Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie (MR, MRT; Tomographie von griech.????? ?Schnitt, abgeschnittenes Stück? und ??????? ?ritzen, malen, schreiben?) ist ein bildgebendes Verfahrenzur Darstellung von Strukturen im Inneren des Körpers. Mit einer MRT kann man Schnittbilderdes menschlichen (oder tierischen) Körpers erzeugen, die oft eine hervorragende Beurteilung der Organe und vieler Organveränderungen erlauben. Die Magnetresonanztomographie nutzt magnetische Felder, keine Röntgenstrahlen.

Ein synonymer Begriff ist Kernspintomographie, unter Medizinern zuweilen abkürzend Kernspin genannt. Dieser wird jedoch aufgrund der falschen Assoziation, dass Kern- bzw. Atomkraft involviert sei, heutzutage in Fachkreisen seltener verwendet. Die gelegentlich verwendete Abkürzung MRI stammt von dem englischen Fachbegriff Magnetic Resonance Imaging. Die funktionelle Magnetresonanztomographiewird fMRT bzw. fMRI abgekürzt.

Physik

Die physikalische Grundlage der Magnetresonanztomographie (MRT) bildet die Kernspinresonanz(engl. NMR). Hier nutzt man die Tatsache, dass Protoneneinen Eigendrehimpuls (Spin) besitzen und Atomkernedadurch ein magnetisches Momenterhalten. Ein Atomkern kann vereinfacht als ein magnetischer Kreisel angesehen werden. Wird ein solcher rotierender Kern in ein statisches magnetisches Feld B₀ gebracht, so richtet sich dieser nach B₀ aus. Durch das Ausrichten beginnt der Kern mit einer Präzessionsbewegung? d. h. die Rotationsachse des Kerns dreht sich um die Richtung des angelegten Magnetfeldes. Die Präzessionsbewegung tritt jedesmal dann auf, wenn der Kern aus seiner Ruhelage gebracht wird. Wird das äußere Feld wieder abgestellt, so fällt der Kern in seine ursprünglich Lage (thermisches Gleichgewicht) zurück. Wird ein zweites Feld (Transversalfeld) B_T angelegt, welches normal zum ersten steht, beginnt der Kern wieder zu präzedieren (bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt) ? ebenso wenn das Feld wieder abgestellt wird. Um die Kerne dauerhaft zur Präzession anzuregen, ist dieses zweite Feld ein hochfrequentes Wechselfeld (HF-Feld) und rotiert in der xy-Ebene.

Für die Präzessionsbewegung existiert eine Resonanzfrequenz. Bei Atomkernen wird diese Eigenfrequenz Larmorfrequenzgenannt. Diese ist abhängig von der Stärke des eingeprägten Magnetfeldes und vom Aufbau des Kerns. Durch die Wahl der Stärke des ersten (statischen) Feldes B₀ und die Wahl der Frequenz des Transversalfeldes B_T kann sehr genau bestimmt werden, welche Kerne in Resonanz geraten sollen. Durch diesen Resonanzeffekt wird das magnetische Moment m des Kerns um 90° in die xy-Ebene gekippt und rotiert präzedierend mit dem Transversalfeld.

Wird das transversale Wechselfeld, welches das magnetische Moment m eines Kerns um 90° gekippt hat, abgeschaltet, so rotiert der Kern weiter in der xy-Ebene. Bringt man nun eine Spule in die Nähe des rotierenden magnetischen Moments, so wird in diese eine Spannung induziert. Da die Messspulen gewöhnlich normal auf der xy-Ebene stehen, ist die gemessene Spannung proportional zur Quermagnetisierung m_T des magnetischen Momentes m. Mit einer Folge von HF-Impulsen des Transversalfeldes in einem Körper, der in einem starken Magnetfeld liegt, kann eine rotierende Quermagnetisierung M_T erzeugt werden, welche sich aus den Quermagnetisierungen m_T der einzelnen Kerne zusammensetzt. Diese Quermagnetisierung ist vom Ort und vom Gewebetyp abhängig.

