• Fachartikel
  • |
  • Dr. Julian Jürgens
  • |
  • 18.12.2015

Bildgebende Verfahren: Faszination MRT

Weißt du, warum Kriegsverletzungen eine absolute Kontraindikation für eine Magnetresonanztomografie (MRT) sein können? Und was antwortest du, wenn ein Patient sagt, er habe Angst vor der Strahlung, die sei doch viel stärker als beim normalen Röntgen? Hier erfährst du, was jeder Mediziner über MRT wissen sollte.

Die Augen auf den Monitor gerichtet, schiebt der Arzt die Nadel immer tiefer ins Gewebe seines Patienten. Sein Ziel: ein 5 mm großer Herd aus bösartigen Zellen am Oberrand der Leber. Von dem rhythmischen Klopfgeräusch, das im Hintergrund tönt, lässt er sich nicht irritieren. Plötzlich ist ein Gefäß im Weg. Rasch die Richtung korrigiert – schon geht’s weiter. Dann ist er am Ziel: Die Nadel liegt in der Metastase. Der Arzt appliziert über Elektroden an der Nadelspitze eine hochfrequente Wechselspannung. Mit dieser „Radiofrequenzablation“ (RFA) erhitzt er das Tumorgewebe, parallel beobachtet er am Monitor, wie die bösartigen Zellen vernichtet werden. Der Patient bekommt hiervon kaum etwas mit. Er döst ein bisschen und fühlt nur ein leichtes Ziehen im rechten Oberbauch …


Noch vor wenigen Jahren wäre ein solches Szenario undenkbar gewesen. Auch heute gibt es erst wenige Zentren weltweit, die therapeutische Interventionen im offenen Magnetresonanztomografen durchführen. Diese Anwendung ist quasi das Tüpfelchen auf dem „i“ einer Technik, die in den vergangenen Jahren immer leistungsfähiger wurde. Was die Magnetresonanztomografie (MRT) bietet, leistet kein anderes diagnostisches Verfahren: Mit ihm lassen sich beliebige Schnittbilder des menschlichen Körpers anfertigen und gleichzeitig verschiedene Gewebeeigenschaften darstellen. Zudem bietet sie einen hervorragenden Weichteilkontrast. 

Aber wie entstehen diese beeindruckenden Bilder? Funktionsprinzip: „angestupste Protonen-Kreisel“ Für die MRT braucht man zunächst einen Magneten – und zwar einen sehr starken Magneten, der z. B. die Stärke 1 Tesla hat. Das entspricht etwa der 20.000-fachen Stärke des Erdmagnetfeldes. Damit kann man nicht nur Eisenspäne wie bei den Experimenten in der Schule ausrichten, sondern auch die Kerne der Wasserstoffatome, die ja nur aus einem Proton bestehen und in allen Geweben unseres Körpers vorkommen. Man kann sich diese Protonen auch vorstellen, wie wild im Raum verteilte sehr schnell drehende Kreisel. Das MRTGerät stellt diese Kreisel alle in eine Richtung. Ganz korrekt gesprochen richtet das Magnetfeld die „Präzessionsachse des Spins der Protonen“ in Längsrichtung aus. Diesen Vorgang bezeichnet man als Längsmagnetisierung. Jetzt kommt die Resonanz ins Spiel: Wenn bei einem Erdbeben die Frequenz der Erdstöße die Eigenfrequenz eines Gebäudes erwischt, dann gibt die Stoßwelle ihre maximale Energie ab und lässt das Haus irgendwann einstürzen.

Auch beim MRT wird mithilfe von Wellen Energie übertragen: Die Eigenfrequenz der Protonen heißt Larmorfrequenz und ist praktischerweise proportional zur Stärke eines äußeren Magnetfeldes. Bei 1 Tesla beträgt sie 42,6 MHz, bei 3 Tesla 127,8 MHz. Stupst man die längs ausgerichteten Protonen mit einer „hochfrequenten elektromagnetischen Welle“ an, die die Larmorfrequenz hat, kann diese Radiowelle ihre Energie an die Protonen abgeben. Dadurch verlassen die Protonen ihre Längsmagnetisierung und richten sich quer zum Magnetfeld aus. Gleichzeitig wird die Präzessionsbewegung synchronisiert. Diesen Vorgang nennt man Quermagnetisierung. Endet die Wirkung der Radiowelle, passieren mehrere Prozesse gleichzeitig: Zum einen zerfällt die Quermagnetisierung, und zum anderen richten sich die Protonen wieder am Magnetfeld aus.

