Magnetresonanztomographie

MRT Aufnahme

Magnetresonanztomografie (MRT; Tomografie von griech. τόμος „Schnitt, abgeschnittenes Stück“ und γράφειν „ritzen, malen, schreiben“) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Inneren des Körpers. Mit einer MRT kann man Schnittbilder des menschlichen (oder tierischen) Körpers erzeugen, die oft eine hervorragende Beurteilung der Organe und vieler Organveränderungen erlauben. Die Magnetresonanztomografie nutzt magnetische Felder, keine Röntgenstrahlen.

Ein synonymer Begriff ist Kernspintomografie, 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 Magnetresonanztomografie wird fMRT bzw. fMRI abgekürzt.

Physik

Die physikalische Grundlage der Magnetresonanz-Tomografie (MRT) bildet die Kernspinresonanz. Hier nutzt man die Tatsache, dass Protonen einen Spin besitzen und Atomkerne dadurch ein magnetisches Moment erhalten. Ein Atomkern kann vereinfacht als ein magnetischer Kreisel angesehen werden. Wird ein solcher rotierender Kern in ein statisches magnetisches Feld $B_{0}$ gebracht, so richtet sich dieser nach $B_{0}$ 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 Larmorfrequenz genannt. Diese ist abhängig von der Stärke des eingeprägten Magnetfeldes und vom Aufbau des Kerns. Durch die Wahl der Stärke des ersten (statischen) Feldes $B_{0}$ 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-Tomografie ist die Erzeugung von Schichtbildern der Quermagnetisierung $M_{T}(x,y)$ .

Spin-Gitter-Relaxation (Längsrelaxation T1)

Durch Einbringen eines Hochfrequenzsignals können Kerne zur Präzession gebracht 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 zu einer Relaxation (Spin-Gitter-Relaxation), d. h. die Magnetisierungsvektoren richten sich wieder entlang des statischen Feldes $B_{0}$ aus. Diese Ausrichtung erfolgt exponenziell:

$M_{z}\left(t\right)=M_{0}\cdot \left(1-ce^{-{\frac {t}{T_{1}}}}\right)$ ,

wobei $M_{0}$ die Stärke der Magnetisierung in Richtung von $B_{0}$ 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 $T_{1}$ -Zeit.

Flüssigkeiten haben meist kürzere $T_{1}$ -Zeiten als Festkörper.

Spin-Spin-Relaxation (Querrelaxationzeit T2)

Die Quermagnetisierung eines Spin-Ensembles zerfällt nun ähnlich wie die $M_{z}$ -Komponente, 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 $T_{2}$ :

$M_{T}\left(t\right)=M_{T}(0)\cdot e^{-{\frac {t}{T_{2}}}}$ .

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 Dipole bilden 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. Tumorgewebe hat 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 Kernspintomografie 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.

Eigenschaften

Vorteile der Magnetresonanztomografie

Der Vorteil der MRT ist die gegenüber anderen bildgebenden Verfahren in der diagnostischen Radiologie oft bessere Darstellbarkeit vieler Organe. Sie resultiert aus der Verschiedenheit der Signalintensität, die von unterschiedlichen Weichteilgeweben ausgeht. Dabei kommt das Verfahren ohne potenziell schädliche ionisierende Strahlung aus. Manche Organe werden erst durch die MRT-Untersuchung darstellbar (z. B. Hirnstamm). Weiterhin kann die Auflösung einer MRT-Untersuchung die mm-Grenze weit unterschreiten und es kann normalerweise auf Kontrastmittel verzichtet werden, wodurch das Risiko durch Nebenwirkungen (allergische Reaktionen) minimiert werden kann.

Nachteile der Magnetresonanztomografie

Der Hauptnachteil der MRT sind die hohen Anschaffungs- und Betriebskosten.
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 Herzschrittmachers und 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.
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-Kontratmittel in der Regel wesentlich besser vertragen werden, als die jodhaltigen Röntgen-Kontrastmittel.

Artefakte

Im Vergleich zur Computertomographie treten 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 (lt. Literatur nur ältere Modelle, die vor 2002 implantiert wurden.)
Herzklappen älteren Baujahrs
intrakranielle Gefäßclips
röntgendichte Metallsplitter
ferromagnetische Implantate
temporärer Cava-Filter
erstes Trimenon
Cochleaimplantat
Insulinpumpen

Untersuchungsdauer bei einer Magnetresonanztomografie

Einzelbild einer funktionellen Magnetresonanztomografie des Gehirns.
*→ Zur animierten Version*

Die Dauer einer MRT-Untersuchung hängt vom untersuchten Körperabschnitt, von der klinischen Fragestellung und vom verwendeten Gerät ab. Die häufig durchgeführte Untersuchung des Schädels dauert typischerweise 20-30 Minuten. Je höher die gewünschte Detailauflösung, desto länger ist die zu veranschlagende Untersuchungszeit.

Dieser Faktor muss bei der Auswahl des Diagnoseverfahrens mit berücksichtigt werden. Die Fähigkeit eines Patienten, während der erforderlichen Zeit still zu liegen, kann individuell und krankheitsabhängig eingeschränkt sein. Zur MRT-Untersuchung von Säuglingen und Kleinkindern ist gewöhnlich eine Narkose erforderlich.

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

Eine MRT-Untersuchung eines oder mehrerer Gelenke oder Abschnitte von Extremitäten (GO-Nr. 5729) kostet für Privatpatienten beim einfachen GOÄ-Satz 139,89 €, beim Höchstsatz (2,3-fach) 349,73 € (Stand: 2004).
Ein gesetzlich versicherter Kassenpatient erhält die meisten MRT-Untersuchungen auf Überweisung eines Arztes. Der Radiologe rechnet mit der Krankenkasse gem. EBM ab. Einige MRT-Untersuchungen, die im EBM-Katalog nicht aufgeführt sind, muss auch ein Kassenpatient nach GOÄ-Satz liquidieren oder sie kann in einer Einzelfall-Entscheidung von der Krankenkasse übernommen werden.

Hersteller von MRT-Anlagen

Datenformat

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

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
Computertomografie (Vergleich zwischen MRT und CT)
Funktionelle Kernspintomografie
Quenchen (Notfallabschaltung des Magnetfeldes)

Weblinks