Das Ziel der MR-Tomographie ist die Erzeugung von Schichtbildern der Quermagnetisierung M_T(x,y).

Spin-Gitter-Relaxation (Längsrelaxation T1)

Durch Einbringen eines Hochfrequenzsignals können Kerne zur Präzessiongebracht werden. Wird dieses Signal in der xy-Ebene ausreichend lange eingebracht, präzedieren alle Kerne in der xy-Ebene; die z-Komponente der Magnetisierung nimmt den Wert Null an. Stellt man das Signal ab, so kommt es durch Wechselwirkung mit den umgebenden Atomen (die am "vibrierenden" Gitter hängen. D. h. die Energie kommt vom Gitter über die Atome zu den Kernen) zu einer Relaxation(Spin-Gitter-Relaxation), d. h. die Magnetisierungsvektoren richten sich wieder entlang des statischen Feldes B₀ aus. Diese Ausrichtung erfolgt exponentiell:

,

wobei M₀ die Stärke der Magnetisierung in Richtung von B₀ im Gleichgewichtszustand ist. Die Konstante c gibt an, in welchem Zustand außerhalb des Gleichgewichts sich das System zu Beginn des Relaxationsprozesses befindet (z.B. c=1: Sättigung, c=2: Inversion). Die Zeit bis die z-Komponente ca. 63% ihres Ausgangswertes wieder erreicht hat, nennt man Spin-Gitter-Relaxationszeit oder auch T₁-Zeit.

Flüssigkeiten haben meist kürzere T₁-Zeiten als Festkörper.

Spin-Spin-Relaxation (Querrelaxationzeit T2)

Die Quermagnetisierung eines Spin-Ensembles zerfällt nun ähnlich wie die M_z-Komponente steigt, durch Wechselwirkung mit benachbarten Atomen. Hier ist es allerdings die sog. Spin-Spin-Wechselwirkung, die für die Dephasierung verantwortlich ist. Der Zerfall lässt sich wieder durch eine Exponentialfunktion darstellen, jedoch mit einer anderen Zeitkonstante T₂:

.

Oft nimmt die Quermagnetisierung in der xy-Ebene viel schneller ab, als durch die Spin-Spin-Wechselwirkung erklärbar ist. Die Ursache liegt darin, dass bei einer MR-Aufnahme über ein Volumenelement gemittelt wird, in dem das äußere Magnetfeld nicht konstant (sondern inhomogen) ist. Nach Wegnahme des HF-Signals verschieben sich die Phasen der Kerne untereinander und die xy-Komponenten der einzelnen Kerne laufen auseinander.

Messsequenz, Ortskodierung, Bildaufbau

Zum besseren Verständnis wird hier das Prinzip der einfachsten, sogenannten Spinecho-Sequenz kurz skizziert. Eine "Sequenz" ist in diesem Zusammenhang eine Kombination aus Radioimpulsen und Magnetfeldern bestimmter Frequenz bzw. Stärke, die vielfach in jeder Sekunde in vorgegebener Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden.

Zu Beginn steht der sogenannte Anregungsimpuls. Wird über die Sendeantenne ein Radiowellenimpuls der passenden Frequenz (Larmor-Frequenz) eingestrahlt, dann werden die Spinachsen quer zum äußeren Magnetfeld ausgelenkt. Sie beginnen um die ursprüngliche Achse zu kreisen. Wie bei einem Kreisel, welcher angestoßen wird, nennt man diese Bewegung Präzession. Die präzidierenden Dipolebilden winzige Sender und strahlen die Radioenergie ab, während sie sich wieder aufrichten.

Das Radiosignal kann außerhalb des Körpers gemessen werden. Es zerfällt exponentiell, weil die Protonenspins aus dem Takt geraten und sich gegenseitig überlagern. Die Zeit, nach der 63 % des Signals zerfallen sind, nennt man T2-Relaxationszeit (Spin-Spin-Relaxation). Diese Zeit hängt von der chemischen Bindung des Wasserstoffs ab; sie ist für jede Gewebsart unterschiedlich. Tumorgewebehat z. B. meist eine längere T2-Zeit als normales Muskelgewebe. Eine T2-gewichtete Messung stellt den Tumor darum heller als seine Umgebung dar.