 

MRT-Aufnahmen der Hand im Vergleich. Bei T1-Wichtung (links) erscheinen Flüssigkeiten dunkel. Bei T2-Wichtung (Mitte) sind Flüssigkeiten hyperintens (hell). Man erkennt z. B. einen schmalen, zarten Saum aus Gelenkflüssigkeit zwischen den Knorpeln der Handwurzelknochen (Pfeil). In der PD Aufnahme mit Fettunterdrückung (rechts) kommen v. a. die Knorpelschichten zwischen den Handwurzelknochen zur Abbildung, da in den enthaltenen Kollagenfasern viel Wasser gebunden ist.



Eine noch junge Errungenschaft ist das Operieren im offenen MRT (großes Bild). Solche Geräte bieten Patienten und den Ärzten, die die Eingriffe durchführen, viel Platz. Besonders wichtig für diese Technik ist die Möglichkeit der „Multiplanarität“, d. h., dass sich die Bildebenen im Raum frei ausrichten lassen (kleine Bilder): Ein Radiologe schiebt eine Nadel (Pfeil) in einen Tumorherd in der Leber. Danach kann dieser z. B. per Radiofrequenzablation vernichtet werden.

 

Die Geschwindigkeit dieser Prozesse hängt davon ab, zu welchem Gewebe die Protonen gehören. Man spricht von gewebetypischen „Zeitkonstanten“: Der Zerfall der Quermagnetisierung wird durch die „T2-Relaxationszeit“ charakterisiert. Der Wiederaufbau der Längsmagnetisierung verläuft mit der „T1-Relaxationszeit“. Die durch die Radiowelle eingestrahlte Energie wird bei diesen Vorgängen abgegeben und kann als Antwortsignal mit einer empfindlichen Empfangsspule außen am Körper registriert werden. Neben der T1-Relaxationszeit und der T2-Relaxationszeit lässt sich aus diesem Signal auch noch eine dritte Gewebeeigenschaft bestimmen: die Konzentration der Wasserstoffatome, die auch als „Protonendichte“ (PD) bezeichnet wird. 

 

Und woher kommt das Bild?

 

Damit sich mithilfe dieser Technik ein Bild vom Inneren des Körpers entwickeln lässt, fehlt noch ein wichtiges Detail: Das MRT-Gerät setzt den Patienten nicht einem gleich starken Magnetfeld aus, sondern macht auf einer Seite des Körpers das Feld ein wenig stärker und auf der anderen Seite ein wenig schwächer. Dadurch entsteht ein „Magnetfeldgradient“. Entlang dieses Gradienten gibt es nun eine dünne Schicht von Protonen, die z. B. genau 1 Tesla ausgesetzt sind. Schickt man nun eine Radiowelle der entsprechenden Larmorfrequenz von 42,6 MHz in den Patienten, werden nur diese Protonen mit der zugehörigen Radiowelle angeregt. Entsprechend stammen auch die von der Empfangsspule registrierten Signale ausschließlich aus dieser Schicht. Der Clou: Da dieser Gradient beliebig im Raum positionierbar ist, lässt sich die Aufnahmeebene beliebig im Raum ausrichten. Mithilfe technischer Tricks – z. B. weiteren quer und rechtwinklig zur Aufnahmeebene angelegten Gradienten – kann man die angeregte Schicht in Spalten und Zeilen untergliedern, die wie eine Tabelle ausgelesen werden können.

