Das physikalische Phänomen der Kernspinresonanz (Nuklearmagnetische Resonanz) wurde erstmalig 1946 von Felix Bloch und Edward Purcell beschrieben. Es besagt, dass Atomkerne, die durch elektromagnetische Felder angeregt werden, selbst messbare Energiequellen darstellen. Dafür erhielten sie 1952 den Nobelpreis für Physik.
20 Jahre später konnte die Technologie u. a. mit den Erfindungen von Paul C. Lauterbur und Sir Peter Mansfield so weiterentwickelt werden, dass die Kernspinresonanz zur bildlichen Darstellung räumlicher Strukturen genutzt werden konnte. Mit Hilfe der Kernspintomografie lassen sich – ohne die Verwendung von Röntgenstrahlen – schonend Veränderungen und Erkrankungen von Organen darstellen. Die eigentliche Anwendung bildgebender Verfahren in der medizinischen Diagnostik begann aber erst Anfang der 1980er Jahre. Als Magnetresonanztomografie (MRT) hat das Verfahren die radiologische Diagnostik revolutioniert. Heute gibt es jedes Jahr weltweit mehr als 60 Millionen Kernspinuntersuchungen.
Der Spin des Kerns
Vereinfacht gesagt nutzt die Methode die unterschiedliche Verteilung von Wasserstoffatomen im menschlichen Körper. In einem starken Magnetfeld, das den in einer Röhre liegenden Patienten umgibt, richten sich die normalerweise ungeordnet schwingenden Atome neu aus. Dabei nehmen sie Energie auf. Diese geben sie zum Teil nach dem Abschalten des Magnetfeldes wieder ab. Diese Signale werden gemessen und in Bilder umgerechnet.
Was sich zunächst einmal sehr einfach anhört, ist eine äußerst komplexe Technologie, welche sich bestimmte biophysikalische Eigenschaften von Atomkernen zunutze macht. Atomkerne mit ungerader Nukleonenzahl besitzen die Eigenschaft des Kernspins, d. h., sie haben einen Eigendrehimpuls (engl.: „spin“).
Der einfachste Atomkern mit ungerader Nukleonenzahl, der ein Magnetfeld erzeugt, ist der Wasserstoffkern mit nur einem Proton. Im menschlichen Organismus ist das Wasserstoffatom mit einem Anteil von bis zu 70% an der Körpermasse das bei Weitem am häufigsten vorkommende Atom.
Das Magnetfeld
Da bewegte Ladungen ein Magnetfeld induzieren, erzeugt auch der Spin der positiv geladenen Wasserstoffprotonen ein Magnetfeld (magnetisches Dipolmoment). Im natürlichen Umfeld (Magnetfeld der Erde) richten die Atomkerne ihr magnetisches Dipolmoment in alle beliebigen Richtungen des Raumes aus. Da sich die magnetischen Vektoren der einzelnen Atomkerne hierbei aufheben, ist keine nach außen hin messbare Magnetisierung vorhanden. Das gilt auch für die Wasserstoffatome des menschlichen Körpers.
Durch Anlegen eines starken äußeren Magnetfeldes können die Dipolmomente der Wasserstoffatome ausgerichtet werden, d. h., wenn man den menschlichen Körper in ein starkes magnetisches Feld einbringt, werden sich die magnetischen Dipolmomente entsprechend der Feldlinien parallel oder antiparallel ausrichten.
Die parallele Ausrichtung ist energetisch geringfügig günstiger als die antiparallele. Deswegen stellt sie sich häufiger ein und die Dipolmomente weisen in der Summe eine Netto-Magnetisierung (M-Vektor) in paralleler Ausrichtung zum statischen Magnetfeld auf.
Magnetischer Vektor
Der magnetische Vektor summiert sich aus den parallel ausgerichteten magnetischen Momenten der einzelnen Wasserstoffkerne und hat einen Drehimpuls, der sich aus den „Spins“ der einzelnen Atome ergibt. Dieser Drehimpuls entspricht einer Kreiselbewegung und wird als Kernpräzession definiert. Die einzelnen Atome unterscheiden sich in der Frequenz der Kernpräzession. Für Wasserstoff beträgt ω bei 1,5 Tesla ungefähr 65 Mhz und liegt damit im Bereich der Radiowellen. Diese Präzessionsfrequenz wird auch Larmorfrequenz oder Resonanzfrequenz genannt und ist proportional zur Stärke des angelegten Magnetfeldes (B0). Wird der präzedierende magnetische (Summen-)Vektor durch äußere Einflüsse abgelenkt, verändert sich die Ausrichtung des Vektors, welcher nun von außen messbar ist.