Durch geeignete Rephasierungs-Impulse kann man bewirken, dass die Spins zum Zeitpunkt der Messung wieder genau in der gleichen Phase sind. Die Signalstärke hängt dann nicht von der T2-Relaxationszeit ab, sondern von der sogenannten T1-Relaxationszeit (Spin-Gitter-Relaxation), die ein Maß für die Geschwindigkeit ist, mit der sich die Quermagnetisierung wieder rückbildet, also die ursprüngliche Längsausrichtung der Spins zum äußeren Magnetfeld wieder einstellt. Die T1-Zeit ist ebenfalls gewebespezifisch, aber deutlich (20×) länger als die T2-Zeit. Die T1-Zeit von Wasser beträgt z. B. 2500 Millisekunden. T1-gewichtete Messsequenzen erlauben wegen des stärkeren Signals eine bessere Ortsauflösung, aber einen geringeren Gewebekontrast als T2-gewichtete Bilder.

Eine Kernspintomographie umfasst stets T1- und T2-gewichtete Bildserien und darüberhinaus mindestens zwei räumliche Ebenen.

Um die Signale den einzelnen Volumenelementen (Voxeln) zuordnen zu können, wird mit abgestuften Magnetfeldern (Gradientenfeldern) eine Ortskodierung erzeugt. Ein Gradient liegt bei der Anregung an und stellt sicher, dass nur eine einzelne Schicht des Körpers die passende Larmorfrequenz besitzt, also nur die Spins dieser Schicht ausgelenkt werden (Schichtselektionsgradient). Ein zweiter Gradient quer zum ersten wird nach der Anregung kurz eingeschaltet und bewirkt eine kontrollierte Dephasierung der Spins dergestalt, dass in jeder Bildzeile die Präzession der Spins eine andere Phasenlage hat (Phasenkodiergradient). Der dritte Gradient wird während der Messung senkrecht zu den beiden anderen geschaltet; er sorgt dafür, dass die Spins jeder Bildspalte eine andere Präzessionsgeschwindigkeit haben, also eine andere Larmorfrequenz senden (Auslesegradient, Frequenzkodiergradient).

Alle drei Gradienten zusammen bewirken also eine Kodierung des Signals in drei Raumebenen. Das empfangene Signal gehört zu einer bestimmten Schicht des Körpers und enthält eine Kombination aus Frequenz- und Phasenkodierung, die der Computer mit einer Fourier-Transformation auflösen kann.

Bildbeurteilung

Die Signalstärke der Voxelwird in Grauwerte kodiert abgebildet. Da sie von zahlreichen Parametern abhängt (etwa der Magnetfeldstärke), gibt es keine Normwerte für das Signal bestimmter Gewebe und keine definierte Einheit vergleichbar den Hounsfield-Units bei der Computertomographie. Die MR-Konsole zeigt nur arbiträre(willkürliche) Einheiten an, die diagnostisch nicht verwertbar sind. Die Bildinterpretation stützt sich stattdessen auf den Gesamtkontrast, die jeweilige Gewichtung der Messsequenz, und die Signalunterschiede zwischen bekannten und unbekannten Geweben. Im Befund wird deshalb bei der Beschreibung einer Läsion nicht von ?hell? oder ?dunkel? gesprochen, sondern von hyperintens für signalreich, hell und von hypointens für signalarm, dunkel. Bei Röntgenbildernwerden auch die Begriffe hyperdens und hypodens zur Beschreibung des relativen Schwärzungsgrads benutzt. Beispielsweise ist ein Tumor in T2-gewichteten Bildern meistens hypointens gegenüber Fettgewebe und hyperintens gegenüber Muskulatur.

