeiten, die das Abklingen des Signals widerspie- geln, wertvolle Informationen zur Unterscheidung der Organe bzw.
des kranken vom gesunden Gewe- be. Zusätzlich werden Kontrastmit- tel benutzt, die die Relaxationszei- ten beeinflussen. Beispielsweise lassen sich Blutgefäße mit einem Kontrastmittel darstellen, das nur im Blut das Signal modifiziert.
Mit dem bisher beschrieben Ver- suchsaufbau wären nur Ganzkör-
peraufnahmen möglich; was noch fehlt, ist die für Schnittbilder not- wendige Ortsauflösung. Eine Mög- lichkeit, 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 Be- reichen auf, wo HF-Signal und Lar- mor-Frequenz zusammenpassen.
Zur Variation des Magnetfeldes werden zusätzliche linear anstei- gende Gradientenfelder entlang der kartesischen Koordinatenachsen überlagert. Ein Gradientenfeld in z- Richtung beispielsweise selektiert eine bestimmte Körperschicht (Abb. 1). Zusammen mit den ande- ren Raumrichtungen lässt sich schließlich ein dreidimensionales Muster erzeugen (Abb. 2).
Über die rein morphologische Darstellung des Körpers hinaus ist die funktionelle Kernspintomogra- phie(fMRT) in der Lage, die Funk- tionsweise von Organen, vor allem des Gehirns, darzustellen. Sie nutzt beispielsweise die Tatsache, dass die magnetischen Eigenschaften von Blut vom Sauerstoffgehalt ab- hängen; dadurch lässt sich die Akti- vität eines Hirnareals, die mit ver-
stärktem Sauerstoffbedarf einher- geht, darstellen. Voraussetzung für die funktionelle Kernspintomogra- phie ist eine gute zeitliche Auflö- sung, also eine möglichst schnelle Bildgebungsmethode. Die Entwick- lung solcher Methoden war und ist immer noch Hauptgegenstand der Forschung – neben der Verbesse- rung der Auflösung und der Er- schließung neuer Kontrastverfah- ren.
Ulrich Kilian
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Physik im Alltag
81 Abb. 2:
Aus den Schnitt- bildern der Kern- spintomographie lassen sich dreidi- mensionale Bilder rekonstruieren.
Mediziner, Physi- ker und Informati- ker arbeiten daran, diese heute noch relativ zeitaufwän- dige Methode pra- xistauglich zu machen.
(Quelle: MEVIS Bremen)
