Wie funktioniert MRT
Was ist ein MRT?
Die Kernspintomographie bzw. Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine Untersuchungsmethode, die ohne Anwendung von Röntgenstrahlen oder radioaktiver Substanzen Schnittbilder des menschlichen Körpers erstellt. Zur Bilderzeugung werden Radiowellen und schaltbare Magnetfelder verwendet, während der Körper im Zentrum eines statischen Magnetfeldes liegt. Die entstehenden MR-Signale werden von hochempfindlichen Antennen empfangen, die möglichst nahe um den Körper platziert werden. Ein Computer übersetzt diese Signale zu Bildern. Aufgrund langjähriger Erfahrung mit der Methode kann man davon ausgehen, dass MRT unbedenklich für den Menschen ist. MR-Bilder zeigen hervorragenden Weichteilkontrast der untersuchten Anatomie. Sie können aber auch Funktionalkontraste enthalten, die zum Beispiel dann entstehen, wenn Patient*innen auf externe Reize (visuell, akustisch, haptisch, ...) reagiert oder selbst motorisch aktiv ist.
Bei der Untersuchung werden die Patient*innnen auf einer Liege in den Magnetresonanztomographen gefahren. Dieser sieht wie eine große Box aus, die eine dicke, an beiden Enden offene Röhre, enthält. Das Magnetfeld eines klinischen MRT ist typischerweise 30.000- bis 60.000-mal so groß, wie das natürlich Magnetfeld der Erde. Das statische Magnetfeld des 7T-MRT am ELH ist sogar etwa 140.000 mal stärker.
Wie funktioniert ein MRT?
Um zu verstehen, wie die Magnetresonanztomographie funktioniert, muss zunächst der grundlegende Aufbau von Atomen verstanden werden. Alle Stoffe in der Umwelt, so auch der menschliche Körper, bestehen aus Atomen. Atome sind winzige Teilchen, die aus einer äußeren Elektronenhülle und einem Kern aus Protonen und Neutronen bestehen. Rund zwei Drittel des menschlichen Körpers besteht aus Wassermolekülen, die wiederum aus Sauerstoff- und Wasserstoffatomen aufgebaut sind. Die Kerne der Wasserstoffatome spielen eine entscheidende Rolle in der MRT.
In bestimmten Fällen, wie bei Wasserstoff der Fall, besitzen die Kerne eines Atoms einen von null verschiedenen Eigendrehimpuls (auch Kernspin genannt). Diese "Eigendrehung" ist eine quantenmechanische Grundeigenschaft. Da Protonen eine positive Ladung besitzen, können diese im klassischen Sinn als bewegte Ladung aufgefasst werden, die ein magnetisches Moment besitzen und somit ein messbares magnetisches Feld erzeugen. Die Wasserstoffatome verhalten sich also wie "Mini-Magneten".
Werden Patient*innen nun in das statische Magnetfeld eines MRT-Scanners gebracht, richten sich die "Mini-Magneten" entlang des magnetischen Felds aus. Die Ausrichtung mit und entgegen die Feldrichtung erzeugt eine Netto-Magnetisierung, die mit der sogenannten feldstärkenabhängigen Larmorfrequenz rotiert. Wird nun eine Radiowelle mit gleicher Frequenz in das Gewebe gesendet, ändern die Spins durch das Resonanzphänomen ihren Energiezustand und damit die Richtung der Netto-Magnetisierung. In diesem "angeregten" Zustand kann ein MR-Signal durch die Empfangsspulen aufgenommen werden, die um das Subjekt platziert werden. Da die angeregten Spins in ihren ursprünglichen Gleichgewichtszustand zurückstreben nachdem der Radiowellen-Impuls abgeschaltet wurde, zerfällt das Signal mit seiner gewebespezifischen Relaxationszeit. Die Herkunft des individuellen MR-Signalanteils wird durch zusätzliche gepulste magnetische Feldgradienten entschlüsselt.
Ein Rekonstruktionscomputer verarbeitet die empfangenen Signale und konvertiert diese in Graustufenbilder. Der Bildkontrast hängt von der Anzahl Spins im untersuchten Volumen, den vorliegenden Gewebtypen (und damit der Relaxation des Signals) und der verwendeten Impulssequenz (zeitliche Abfolge von Radiowellen- und magnetischen Gradientenimpulse), sowie deren Parametrisierung ab. Typischerweise kommen mehrere Impulssequenzen während eines MRT-Scantermins zum Einsatz, um eine Vielzahl von Bildkontrasten in Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Fragestellung aufzunehmen.
