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Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie…)

Abstract

Die Magnetresonanztomographie ist ein Schnittbildverfahren, mit dem insbesondere Weichteilstrukturen und Nervengewebe sehr gut dargestellt und beurteilt werden können. Anders als die Computertomographie basiert sie nicht auf der Verwendung von Röntgenstrahlen oder anderen ionisierenden Strahlen, sondern erfolgt mit Hilfe eines starken Magnetfeldes. Langfristige Folgeschäden dieser Untersuchungsmethode sind nicht bekannt, ein Nachteil ist aber die relativ lange Untersuchungsdauer. Wichtig ist zu beachten, dass ferromagnetische Metalle zu einer Wechselwirkung mit dem Magnetfeld führen, sodass Patienten mit bestimmten Körper-Implantaten keine MRT-Untersuchung erhalten dürfen.

Indikation

Einsatz der MRT insbesondere zur Beurteilung von Weichteil- und Nervengewebe, Einsatz der CT insbesondere in der Notfallmedizin und zur Beurteilung von Knochen!

Kontraindikation

Wechselwirkung medizinischer Implantate

  • Nicht-ferromagnetische Metalle
    • Titan, Gold, Silber und Kupfer haben als medizinische Implantate keine Wechselwirkung mit dem statischen Magnetfeld des MRTs
  • Ferromagnetische Metalle
    • Eisen, Nickel und Cobalt können als medizinische Implantate Wechselwirkung mit dem statischen Magnetfeld des MRTs haben
      • Verletzungsgefahr durch Materialerwärmung, Materialbewegung etc.
      • Teilweise in Herzschrittmachern, Innenohr-Implantaten enthalten (selten: eisenhaltige Splitter, z.B. aus einer Kriegsverletzung)

Es werden die wichtigsten Kontraindikationen genannt. Kein Anspruch auf Vollständigkeit.

Technischer Hintergrund

Kern-Spin

Protonen drehen sich mit einer bestimmten Frequenz um sich selbst, wodurch ein kleiner Magnet erzeugt wird. Die Achse dieses Magneten variiert jedoch von Proton zu Proton.

Ausrichtung im Magnetfeld

Wird der menschliche Körper in ein Magnetfeld gebracht, richten sich die Protonen entlang des Magnetfeldes aus. Dabei richten sich manche Protonen parallel, andere antiparallel aus. Einer der beiden Zustände (bspw. der parallele Zustand) ist energetisch ärmer und wird von minimal mehr Wasserstoffprotonen eingenommen. Das bedeutet, dass der Gesamtvektor aller Protonen eher in die parallele Richtung zeigt. Auf diese Weise entsteht ein Längsvektor in paralleler Richtung.

Tatsächlich erfolgt die Ausrichtung der Protonen nicht streng entlang der Längsachse des Magnetfeldes, sondern in einem spitzen Winkel zur dieser.

Larmor-Frequenz

Die Protonen rotieren nicht nur um sich selbst, sondern auch um die Achse des angelegten Magnetfeldes. Man nennt diesen Vorgang Präzession. Die Frequenz, mit der die Protonen um die Magnetlängsachse präzedieren, wird als Larmor-Frequenz bezeichnet. Sie ist abhängig von der Feldstärke des Magnetfeldes. Das heißt, je höher die Magnetstärke (gemessen in Tesla, T), desto höher die Frequenz. Die Präzessionsfrequenz von Protonen liegt etwa bei 42,5 MHz/T, also im Radiofrequenzbereich.

Der Zusammenhang zwischen Magnetstärke und Präzessionsfrequenz wird in der sog. Larmor-Gleichung festgehalten.

Phase

Wenn die Protonen um die Magnetlängsachse präzedieren, befinden sie sich nicht alle zur gleichen Zeit an der gleichen Position. So sind einige Protonen 10° weiter vorne, andere 30° weiter hinten etc.; sie sind also „außer Phase“. Würden sie sich alle an der gleichen Position befinden, so wären sie „in Phase“.

Vektoren im Magnetfeld

Da die Protonen „außer Phase“ um die Magnetlängsachse präzedieren, heben sich die Quervektoren gegenseitig auf. Vor der Anregung (s.u.) besteht also für Protonen im Magnetfeld nur ein Längsvektor.

