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Dr. Wolf, Beckelmann und Partner
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Magnetresonanztomografie im Wandel der Zeit

Die Entwicklung der Grundlagen für die Magnetresonanztomografie geht bis zum Jahre 1800 zurück. In diesem Jahr wurden die mathematischen Voraussetzungen für die Berechnung von MRT-Bildern durch → Jean Baptiste FourierFourier
Jean Baptist Joseph Baron de Fourier (geb. 1768 in Auxerre; gest. 1830 in Paris). Politisch engagierter, französischer Physiker und Mathematiker. Anhänger Napoleons
(→ Fourier-AnalyseFourier-Analyse Transformation
Wichtige mathematische Werkzeuge der Signalverarbeitung. Die Fourier-Transformation ermöglicht die Umwandlung einer Zeitfunktion oder Zeitfolge in ein Spektrum und umgekehrt. Die Darstellung einer Funktion als Spektrum ist oft anschaulicher als die Darstellung als Zeitfolge.
) geschaffen.
 
Ende des 19. Jahrhunderts beschrieb der "Vater der Magnetfelder", → Nikola TeslaTeslan
Nikola, amerikanischer Physiker und Techniker (geb. 10.7.1856 in Smiljan/Kroatien; gest. 7.1.1943 in New York). Heute gebräuchliche physikalische Einheit für die magnetische Flussdichte (1T = 1V · s/m2 oder 1T = 104 Gs). Gs für Gauß: früher gebräuchliche Einheit für die Magnetflussdichte.
, deren Entstehung und Wirkung. Seine Erkenntnisse bildeten die Grundlagen für die Forschungsarbeiten von → Felix BlochBloch
Felix Bloch, amerikanischer Physiker schweizer Herkunft (geb. 23.10.1905 in Zürich; gest. 10.9.1983 in Zürich). 1952 Nobelpreis für Physik zusammen mit Edward Purcell.
und → Edward PurcellPurcell
Edward Mills Purcell, amerikanischer Physiker (geb. 30.8.1912 in Taylorville/Illinois; gest. 7.3.1997 in Cambridge/Massachusetts). Nobelpreis für Physik 1952 gemeinsam mit Felix Bloch.
. Die beiden Wissenschaftler entdeckten 1946 unabhängig voneinander den magnetischen → KernspinKernspin
Der Kernspin gibt den Gesamtdrehimpuls eines Atomkerns an. Untersuchungen des Kernspins sind wichtig zum Verständnis des Aufbaus von Atomkernen. Vor allem aber werden sie zur chemischen Analyse und für medizinische Untersuchungen eingesetzt. Der Kernspin wird durch den Spin der Kernbausteine (Neutronen und Protonen mit jeweils Spin 1/2) und deren Bahndrehimpuls bestimmt. Da der Bahndrehimpuls immer ganzzahlig ist, gilt: Der Kernspin ist ganzzahlig, wenn die Zahl der Kernbausteine insgesamt gerade ist, sonst halbzahlig. Kerne mit gerader Neutronen- und gerader Protonenzahl haben einen Kernspin von 0, da sich die Neutronen bzw. Protonen anscheinend jeweils zu Paaren mit antiparallelem Spin ausrichten. Dieses gilt nicht für Kerne mit ungerader Neutronen- und Protonenzahl, da sich das jeweils verbleibende partnerlose Neutron und Proton in voneinander unabhängigen Schalen befinden.
. Sie beobachteten, dass bestimmte Atomkerne die Eigenschaft besitzen, in einem externen Magnetfeld hochfrequente Radiowellen zu absorbieren. Für diese Entdeckung wurden sie 1952 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
 