Die Larmorgleichung beschreibt die Abhängigkeiten dieser Parameter voneinander wie folgt: ωo = γ B0 (γ ist hierbei das gyromagnetische Verhältnis, ein für jedes Atom spezifischer konstanter Proportionalitätsfaktor).
Phänomen der Kernspinresonanz
Durch die Übertragung von Energie auf die Wasserstoffkerne werden sie aus ihrer stabilen Rotationslage gelenkt. Die Ablenkung kann nur durch Zufuhr von Energie von außen erreicht werden. In der MRT gelingt dies mittels kurzzeitiger Einstrahlung eines hochfrequenten Radioimpulses – gepulste Kernspinresonanz –, der die Präzessionsfrequenz der Wasserstoffatome aufweist.
Relaxationszeit
Der magnetische Vektor vollzieht in seiner Ausrichtung die Präzessionsbewegung der Kerne nach und wird abhängig von der Dauer des Impulses unterschiedlich stark ausgelenkt. Nach Abschalten des Impulses hat der rotierende Magnetvektor die Tendenz, den ursprünglichen, energiearmen Zustand in paralleler Ausrichtung zum äußeren Magnetfeld wieder einzunehmen. Das Kernspinsystem kann jedoch die über den eingestrahlten Radioimpuls aufgenommene Energie nur durch Übertragung an seine Umgebung, d. h. das Spin-Gitter oder direkt benachbarte Kerne, abgeben. Die sogenannte T1-Relaxationszeit ist ein Maß dieser Kopplung der Kernmomente an ihre Gitterumgebung (Syn.: Spin-Gitter-Relaxationszeit oder longitudinale Relaxationszeit). Die T2-Relaxationszeit (Syn.: Spin-Spin-Relaxationszeit, transversale Relaxationszeit) drückt die Stärke der Kopplung der magnetischen Kernmomente untereinander aus.
Unterschiedliche Gewebe haben verschiedene T1- und T2-Relaxationszeiten und eine unterschiedliche Protonendichte. Um kontrastreiche Bilder zu erzeugen und die unterschiedlichen Gewebe abbilden zu können, muss der Kernspintomograf Bilder mit verschiedenen Einstellungen machen. Je nach Darstellung bezeichnet man die Bilder als T1-, T2- oder Protonendichtengewichtete Bilder. So lassen sich verschiedene Gewebe nur aufgrund ihres unterschiedlichen Fett- oder Wassergehalts scharf voneinander abgrenzen. Auf T1-gewichteten Bildern sind Fett und Knochenmark hell, innere Organe und Körperflüssigkeiten sowie Knochen dunkel. Auf T2-gewichteten Bildern sind Flüssigkeiten hell und Fett sowie Knochen dunkel. Auf protonendichten Bildern erscheint Fett hell und Flüssigkeiten dunkel.
MRT-Sequenzen
Die Intensität des Kernspinresonanzsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch die angelegte Feldstärke und weitere Parameter beeinflusst. Der Einfluss der einzelnen Parameter auf das Signal kann durch den Aufbau der Messsequenz unterschiedlich stark gewichtet werden. Gewebespezifische Unterschiede im Relaxationsverhalten können nivelliert oder hervorgehoben werden. Durch spezielle Kodierungsvorgänge lässt sich das Signal auf den Ort seiner Entstehung beziehen und räumlich zuordnen. Die Intensität des gemessenen Signals wird als Helligkeitswert eines Bildpunktes (Voxel) wiedergegeben.
Die Leistung der Magnete beim MRT
Der Kernspintomograf ist ein sehr großes Gerät und enthält einen sehr starken, zylinderförmigen Magneten. Derzeit klinisch verwendete Kernspintomografen besitzen meist Magnete mit einer Feldstärke von 1,5 oder 3 Tesla und in seltenen Fällen bereits 7 Tesla und mehr (Ultrahochfeld-MRT). Höhere Tesla-Werte machen die Geräte präziser und verbessern die Auflösung, da mehr Wasserstoffprotonen erfasst werden.
Wichtig in diesem Zusammenhang ist der Fakt, dass beim MRT alle Wasserstoffprotonen in allen Gewebearten angesprochen werden müssen, damit ein scharfes, kontrastreiches Bild entsteht. Die MBST-Therapie spricht im Gegensatz dazu nur eine spezifische Gewebeart an und benötigt daher keine so große Magnetleistung, sondern die exakt passende Feldstärke, um die Wasserstoffprotonen im Zielgewebe anzuregen.