Jedes Mal, wenn diese Gradientenfelder an- und abgeschaltet werden, zerren die sogenannten „Lorentz-Kräfte“ an den Aufhängungen der Spulen,was die für die MRT typischen Klopfgeräusche verursacht. Bis so eine Tabelle mit vielleicht 256 Zeilen und 256 Spalten ausgelesen ist, dauert es ein Weilchen. Zudem braucht man in der Medizin ja meistens nicht nur einen Schnitt, sondern ganz viele. So wird klar, dass die Aufnahme eines MRT-Bilddatensatzes („Sequenz“) ein paar Minuten dauert. Es gibt zwar auch moderne Geräte, die Bilder in wenigen Sekunden machen können. Hierbei muss man aber Abstriche bei der Bildqualität in Kauf nehmen. Ein Problem ist, dass man bei einer Aufnahme nicht alle drei Eigenschaften (T1, T2 und PD) erfassen kann. Deshalb muss sich der Untersucher vorab entscheiden, welche er beobachten möchte. Man kann das Gerät z. B. so einstellen, dass es vor allem die T1-Eigenschaften der Gewebe an der jeweiligen Stelle abbildet. Ein solches Bild wird dann als „T1-gewichtet“ bezeichnet. Daneben kann man auch „T2- gewichtete“ oder „PD-gewichtete“ Bilder machen und so verschiedene Gewebeeigenschaften hervorheben. 

 

Grenzen der Magnetresonanztomografie

 

Mit stärkeren Magneten kann man die Geräte schneller machen und die Auflösung verbessern. Derzeit klinisch verwendete MRTs besitzen meist Magneten mit 1,5 oder 3 Tesla Feldstärke. Es gibt auch schon MRTs mit 7 Tesla Feldstärke. Diese werden derzeit gründlich erforscht. Höhere Feldstärken können auch Probleme verursachen: Wird ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, kann Strom erzeugt werden. 

 

Abb. 1: MRT einer Schulter. Im Acromio-Clavicular- Gelenk sieht man eine Flüssigkeitsansammlung als Zeichen einer beginnenden Arthrose (Pfeil). Abb. 2: Sagittalschnitt durch einen Kopf bei 3 Tesla. In der T2-gewichteten Aufnahme stellen sich die Liquorräume hell dar, die lipophilen Hirnwindungen dagegen dunkel. Abb. 3: „Inflow-Angiographie“ der Schädelbasis, bei der nur die einströmenden Protonen im Blut ein starkes Signal erzeugen (3D-Rekonstruktion)

 

Bei 7 Tesla reicht bei manchen Menschen schon die Bewegung des Sehnervs und der leichgewichtsorgane beim Hineinfahren ins MRT aus, um Schwindel und Lichtblitze hervorzurufen. Zudem nehmen die Bildfehler bei höheren Feldstärken zu. Deshalb müssen die Korrekturmechanismen verbessert werden. Beliebig kann man die Feldstärken ohnehin nicht nach oben schrauben. Es gibt eine natürliche Grenze, die darauf beruht, dass die Frequenz der Radiowellen, mit denen die Protonen „angestupst“ werden, umso höher sein muss, desto stärker das äußere Magnetfeld ist. Für 10 Tesla wären etwa 400 MHz erforderlich. Bei dieser Frequenz verlässt man den Bereich der Radiowellen, und man kommt in den Bereich der Mikrowellen. Und da eine Mikrowelle zur Standardausstattung jeder Studenten-WG gehört, dürfte jedem klar sein, warum solche Geräte wenig praxistauglich wären … 

 

Diagnostik von Kopf bis Fuß

 

Zudem sind für viele Indikationen höhere Feldstärken gar nicht erforderlich. Vom Gehirn bis zum Fuß kann man mit derzeit gängigen Geräten jeden Körperteil untersuchen. Einzige Voraussetzung ist, dass sich das Organ wenig bewegen sollte, denn sonst „verwackelt“ das Bild. Extremitäten lassen sich gut abbilden. Der Weichteilkontrast erlaubt es, Knorpel, Muskeln und Bänder zu beurteilen. So lassen sich Meniskus- bzw. Gelenkschäden ebenso darstellen wie Abszesse oder Bänderrisse.