Eigenschaften

Vorteile der Magnetresonanztomographie

Der Vorteil der MRT ist die gegenüber anderen bildgebenden Verfahren in der diagnostischen Radiologieoft bessere Darstellbarkeit vieler Organe. Sie resultiert aus der Verschiedenheit der Signalintensität, die von unterschiedlichen Weichteilgeweben ausgeht. Dabei kommt das Verfahren ohne potenziell schädliche ionisierende Strahlungaus. Manche Organe werden erst durch die MRT-Untersuchung darstellbar (z. B. Nerven- und Hirngewebe).

Nachteile der Magnetresonanztomographie

• Der Hauptnachteil der MRT sind die hohen Anschaffungs- und Betriebskosten.
• Die Auflösung ist auf Grund physikalischer Gegebenheiten auf etwa einen Millimeter begrenzt.
• Metall am oder im Körper kann Nebenwirkungen und Bildstörungen verursachen. Manche Metallfremdkörper (z. B. Eisensplitter im Auge oder Gehirn) können dabei sogar, durch Verlagerung oder Erwärmung während der Untersuchung, gefährlich sein, so dass eine Kernspinuntersuchung bei solchen Patienten unmöglich sein kann. Moderne Metallimplantate stellen jedoch i. d. Regel kein Problem dar.
• Elektrische Geräte können im Magneten beschädigt werden. Träger eines Herzschrittmachersund ähnlicher Geräte durften daher bisher nicht untersucht werden. Neuere Studien zeigen, dass bei entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen auch Personen, die einen Herzschrittmacher tragen, schadlos untersucht werden können. Dies geschieht zur Zeit aber nur in größeren Zentren.
• Schnell bewegliche Organe wie das Herz lassen sich nur mit eingeschränkter Qualität darstellen oder erfordern eine Bewegungskompensation. Durch die Entwicklung von modernen multikanal Systemen stellen diese Untersuchungen kein Problem mehr da und halten mehr und mehr Einzug in die klinische Routinediagnostik.
• Die Untersuchung ist im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren zeitaufwändig.
• Der Kalkgehalt knöcherner Strukturen kann oft nicht so gut beurteilt werden wie im Röntgenbild, was u. a. die Beurteilung der Stabilität von Knochenbrüchen erschweren kann. Andere Knochenerkrankungen (z. B. Entzündungen, Tumore) sind hingegen oft besser zu erkennen als bei Röntgen- oder CT-Untersuchungen.
• mögliche, eher selten auftretende, Unverträglichkeit des Kontrastmittels, wobei die MR-Kontrastmittel in der Regel wesentlich besser vertragen werden, als die jodhaltigen Röntgen-Kontrastmittel.

Artefakte

Im Vergleich zur Computertomographietreten Artefakte häufiger auf und stören die Bildqualität meist mehr.

• Bewegungs- und Flussartefakte
• Rückfaltungsartefakte (Objekt liegt außerhalb des FOV ("Field of View") jedoch noch innerhalb Empfangsspule)
• Chemical-Shift-Artefakte (unterschiedliche Präzessionsfrequenz der Fett- und Wasserprotonen)
• Auslöschungs- und Verzerrungsartefakte (lokale Magnetfeldinhomogenitäten) sog. Suszeptilitätsartefakte (werden auch ausgenutzt um z. B. Blutungen im Gehirn zu diagnostizieren)
• Kantenartefakte(im Bereich von Gewebeübergängen mit stark unterschiedlichem Signal)
• Linienartefakte (Hochfrequenzlecks)

• Artefakte durch externe Störquellen im Raum, wie z. B. Perfusoren und Narkosegeräte älterer Bauart (obwohl sie weit vom Magneten entfernt sind) -> stellen sich als Streifen in Phasenkodierrichtung dar