In der Folgezeit war die Anwendung dieses physikalischen Effektes für die medizinische Diagnostik Ziel eingehender Forschungsaktivitäten. Im Rahmen dieser Arbeiten gelang es → Raymond DamadianDamadian
Raymond Damadian, amerikanischer Wissenschaftler, geb. 16.3.1936 in Forest Hill, New York. Miterfinder der MRT. Entdeckte den Unterschied der Relaxationszeiten in krankem und gesundem Gewebe. Damadian wurde bei der Nobelpreisverleihung für MRT im Jahre 2003 nicht berücksichtigt, was ihn zu wütenden Protestschreiben veranlasste, die er in großen amerikanischen Tageszeitungen veröffentlichte. Heute ist er Präsident der FONAR Company, die MR-Geräte herstellt.
1971 nachzuweisen, dass sich die Relaxationszeiten der Protonen in normalem Gewebe von denen der Protonen in malignem Gewebe unterscheiden. Er arbeitete dabei mit der von ihm entwickelten "Fonar" Technik (Field Focussed Nuclear Magnetic Resonance). Diese Technik ermöglichte die eindimensionale Messung von Relaxationszeiten in unterschiedlichen Geweben, jedoch nicht die Erzeugung von Schichtbildern.
Medizin-Nobelpreis 2003
→ Peter Mansfield und Paul C. Lauterbaur erhalten am 6. Oktober 2003 den Medizin-Nobelpreis.
 
→ Peter Mansfield gelang es, den Vorgang der Bildakquisition der MRT zu beschleunigen und hochdifferenzierte
   Gewebekontraste zu erzeugen.
 
→ Der amerikanische Chemiker und Radiologe Paul C. Lauterbur ermöglichte die ortsgenaue dreidimensionale
   Zuordnung der Kernspin-Echos durch die Entwicklung von Gradientenmagnetfeldern, angeordnet in allen drei
   Raumrichtungen. Er arbeitet an der Universität von Illinois.

 
Die zwei- bzw. dreidimensionale Abbildung durch Schaltung von Magnetfeldgradienten in allen drei Raumrichtungen wurde durch Paul Lauterbur 1973 eingeführt. Er präsentierte im Folgejahr die erste Abbildung eines Tumors in einem lebenden Tier. Im Jahr 1977 lieferte er durch die erste Abbildung eines Thoraxquerschnitts den Beweis für die Anwendbarkeit dieser Technik am Menschen. Bei aller Begeisterung über die neue Methode zur Bildgebung gab es aber ein Hindernis für deren breiten klinischen Einsatz. Die Aufnahmezeiten betrugen mehrere Stunden. Aus diesem Grund kam die Methode für eine routinemäßige Anwendung in der Diagnostik nicht in Betracht.
 
Im Jahr 1978 gelang es Peter Mansfield, den Vorgang der Bildakquisition zu beschleunigen. Er benutzte eine ganze Bildzeile anstelle eines einzelnen Bildpunktes zur Bildakquisition. Im gleichen Jahr machten es zwei Mitarbeiter der Firma EMI möglich, die ersten Schichtbilder vom menschlichen Gehirn aufzunehmen.
 
Die 80er Jahre waren für die Weiterentwicklung und Verbreitung der Magnetresonanztomografie von entscheidender Bedeutung. In diesen Jahren wurden die ersten MR-Tomografen installiert. Es handelte sich dabei um Geräte, die mit einem zirkulären Permanentmagneten arbeiteten. Sie bestanden aus ferromagnetischem Material und hatten ein Gewicht von ca. 100 Tonnen. Alternativ wurden Widerstandsmagneten mit einer maximalen Feldstärke von ca. 0,3 T verwendet. In der klinischen Anwendung haben sich supraleitende Magneten, die auch Feldstärken von über 1 T erlauben, durchgesetzt. Die MRT hat sich aufgrund der fehlenden Strahlenbelastung und dem hohen Weichteilkontrast schnell im klinischen Einsatz bewährt.
 