Mit speziellen Techniken, bei denen bestimmte Gewebesignale im Bild unterdrückt werden, lassen sich über die Anatomie hinaus auch Rückschlüsse auf die Gewebefunktion ziehen und z. B. entzündliche Geschehen hervorheben. Dank Weichteilkontrast kann man auch hochaufgelöste Bilder vom Gehirn machen, die einem Anatomie-Atlas zur Ehre gereichen würden. Bei einer Hirnblutung kann man das Alter stundengenau bestimmen, vielen Tumoren kann man schon anhand des Bildes, also ohne Histologie, eine Diagnose zuordnen, und Schlaganfälle lassen sich bereits im Frühstadium abgrenzen. Hier kann man sogar differenzieren, welche Hirnanteile verloren sind und welche noch gerettet werden können. Mit einer speziellen Aufnahmetechnik kann man sogar eine Gefäßdarstellung der Hirngefäße machen, ohne dem Patienten Kontrastmittel geben zu müssen. Dazu benutzt man die Fließartefakte des Blutes. 

 

Im MRT wird nicht gebohnert!

 

Ein großer Vorzug der MRT-Technik ist, dass sie komplett ohne Röntgenstrahlung auskommt. Patienten, die zögerlich sind, ob sie sich in einen solchen Kasten schieben lassen sollen, kann man mit diesem Argument zumindest die größten Ängste nehmen. Die Radiowellen können (wie „Handystrahlung“) im Körper zwar zu einer leichten Erwärmung führen. Jedoch sind die Geräte so programmiert, dass die Grenzwerte nicht überschritten werden. Die Wirkungen des Magnetfeldes sind zwar nicht endgültig geklärt, man kann aber nach vielen Studien davon ausgehen, dass es für die Patienten kein Risiko beinhaltet, sofern die Kontraindikationen beachtet werden (Kasten). 

 

 

  • Neu ist: Seit kurzem werden MRT-taugliche Herzschrittmacher entwickelt. Sodass ein Herzschrittmacher bald keine Kontraindikation mehr ist.

     

 

Die MRT bietet einen exzellenten Weichteilkontrast. Deshalb lassen sich in der Leber sogar Tumorherde von wenigen Millimetern Größe identifizieren (Pfeil).

 

Wichtig ist, dass sich alle Beteiligten der enormen Kräfte bewusst sind, die von solchen Magneten ausgehen: Centstücke werden zu Geschossen, Herzschrittmacher und andere Geräte können ihren Dienst versagen, und Kreditkarten werden gelöscht. Ein 7-Tesla-MRT ist so stark, dass es eine 1-Dollar- Note anziehen kann, weil in der benutzten Farbe winzige Anteile Cobalt enthalten ist. Der unter Radiologen verbreitete Satz „Im MRT wird nicht gebohnert!“ ist nur so lange lustig, bis tatsächlich ein Bohnergerät im MRT hängt. Im Internet gibt es beeindruckende Bilder von solchen Unfällen: Rollstühle, O2-Flaschen, Infusionsständer, aber auch ganze Patientenbetten sind schon in MRT-Geräten verschwunden (Tipp: www.simplyphysics.com/flying_objects.html). Da heißt es dann: Die ganze Abteilung versammeln und ziehen, denn das ist immer noch billiger, als den Magneten neu zu starten. Anders als von Laien vermutet, kann man den nämlich nicht einfach so ausschalten. Der Grund: Es dauert 1–2 Wochen, um das
Magnetfeld zu erzeugen. Das flüssige Helium für die Kühlung der Spulen kostet 30.000–100.000 Euro. 

 

Immer schneller, immer detaillierter

 

In den letzten Jahren wurde die MRT-Technik kontinuierlichweiterentwickelt. Mit modernen schnellen Sequenztechniken lassen sich mittlerweile auch bewegte Organe abbilden. So kann man die bei der Atmung bewegte Leber scannen. Das schlagende Herz kann man mit EKG-getriggerten Scans sogar „filmen“. Dies hilft Kardiologen bei der Diagnostik von Durchblutungsstörungen oder Herzmuskelveränderungen, denn im Gegensatz zur Herzkatheteruntersuchung, die „nur“ die Engstellen in den Gefäßen abbilden kann, lässtsich per MRT zeigen, in welchen Teilen der Herzwand es im Endeffekt tatsächlich zu einer Minderversorgung kommt. 