Kontraindikationen

• Herzschrittmacher (nur in einzelnen Zentren werden Schrittmacherpatienten mittlerweile untersucht, gewöhnlich werden Schrittmacher-Patienten nicht untersucht, da die Gefahr einer Beschädigung auch neuerer Modelle nicht sicher auszuschließen ist)
• intrakranielle Gefäßclips aus ferromagnetischem Material
• röntgendichte Metallsplitter in ungünstiger Lage (z.B. im Auge)
• temporärer Cava-Filter
• erstes Trimenon der Schwangerschaft (relative Kontraindikation)
• Cochleaimplantat
• implantierte Insulinpumpen (externe Pumpen müssen zur Untersuchung abgelegt werden)
• große oder schleifenförmig angeordnete Tätowierung im Untersuchungsgebiet (metallhaltige Farbpigmente können sich erwärmen bzw. Hautverbrennung bis II. Grades ermöglichen (William A. Wagle and Martin Smith, Tattoo-Induced Skin Burn During MR Imaging, AJR 2000; 174:1795))
• Klaustrophobie (= "Platzangst") (relative Kontraindikation, Untersuchung in Sedierung oder Narkose möglich)

Untersuchungsdauer bei einer Magnetresonanztomographie

Die Dauer einer MRT-Untersuchung hängt vom untersuchten Körperabschnitt, von der klinischen Fragestellung und vom verwendeten Gerät ab. Die häufig durchgeführte Untersuchung des Kopfes dauert typischerweise 10-30 Minuten. Je höher die gewünschte Detailauflösung, desto länger ist die zu veranschlagende Untersuchungszeit.

Dieser Faktor muss bei der Auswahl des Diagnoseverfahrensmit berücksichtigt werden. Die Fähigkeit eines Patienten, während der erforderlichen Zeit still zu liegen, kann individuell und krankheitsabhängig eingeschränkt sein. Zur MRT-Untersuchung von Säuglingenund Kleinkindernist gewöhnlich eine Narkoseerforderlich.

Neuere Entwicklungen versprechen die Untersuchungszeit durch die parallele Aufnahme des MR-Signals mit zahlreichen Empfangsspulen deutlich zu verkürzen.

Klopfgeräusche

Zur Ortskodierung der Bildinformation werden dem Hauptmagnetfeld zusätzliche Gradientenfelder (in x-, y- und z-Richtung) überlagert. Über die dabei verwendeten Gradientenspulen werden innerhalb von Millisekunden starke Magnetfelder auf- und abgebaut. Die entstehenden elektromagnetischen Kräfte zerren dabei so stark an den Spulenverankerungen, dass laute klopfende bzw. hämmernde Geräusche auftreten, die je nach gefahrener Sequenz unterschiedlich sind. Das Gerät arbeitet dabei fast wie ein Lautsprecher: ein starker Magnet ist von Wechselstrom durchflossenen Spulen umgeben. Den Patienten wird deshalb bei der Untersuchung meistens ein Gehörschutz aufgesetzt.

Kosten für ein Magnetresonanztomogramm (D)

• Eine MRT-Untersuchung eines oder mehrerer Gelenke oder Abschnitte von Extremitäten (GO-Nr. 5729) kostet in Deutschland für Privatpatientenbeim einfachen GOÄ-Satz 139,89 ?, beim Höchstsatz (2,3-fach) 349,73 ? (Stand: 2004).
• Ein gesetzlich versicherter Kassenpatienterhält die meisten MRT-Untersuchungen auf Überweisungeines Arztes. Der Radiologe rechnet mit der Krankenkassegem. EBMab, z.B. für die MRT eines Schultergelenks 152,00 ? (bei 5 ct pro Punkt). Einige MRT-Untersuchungen, die im EBM-Katalog nicht aufgeführt sind, muss auch ein Kassenarzt nach GOÄ-Satz privat liquidieren, wenn die Krankenkasse sie nicht in einer Einzelfall-Entscheidung übernimmt.