Anregung der Protonen

Mithilfe eines Hochfrequenzimpulses können die Protonen angeregt werden. Das führt zu zwei Dingen:

  1. Die antiparallel und parallel ausgerichteten Protonen verteilen sich gleichmäßig und heben sich gegenseitig auf, sodass der Längsvektor (auch Längsmagnetisierung genannt) gleich null wird.
  2. Alle Protonen präzedieren nun „in Phase“ um die Längsachse des angelegten Magnetfeldes, sodass ein Quervektor (auch Quermagnetisierung genannt) entsteht.

Dabei ist wichtig, dass die Frequenz des Impulses der Larmor-Frequenz der Protonen entspricht. Diese Frequenz befindet sich für Wasserstoffprotonen im Radiofrequenzbereich; man spricht also von einem Radiofrequenzimpuls.

Relaxation

Wird der Hochfrequenzimpuls abgeschaltet, „entspannen“ sich die Protonen, was wiederum dazu führt, dass

  1. der Längsvektor zunimmt (longitudinale Relaxation) und
  2. der Quervektor abnimmt (transversale Relaxation).

Der Zeitpunkt an dem 63% der Protonen in Längsrichtung relaxiert sind, wird als T1-Zeit bezeichnet. Der Zeitpunkt, an dem 63% der Protonen in Querrichtung relaxiert sind, wird als T2-Zeit bezeichnet. Die T1-Zeit beträgt 0,5–5 sec, die T2-Zeit 100–300 ms. Die Quermagnetisierung nimmt also schneller ab, als die Längsmagnetisierung zunimmt.

Beide Prozesse laufen parallel ab, sind aber unabhängig voneinander und hängen von unterschiedlichen Faktoren ab.

Spin-Gitter-Relaxation

Die Zunahme der Längsmagnetisierung hängt vom „Protonengitter“ ab, in dem sich die Wasserstoffprotonen befinden, und wird daher auch als Spin-Gitter-Relaxation bezeichnet.

Spin-Spin-Relaxation

Der Spin von Protonen wird unter anderem davon beeinflusst, in welcher Bindung sie sich befinden. Das heißt, ein Wasserstoffproton in einer H2O-Bindung hat eine minimal andere Spin-Frequenz als ein Wasserstoffproton in einer Fettsäure. Die Wasserstoffprotonen beeinflussen sich gegenseitig in ihrer Spin-Frequenz. Je inhomogener das Gewebe, desto schneller geraten die Protonen außer Phase und desto schneller nimmt die Quermagnetisierung ab; je homogener ein Gewebe, desto langsamer die Abnahme der Quermagnetisierung. Aus diesem Grund wird die Abnahme der Quermagnetisierung auch als Spin-Spin-Relaxation bezeichnet.

