Das physikalische Ph\u00e4nomen 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. Daf\u00fcr erhielten sie 1952 den Nobelpreis f\u00fcr Physik.<\/p>\n
20 Jahre sp\u00e4ter 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 r\u00e4umlicher Strukturen genutzt werden konnte. Mit Hilfe der Kernspintomografie lassen sich \u2013 ohne die Verwendung von R\u00f6ntgenstrahlen \u2013 schonend Ver\u00e4nderungen 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.<\/p>\n
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Der Spin des Kerns<\/strong><\/p>\n Vereinfacht gesagt nutzt die Methode die unterschiedliche Verteilung von Wasserstoffatomen im menschlichen K\u00f6rper. In einem starken Magnetfeld, das den in einer R\u00f6hre 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.<\/p>\n Was sich zun\u00e4chst einmal sehr einfach anh\u00f6rt, ist eine \u00e4u\u00dferst 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.: \u201espin\u201c).<\/p>\n 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 K\u00f6rpermasse das bei Weitem am h\u00e4ufigsten vorkommende Atom.<\/p>\n <\/p>\n Das Magnetfeld <\/strong><\/p>\n Da bewegte Ladungen ein Magnetfeld induzieren, erzeugt auch der Spin der positiv geladenen Wasserstoffprotonen ein Magnetfeld (magnetisches Dipolmoment). Im nat\u00fcrlichen 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 au\u00dfen hin messbare Magnetisierung vorhanden. Das gilt auch f\u00fcr die Wasserstoffatome des menschlichen K\u00f6rpers.<\/p>\n Durch Anlegen eines starken \u00e4u\u00dferen Magnetfeldes k\u00f6nnen die Dipolmomente der Wasserstoffatome ausgerichtet werden, d. h., wenn man den menschlichen K\u00f6rper in ein starkes magnetisches Feld einbringt, werden sich die magnetischen Dipolmomente entsprechend der Feldlinien parallel oder antiparallel ausrichten.<\/p>\n Die parallele Ausrichtung ist energetisch geringf\u00fcgig g\u00fcnstiger als die antiparallele. Deswegen stellt sie sich h\u00e4ufiger ein und die Dipolmomente weisen in der Summe eine Netto-Magnetisierung (M-Vektor) in paralleler Ausrichtung zum statischen Magnetfeld auf.<\/p>\n <\/p>\n Magnetischer Vektor <\/strong><\/p>\n Der magnetische Vektor summiert sich aus den parallel ausgerichteten magnetischen Momenten der einzelnen Wasserstoffkerne und hat einen Drehimpuls, der sich aus den \u201eSpins\u201c der einzelnen Atome ergibt. Dieser Drehimpuls entspricht einer Kreiselbewegung und wird als Kernpr\u00e4zession definiert. Die einzelnen Atome unterscheiden sich in der Frequenz der Kernpr\u00e4zession. F\u00fcr Wasserstoff betr\u00e4gt \u03c9 bei 1,5 Tesla ungef\u00e4hr 65 Mhz und liegt damit im Bereich der Radiowellen. Diese Pr\u00e4zessionsfrequenz wird auch Larmorfrequenz oder Resonanzfrequenz genannt und ist proportional zur St\u00e4rke des angelegten Magnetfeldes (B0). Wird der pr\u00e4zedierende magnetische (Summen-)Vektor durch \u00e4u\u00dfere Einfl\u00fcsse abgelenkt, ver\u00e4ndert sich die Ausrichtung des Vektors, welcher nun von au\u00dfen messbar ist.<\/p>\n Die Larmorgleichung beschreibt die Abh\u00e4ngigkeiten dieser Parameter voneinander wie folgt: \u03c9o = \u03b3 B0<\/sub> (\u03b3 ist hierbei das gyromagnetische Verh\u00e4ltnis, ein f\u00fcr jedes Atom spezifischer konstanter Proportionalit\u00e4tsfaktor).<\/p>\n <\/p>\n Ph\u00e4nomen der Kernspinresonanz<\/strong><\/p>\n Durch die \u00dcbertragung von Energie auf die Wasserstoffkerne werden sie aus ihrer stabilen Rotationslage gelenkt. Die Ablenkung kann nur durch Zufuhr von Energie von au\u00dfen erreicht werden. In der MRT gelingt dies mittels kurzzeitiger Einstrahlung eines hochfrequenten Radioimpulses \u2013 gepulste Kernspinresonanz \u2013, der die Pr\u00e4zessionsfrequenz der Wasserstoffatome aufweist.<\/p>\n <\/p>\n Relaxationszeit<\/strong><\/p>\n Der magnetische Vektor vollzieht in seiner Ausrichtung die Pr\u00e4zessionsbewegung der Kerne nach und wird abh\u00e4ngig von der Dauer des Impulses unterschiedlich stark ausgelenkt. Nach Abschalten des Impulses hat der rotierende Magnetvektor die Tendenz, den urspr\u00fcnglichen, energiearmen Zustand in paralleler Ausrichtung zum \u00e4u\u00dferen Magnetfeld wieder einzunehmen. Das Kernspinsystem kann jedoch die \u00fcber den eingestrahlten Radioimpuls aufgenommene Energie nur durch \u00dcbertragung an seine Umgebung, d. h. das Spin-Gitter oder direkt benachbarte Kerne, abgeben. Die sogenannte T1-Relaxationszeit ist ein Ma\u00df dieser Kopplung der Kernmomente an ihre Gitterumgebung (Syn.: Spin-Gitter-Relaxationszeit oder longitudinale Relaxationszeit). Die T2-Relaxationszeit (Syn.: Spin-Spin-Relaxationszeit, transversale Relaxationszeit) dr\u00fcckt die St\u00e4rke der Kopplung der magnetischen Kernmomente untereinander aus.<\/p>\n Unterschiedliche Gewebe haben verschiedene T1- und T2-Relaxationszeiten und eine unterschiedliche Protonendichte. Um kontrastreiche Bilder zu erzeugen und die unterschiedlichen Gewebe abbilden zu k\u00f6nnen, 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 K\u00f6rperfl\u00fcssigkeiten sowie Knochen dunkel. Auf T2-gewichteten Bildern sind Fl\u00fcssigkeiten hell und Fett sowie Knochen dunkel. Auf protonendichten Bildern erscheint Fett hell und Fl\u00fcssigkeiten dunkel.<\/p>\n <\/p>\n MRT-Sequenzen<\/strong><\/p>\n Die Intensit\u00e4t des Kernspinresonanzsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch die angelegte Feldst\u00e4rke 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 k\u00f6nnen nivelliert oder hervorgehoben werden. Durch spezielle Kodierungsvorg\u00e4nge l\u00e4sst sich das Signal auf den Ort seiner Entstehung beziehen und r\u00e4umlich zuordnen. Die Intensit\u00e4t des gemessenen Signals wird als Helligkeitswert eines Bildpunktes (Voxel) wiedergegeben.<\/p>\n <\/p>\n