MRT ist nicht auf die Darstellung von Anatomie limitiert. So können auch Informationen zur chemischen Struktur, Metabolismus oder Funktionalkontraste, wie Molekül-Mobilitäten oder Aktivitätsverfolgung abgeleitet werden.
Warum 7T?
Im Vergleich zu den heute in der klinischen Bildgebung weltweit eingesetzten MRT-Systemen mit 1,5 und 3,0 Tesla Feldstärke kann das 7-Tesla-Ultrahochfeld-MRT-System von dem vielfach höheren Signal-zu-Rausch-Verhältnis Gebrauch machen, das in eine Erhöhung der Sensitivität für strukturelle und funktionelle Messungen im menschlichen Körper oder für kürzere Messzeiten investiert werden kann. Damit können Schnittbilder mit exzellentem Weichteilkontrast und einer sehr hohen Detailauflösung aufgenommen werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass durch den veränderten Kontrastmechanismus invasive Untersuchungen unter Anwendung von Kontrastmittel überflüssig werden, wenn Gefäße mittels MRT dargestellt werden sollen.
Zahlreiche physikalische und technische Herausforderungen gilt es zu überwinden, bevor die UHF-MRT ihr volles Potenzial ausschöpfen und in die klinische Diagnostik Einzug halten kann. Nur wenige Forschungsinstitutionen weltweit widmen sich diesen Herausforderungen. Ein Hauptziel des Erwin L. Hahn Institutes ist es, mit seinen technischen und methodischen Entwicklungen die Vorteile der UHF-MRT auf den gesamten menschlichen Körper anzuwenden und die Verbreitung und Anwendung dieser Technologie voranzutreiben. Hierfür stellt das Institut eine hervorragende Forschungsinfrastruktur für verschiedene Forschungsgruppen der beiden Gründeruniversitäten bereit und kooperiert sehr eng mit verschiedenen akademischen wie auch industriellen Partnern.
Am ELH gibt es eine Vielzahl von laufenden Forschungsprojekten, die oft auch Proband*innen suchen. Wenn Sie Interesse haben, selbst einmal als Proband*in mitzumachen, erfahren Sie hier mehr.
Was ist funktionelle MRT (fMRT)?
fMRT ist eine Unterkategorie der MRT (das f steht dabei für funktionell ). Bei fMRT werden neuronale Aktivitäten gemessen und damit aktive Bereiche im Gehirn abgeleitet. fMRT ermöglicht so, die Arbeit des Gehirns bei unterschiedlichen Aufgaben zu dokumentieren. Den während dieser Aufgaben aktiven Bereichen im Gehirn können Funktionen wie z.B. Sprechen, Gedächtnis oder Bewegung zugeordnet werden.
Das Gehirn wird hierzu fortlaufend gescannt, während die Probanden verschiedenen Stimuli ausgesetzt werden oder Aufgaben lösen müssen. In aktiven Gehirnarealen erhöht sich der Blutfluss in den Gefäßen, so dass sauerstoffreiches Blut ins Gehirn gebracht und dort verbraucht wird, d.h. der Sauerstoffgehalt im Blut wieder sinkt. fMRT ermöglicht es, diese Durchblutungsänderung von Hirnarealen sichtbar zu machen. Sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut haben unterschiedliche magnetische Eigenschaften und bewirken daher eine Kontraständerung in den Bildern von aktiven Hirnregionen. Dies nennt sich BOLD Effekt.
Was ist der BOLD-Effekt?
BOLD steht für Blood Oxygen Level Dependent; auf Deutsch: abhängig vom Blutsauerstoffgehalt. Roter Blutfarbstoff (Hämoglobin) transportiert Sauerstoff zum Gehirn, wo es primär von den aktiven Hirnzellen verstoffwechselt wird. Es wird dabei mehr sauerstoffreiches Blut geliefert, als tatsächlich gebraucht wird. Damit kommt es kurzzeitig zu einer Anreicherung sauerstoffreichen Blutes, wo normalerweise sauerstoffarmes Blut überwiegt.
Sauerstoffarmes Blut ist paramagnetisch, sauerstoffreiches Blut ist diamagnetisch. Daher ändern sich die magnetischen Eigenschaften (d.h. die T2* Relaxationszeiten) in der entsprechenden Hirn-Umgebung, was im aufgenommenen fMRT-Signal beobachtet werden kann.