Interpretation/Befund

  • Signalintensität: Neben morphologischen Befunden entstehen in der MRT-Diagnostik abhängig vom Gewebe bzw. der Pathologie charakteristische Signalintensitäten
  • Kontrastmittel Gadolinium: Gadoliniumkomplexe werden als Kontrastmittel in der MRT verwendet
    • Wirkprinzip: Gadolinium ist stark paramagnetisch → Protonen in der Umgebung des Gadoliniums „relaxieren“ schneller, vor allem von Wasser → Erhöhung des Kontrasts zwischen verschiedenen Geweben
    • Anwendung: Bei entsprechender Fragestellung wird i.d.R. unmittelbar vor der Untersuchung die benötigte Dosis eines Gadolinium-Kontrastmittels (z.B. Gadovist®---------, ProHance®---------) intravenös injiziert
    • Kontraindikation: Bei schwerer (GFR <30 mL/min) und terminaler Niereninsuffizienz (Dialysepflichtigkeit!) möglichst keine Anwendung (bzw. bei unausweichlicher Indikation Anwendung unter speziellen Vorkehrungen, siehe unten)
      • Komplikationsmöglichkeit: Nephrogene systemische Fibrose
      • Bei unausweichlicher Indikation: Ist eine Kontrastmittel-MRT-Untersuchung bei Patienten mit Niereninsuffizienz unbedingt notwendig, werden Vorsichtsmaßnahmen empfohlen. Die Evidenz bezüglich dieser Empfehlungen ist begrenzt. Es handelt sich um „good clinical practice“.
        • Grundsätzlich: Verwendung von Niedrigrisiko-Kontrastmittelpräparaten mit makrozyklischen-nicht-ionischen Komplexbildnern
        • GFR <30 mL/min: Einzelgabe in geringst möglicher Dosierung, keine weiteren Untersuchungen mit Gadolinium-Kontrastmittel in den folgenden drei Monaten
        • Dialysepatienten: Gadolinium-MRT am Dialysetag vor der Dialyse, am Folgetag zusätzliche Dialysesitzung (engmaschige organisatorische Rücksprache mit dem betreuenden Dialysezentrum)
    • Neurotoxizität: Einzelne Studien weisen auf Ablagerung von Gadolinium in Strukturen des ZNS hin
      • Unklare Auswirkungen: Ob es sich um ein diagnostisches Phänomen oder eine medizinische Komplikation mit pathologischer Relevanz handelt verbleibt unklar
      • Zulassungsbeschränkung: In 01/2018 Rote-Hand-Brief mit Zusammenfassung der Sicherheitsbedenken und Empfehlung eines Ruhens der Zulassung linearer Varianten [1]
Hyperintens Hypointens
T1-Wichtung
  • Fett, fettreiches Gewebe (weiße Hirnsubstanz)
  • Kontrastmittel
T2-Wichtung
*Beispiel: Eine Bandruptur würde sich als Diskontinuität und in der T2-Wichtung zusätzlich mit einer Signalanhebung infolge des Umgebungsödems zeigen

In der T1-Wichtung stellt sich Wasser hypointens dar, in der T2-Wichtung ist es hyperintens!

Merksprüche: „T1 und T2 ist wie Schwarz-Weiß-Sehen von Flüssigkeiten“ und „H2O ist in T2 hyperintens (hell)“!

Alternative Methoden

Magnetresonanzspektroskopie

  • Abkürzungen: MR-Spektroskopie, MRS
  • Definition: Verfahren, das den Spin von unterschiedlichen Protonen in einem definierten Volumen registrieren kann, wodurch Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und den Metabolismus des Gewebes gezogen werden können
  • Hintergrund
    • In der „normalen“ MRT-Bildgebung, wie sie oben beschrieben ist, werden nur Resonanzen aus dem Frequenzspektrum registriert, in dem sich die Spin-Frequenz der Wasserstoffkerne befindet
      • Genauer gesagt werden vor allem Resonanzen der Protonen registriert, die sich in Fetten oder in Wasser befinden
    • Bei der MR-Spektroskopie wird der Frequenzbereich ausgedehnt
      • Es können auch die Spins von anderen Atomkernen registriert werden wie bspw. Kohlenstoff und Phosphor sowie der Spin von Wasserstoffkernen die sich in anderen Bindungen befinden
      • Da der Spin der Atomkerne, wie bei der „normalen“ MRT auch, davon beeinflusst wird, welche Bindungen die Atome eingegangen sind, können auf diese Weise quantitative Aussagen über die Substanzen in einem bestimmten untersuchten Gewebe getroffen werden.
  • Formen

Protonenspektroskopie [2]

Hintergrund

Bei der Protonenspektroskopie kann der Spin von Protonen in unterschiedlichen Bindungen gemessen und so das Gewebe in einzelne Substanzen „aufgeschlüsselt“ werden. Die Protonen zeigen in Abhängigkeit von ihrer eingegangen Bindung je einen eigenen spezifischen Spin, weshalb bei der Protonen-MRS individuelle Frequenzen registriert werden. Dieses Phänomen wird auch als „chemical shift“ bezeichnet.

Durchführung

  • Signal von Protonen in H2O-Bindung und Fetten wird unterdrückt
  • Signal von Protonen in anderen chemischen Bindungen kann registriert werden
  • Gängige Substanzen
    • N-Acetylaspartat (NAA)
    • Kreatin/Phosphokreatin (Cr)
    • Cholinhaltige Verbindungen (Cho)
    • Citrat

Anwendungsgebiete