Eine weitere innovative Technik, die in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erfahren hat, ist die „Diffusionsbildgebung“. Sie verwertet die Information, wie „fest“ Moleküle im Körper eingebaut sind: In Infarktgebieten, wo Zellmembranen untergegangen sind, findet mehr Diffusion statt, in einigen Tumoren, in denen die Zellen sehr eng gepackt sind, ist die Diffusion dagegen eher klein. Beides lässt sich darstellen und für diagnostische Fragen nutzen. Ein anderes, recht neues Verfahren ist die MR-Spektroskopie. Dabei kann aus dem Antwortsignal der Protonen für ein kleines Volumen errechnet werden, welche Stoffe in welcher Anzahl an diesem Ort vorhanden sind. Dieses Prinzip könnte in der Krebsdiagnostik eingesetzt werden, da manche Tumoren charakteristische Stoffzusammensetzungen haben. Faszinierende Möglichkeiten bietet die „funktionelle MRT“ (fMRT). Hiermit lassen sich aktivere von inaktiveren Hirnregionen unterscheiden.

Auf Laien wirkt das ein bisschen wie der erste Schritt in Richtung Gedankenlesen. Die fMRT macht sich zunutze, dass in „beschäftigten“ Hirnarealen mehr Sauerstoff verbraucht wird. Das Geheimnis liegt im roten Blutfarbstoff, dem Hämoglobin: Dessen magnetische Eigenschaften sind unterschiedlich, abhängig davon, ob er mit Sauerstoff beladen ist oder nicht (BOLD-Effekt*). Mit geeigneten Aufnahmetechniken (Pulssequenzen) kann man diese Unterschiede darstellen! So kann man beispielsweise Probanden Aufgaben erledigen lassen und verfolgen, welche Hirnregionen aktiviert werden. Diese Technik wird allerdings selten zur Diagnostik, sondern vor allem in der Hirnforschung eingesetzt – auch deshalb, weil bei klinischen 3T-Geräten die Effekte über viele Wiederholungen gemittelt werden müssen, um die kleinen Unterschiede herauszuarbeiten. Erst mit einem 7T-MRT gelingt es unter großem technischen Aufwand, dem Gehirn quasi in Echtzeit bei der Arbeit zuzusehen. „Gedankenlesen“ ist damit aber nicht möglich – und so wird es glücklicherweise wohl auch bleiben … 

 

Operieren im Magnetfeld

 

Eine besondere MRT-Bauform stellen die offenen MRT-Geräte dar. Er kann zum einen bildgestützt Proben aus unklaren Raumforderungen entnehmen. Zum anderen kann er aber auch zielgenau Brachytherapiekatheter oder RFA-Nadeln in bösartige Herde einführen, die die Zellen dann direkt vor Ort bekämpfen. Durch die freie Positionierung der Bildebene im MRT lässt sich die Nadel dabei in mehreren Ebenen gleichzeitig verfolgen. Um solche Eingriffe zu ermöglichen, mussten die MRTKonstrukteure nicht nur neue Geräte bauen. Auch das „Handwerkszeug“ musste neu entwickelt werden. Schließlich möchte ja kein Operateur, dass ihm plötzlich das Skalpell aus der Hand fliegt. Deswegen verwenden die Ärzte, die solche Eingriffe durchführen, Skalpelle aus Keramik, OPBesteck aus Kunststoff und Nadeln aus modernen, nichtmagnetischen Legierungen. So ist die MRT heute mehr als nur eine geniale Bildgebungsmethode: Richtig eingesetzt wird sie mehr und mehr auch zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der interventionellen Medizin.


Quelle: Dr. Julian Jürgens ist Assistenzarzt in der Klinik für Radiologie und Nuklearmedizin der Uni Magdeburg. Er promovierte dort zu einem Thema aus der MRT-Forschung.

 

 

Mein Studienort

Medizinstudenten berichten aus ihren Unistädten

Werde Lokalredakteur Die Unistädte auf Google Maps
Medizin im Ausland

Erfahrungsberichte und Tipps aus über 100 Ländern

Erfahrungsbericht schreiben Auslands-Infopakete