Ein weiterer Meilenstein im Hinblick auf eine Verbesserung der diagnostischen Möglichkeiten der MRT war die Einführung des ersten MR-Kontrastmittels im Jahre 1988 durch die Firma Schering AG. Der Wirkstoff des Präparates ist Gadolinium-DTPA (Gd-DTPA = Gd-Diäthy-lentriaminpentaessigsäure), das sich aus dem paramagnetischen Ion → GadoliniumGadolinium
Metall aus der Reihe der seltenen Erden (siehe dort), Atomgewicht 157,25; Ordnungszahl 64. Benannt nach dem finnischen Chemiker Gadolin. Wird häufig in Kontrastmitteln für die MRT verwendet. Reines Gadolinium ist toxisch, daher muss es in MRT-Kontrastmitteln durch Komplexbildung "entgiftet" werden. Auf Grund seiner Elektronenkonfiguration (ungepaarte Elektronen) hat Gd starke paramagnetische Eigenschaften und ist daher als KM für die MRT gut geeignet
, eingebunden in den → ChelatkomplexChelate
Von lateinisch chelae (Krebsscheren). Bezeichnung für zyklische (ringförmige) Komplexverbindungen, bei denen Metalle an der Ringbildung beteiligt sind.
DTPA zusammensetzt. Die Chelatbindung dient dabei der Reduktion der Toxizität des seltenen Erdmetalls Gadolinium.
 
Mit der zunehmenden Verbreitung und wissenschaftlichen Weiterentwicklung der MRT zeigten sich aber auch negative Aspekte des Verfahrens. Die Verwendung von sehr starken Magnetfeldern (das Magnetfeld, das ein 1,5 T Scanner erzeugt ist etwa 30 000 mal stärker als das Magnetfeld der Erde) erwies sich als nicht ungefährlich. Die größte Gefahr stellt die starke Anziehungskraft auf alle Gegenstände dar, die magnetische Metalle enthalten. 1985 erblindete ein Patient während einer MRT-Untersuchung. Ein Eisensplitter hatte sich bewegt und den Sehnerv durchtrennt. Im gleichen Jahr wurde ein Medizinisch-Technischer-Radiologieassistent durch Eisenplatten schwer verletzt, die von dem starken Magnetfeld beschleunigt wurden. Der erste Todesfall trat 1989 bei einem Patienten mit einem Herzschrittmacher auf. Der Nimbus der absolut ungefährlichen Untersuchung wurde durch diese Zwischenfälle relativiert.
 
Dennoch wurde die Magnetresonanztomografie Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre zu einem unentbehrlichen Instrument in der bildgebenden Diagnostik. Neuartige, schnellere Aufnahmenzeiten ermöglichten erstmals die Abbildung komplexer Organsysteme wie das Herz (Kardio-MRT) und die Darstellung von Gefäßen auch ohne Verwendung von Kontrastmitteln (MR-Angiografie).
MRT-Gerät
Abb. 26: MRT-Gerät, Bildquelle: Siemens AG
Die MRT bietet als bildgebendes Verfahren einen hohen Weichteilkontrast. Die Entwicklung geeigneter und schneller Sequenzen führte zum Einsatz der Methode in der Mammadiagnostik. Mitte der 90er Jahre erlebte die MRT einen weiteren entscheidenden Fortschritt, z.B. durch die breite Einführung der kontrastverstärkten MR-Angiografie (Contrast Enhanced MRA oder CE-MRA).
 
Neben der Verbesserung der morphologischen Bildgebung führte die Weiterentwicklung zur Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens, so z. B. die Funktionsdiagnostik und -analyse von Organen wie Herz und Gehirn. Die Bestimmung der Perfusion und Flussgeschwindigkeit, die Flussquantifizierung, die Bestimmung der Strömungsrichtung in Gefäßen sowie generelle Fragestellungen zur Funktion von Organen wurden zu neuen Anwendungsgebieten der Methode.
 