Hersteller von MRT-Anlagen

• Bruker
• General Electric
• Hitachi Medical Systems
• Philips
• Siemens Medical Solutions
• Toshiba
• VARIAN

Datenformat

Für die Speicherung der Ergebnisse medizinischer bildgebender Verfahren hat sich der DICOM-Standard weitgehend durchgesetzt. So ist es unter Umständen möglich, dass der Patientnach seiner Untersuchung eine CD-ROMmit seinen eigenen Schnittbildernmit nach Hause nehmen kann. Die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass diese Daten in einem DICOM-Datenformat gespeichert sind.

Historische Entwicklung

Die MRT wurde als bildgebende NMRin den 1970er Jahren vor allem von Paul C. Lauterburund von Peter Mansfieldentwickelt. Sie erhielten dafür 2003 den Nobelpreisfür Physiologie und Medizin.

Paul Lauterbur (USA) hatte die grundlegende Idee, durch die Einführung von magnetischen Gradientenfeldernein Abbild der Untersuchungsprobe zu ermöglichen. Sein 1973 publiziertes Experiment zeigt eine zweidimensionale Abbildung des Querschnitts zweier mit normalen Wasser gefüllter Röhrchen in einer Umgebung von ?schwerem? Wasser.

Für eine praktische Nutzung dieser Entdeckung waren die Beiträge von Sir Peter Mansfield (Großbritannien) entscheidend. Er entwickelte ab 1974 mathematische Verfahren, um die Signale schnell in Bildinformationen zu wandeln. Weiterhin führte er 1977 die Verwendung extrem schneller Gradienten ein (EPI, Echo Planar Imaging und später EVI, Echo Volume Imaging), wodurch eine Bildgewinnung in sehr kurzer Zeit möglich ist (?Schnappschuss-Technik?). Ihm ist auch die Einführung magnetisch abgeschirmter Gradienten-Spulen zu verdanken. Damit war ab 1981 der Weg frei für eine breite Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Seit 1998 sucht Mansfield nach Lösungen, die erhebliche Lärmbelastung für den Patienten durch die extrem schnelle Gradientenumschaltung zu reduzieren.

Umstritten ist der Beitrag von Raymond V. Damadian(USA), der 1974 ein US-Patent zur Anwendung der NMR als Mittel der Krebsdiagnostik angemeldet hat. Obwohl dort keine Methode zur Bildgebung beschrieben wird, erstritt Damadian einige Millionen US-Dollar von MRT-Produzenten. Damadian beschreibt ein Konzept zum Ganzkörper-NMR-Scanning. Sein NMR-Scanner, der keine Bilder erzeugt, wurde allerdings nie klinisch eingesetzt, und seine Krebsnachweismethode ist sehr zweifelhaft. Sie beruht auf Differenzen in den NMR-Relaxationszeitenvon gesunden und Tumor-Gewebe. Diese von Damadian bereits 1971 publizierte Beobachtung musste allerdings später relativiert werden, da diese Differenzen nicht durchgehend zutreffen. Damadian wurde an dem Nobelpreis für bildgebende NMR (MRI, MRT) nicht beteiligt, worauf er öffentlich heftig protestierte.

Literatur

• Olaf Dössel: Bildgebende Verfahren in der Medizin. Von der Technik zur medizinischen Anwendung 1. Auflage. Springer, Berlin Heidelberg 2000, ISBN 3-540-66014-3
• Heinz Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. 3. Auflage. Publicis MCD Verlag, 1995 ISBN 3-89578-002-2

Siehe auch

• Kernspinresonanz
• Funktionelle Kernspintomographie
• Quenchen

Weblinks

• Verständliche Erklärung und Animation zur Magnetresonanztomographie bei Quarks & Co (insg. drei Seiten)
• The Basics of MRI
• MRT/MRI Inkubator für Frühgeborene
• MRI im Einsatz (englisch)en:Magnetic resonance imaging

et:Magnetresonantskuvamine fr:Image à résonance magnétique nucléaire he:?????? ????? ?????? ja:MRI ms:MRI nl:MRI-scanner pl:Spektroskopia NMR ru:??????? ????????? ???????? sl:Slikanje z magnetno resonanco vi:?nh c?ng h??ng t? h?t nhân

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