Auch der Kontrastmittelmarkt kam in Bewegung. Die Einführung des ersten leberspezifischen Kontrastmittels Endorem® im Jahre 1996 ist hierfür ein Beispiel. Endorem besteht aus winzigen Eisen- oxidpartikeln (Durchmesser durchschnittlich 100 nm). Diese haben eine besondere Affinität zum Retikulo-Endothelialen-System (RES, vorkommend in den Kupffer’schen Sternzellen der Leber, in Milz und Knochenmark) und reichern sich dort an. Durch die starke → superparamagnetische WirkungSuperparamagnetismus
In der MRT verwendete Bezeichnung für Stoffe, die einen besonders hohen Paramagnetismus aufweisen. Paramagnetische Substanzen zeigen die Tendenz, in ein Magnetfeld hineinzuwandern. Im Gegensatz dazu wandern diamagnetische Substanzen aus einem Magnetfeld heraus. Paramagnetismus findet man bei Substanzen mit ungepaarten Elektronen. Superparamagnetische Substanzen (z. B. Eisenoxid) führen in der MRT bei der Bildgebung zu einer Signalauslöschung.
der Eisenoxidpartikel erscheint gesundes Lebergewebe in der MRT-Bildgebung dunkel ("Schwarzmacher-Effekt"), während Veränderungen in der Leber, die keine Kupffer’schen Sternzellen enthalten (z. B. Metastasen), unverändert hell bleiben. Diese Art von Kontrastmittel ist daher zur Detektion und Lokalisation von Läsionen speziell in der Leber besser geeignet als Gd-DTPA. Heute gibt es auf dem Markt eine ganze Reihe von Kontrastmitteln, die sich in Bezug auf ihre → PharmakokinetikPharmakokinetik
Wissenschaft vom Verlauf der Konzentrationen eines Arzneimittels im Körper. Die Konzentrationen von nephrotopen RKM sowie MRT-KM werden rasch abgebaut; es entstehen keine Metaboliten (Abbauprodukte). Diese Aussage gilt nicht für KM, die im Körper metabolisiert werden, wie z. B. orale oder i.v. Gallen-RKM und organspezifische (Leber) MRT-KM. Genaue Angaben zur Pharmakokinetik von KM findet man in den Herstellerangaben. Eine gute vereinfachte Definition von Pharmakokinetik und Pharmakodynamik lautet: Pharmakokinetik beschreibt, was der Körper mit dem Pharmakon macht. Pharmakodynamik beschreibt, was das Pharmakon mit dem Körper macht
, ihres Kontrastverhaltens und ihrer Gewebespezifität unterscheiden und so die diagnostischen Möglichkeiten der MRT erweitern.
 
Nicht nur die Auflösung, die Aufnahmezeiten und die Sequenztechniken wurden in den letzten Jahren ständig verbessert, sondern auch die Form der Geräte selbst. Aufgrund der verwendeten starken Magnete haben viele MRT Geräte eine Tunnelform. In diesen "Tunnel" wird der Patient für die Untersuchung hineingeschoben, was u. U. zu Klaustrophobie führt. Vor allem Kinder fühlen sich in einer solchen "Röhre" unwohl. Durch die Entwicklung offener Systeme mit weichen und runden Formen wurde die Untersuchungsatmosphäre für diese Patientengruppe verbessert. Diese Bauform ermöglicht den direkten Zugang zum Patienten und die Möglichkeit, den Patienten im feld zu bewegen. Dies ist wichtig für Interventionen und Bewegungs- bzw. Funktionsstudien.
Koronare 3D-Sequenz der Mamma mit Gd-DTPA und Herd links
Abb. 27: Koronare 3D-Sequenz der Mamma mit Gd-DTPA und Herd links
CE-MRA der Aorta
Abb. 28: CE-MRA der Aorta
Vierkammerblick
Abb. 29: Vierkammerblick mit Einzeichnung
der Planungslinien für die kurze Herzachse
Offenes Niederfeld MRT-Gerä
Abb. 30: Offenes Niederfeld MRT-Gerät, Bildquelle: Siemens AG
Heute ist die MRT in vielen Fällen die bildgebende Methode der Wahl, so z. B. bei diagnostischen Fragestellungen im Bereich des Bewegungsapparates, des Gehirns und des Rückenmarks. Untersuchungen des Abdomens, der Mamma, der Gefäße und des Herzens sind ebenfalls Einsatzgebiete der MRT. Auch die funktionelle MRT ist bei vielen Anwendern Teil der klinischen Routine geworden und hilft z. B. bei der Diagnose neurologischer Erkrankungen.
 
Wohin geht die Entwicklung? Lange Zeit wurden 1,5 T Geräte als das Maximum des technisch Möglichen für den Einsatz in der klinischen Routine angesehen. Zurzeit werden 3 T Geräte installiert, deren Bewertung im klinischen Einsatz noch nicht abgeschlossen ist.
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