mini|MRT-Aufnahme eines menschlichen Kniegelenks, in sagittaler Schichtung mini|MRT-Schnittbilder eines menschlichen Gehirns (Transversalebene), als Abfolge von unten nach oben dargestellt mini|MRT-Aufnahme des schlagenden Herzens mini|MRT-Gerät mit 1,5 Tesla mini|MRT-Aufnahme eines menschlichen Kopfes in sagittaler Schnittebene Die Magnetresonanztomographie, abgekürzt MRT oder MR (als Tomographie von und ), ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Es basiert physikalisch auf den Prinzipien der Kernspinresonanz (), insbesondere der Feldgradienten-NMR, und wird daher auch als Kernspintomographie bezeichnet (umgangssprachlich gelegentlich zu Kernspin verkürzt). Die ebenfalls zu findende Abkürzung MRI stammt von der englischen Bezeichnung .
Mit der MRT können Schnittbilder von Körpern erzeugt werden, um krankhafte Organveränderungen zu erkennen. Sie basiert auf sehr starken Magnetfeldern sowie magnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne (meist die Wasserstoffkerne/Protonen) im Körper resonant angeregt werden, wodurch in einem Empfängerstromkreis ein elektrisches Signal induziert wird. Da somit das zu beobachtende Objekt „selbst leuchtet“ (im Radiofrequenzbereich), unterliegt die MRT nicht dem physikalischen Gesetz zum Auflösungsvermögen optischer Instrumente, nach dem die Wellenlänge der verwendeten Strahlung umso kleiner sein muss, je höher die geforderte Auflösung ist. In der MRT können mit Wellenlängen im Meterbereich (energiearme Radiowellen) Objektpunkte im Submillimeterbereich aufgelöst werden. Die Helligkeit unterschiedlicher Gewebetypen im Bild wird durch deren Relaxationszeiten und den Gehalt von Wasserstoff-Atomen (Protonendichte) bestimmt.Lernskript Grundlagen der Magnetresonanztomographie. (PDF; 1,2 MB) Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg. Welcher dieser Parameter den Bildkontrast dominiert, wird durch die Wahl des Aufnahmeverfahrens (Pulssequenz) und der Messparameter beeinflusst.
Die Geräte für die MRT werden als Magnetresonanztomographiesystem, MRT-System, Magnetresonanztomographiegerät, MRT-Gerät, MR-Tomograph oder Kernspintomograph bezeichnet.
Für eine MRT wird keine belastende Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung erzeugt oder genutzt. Allerdings sind die Wirkungen der magnetischen Wechselfelder auf lebendes Gewebe nicht vollständig erforscht.
Verfahren und Systeme Zahlreiche spezielle MRT-Verfahren wurden entwickelt, um außer Lage und Form der Organe auch Informationen über ihre Mikrostruktur und Funktion (etwa ihre Durchblutung) darstellen zu können, zum Beispiel: die Echtzeit-MRT zur filmischen Darstellung bewegter Gelenke oder Organe (z. B. des Herzens), die Magnetresonanzangiographie (MRA) zur Darstellung der Blutgefäße, die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT oder fMRI) zur Untersuchung der Gehirnaktivität, die Perfusions-MRT zur Untersuchung der Gewebedurchblutung, die Diffusions- bzw. Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) für eine virtuelle Rekonstruktion von Nervenfaserverbindungen, die MR-spektrokopische Bildgebung (, CSI) zur Darstellung von Metaboliten (chemischen Verbindungen des Stoffwechsels), die MR-Elastographie zur Untersuchung und Quantifizierung mechanischer (viskoelastischer) Eigenschaften von Gewebe.
Nach der Bauform unterscheidet man geschlossene MRT-Systeme mit kurzem oder langem Tunnel und offene MRT-Systeme (oMRT) mit C-Arm oder seitlich geöffnetem Tunnel. Geschlossene Tunnelsysteme liefern vergleichsweise bessere Bilddaten, offene MRT-Systeme ermöglichen dagegen den Zugang zum Patienten unter MRT-Kontrolle.
Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist die Art der Magnetfelderzeugung. Für schwache magnetische Felder bis ca. 0,5 Tesla Flussdichte können Permanentmagnete oder konventionelle Elektromagnete verwendet werden, für stärkere Felder dagegen supraleitende Magnetspulen.
Historische Entwicklung
Die 1945/46 sowohl von Felix Bloch als auch von Edward M. Purcell beschriebene magnetische Resonanz von Atomkernen mit magnetischem Dipolmoment war die Grundlage für das seit den 1950er Jahren auch für die medizinische Forschung verwendete Verfahren der Kernspinresonanzspektroskopie.Cornelius Borck: Kernspintomographie. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 733. Die Magnetresonanztomographie wurde als bildgebende Methode von Paul C. Lauterbur im September 1971 erfunden; er veröffentlichte die Theorie zur Bildgebung im März 1973. Die Hauptparameter, die zum Bildkontrast beitragen, (Unterschiede in den Relaxationszeiten von Geweben) waren bereits gut 20 Jahre vorher von Erik Odeblad beschrieben worden.
Lauterbur hatte zwei grundlegende Ideen, die eine Bildgebung mit Kernspinresonanz erst möglich machten. Erstens gelang es ihm mittels Feldgradienten-NMR, d. h. mit der Einführung von magnetischen Gradientenfeldern in das konventionelle NMR-Experiment, die NMR-Signale bestimmten räumlichen Bereichen einer ausgedehnten Probe zuzuordnen (Ortskodierung). Zweitens schlug er ein Verfahren vor, bei dem durch Rotation des ortskodierenden Magnetfeldgradienten in aufeinanderfolgenden Experimenten unterschiedliche Ortskodierungen (Projektionen) des Untersuchungsobjektes gemessen wurden, aus denen anschließend mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion () ein Abbild des Untersuchungsobjektes errechnet werden konnte. Sein 1973 publiziertes Ergebnis zeigt eine zweidimensionale Abbildung von zwei mit normalem Wasser gefüllten Röhrchen in einer Umgebung aus schwerem Wasser.
Für eine praktische Nutzung dieser Entdeckung waren auch spezielle apparative Neuerungen erforderlich. Die Firma Bruker in Karlsruhe hatte Anfang der 1960er Jahre in einer Gruppe um die Physiker Bertold Knüttel und Manfred Holz „quarzgesteuerte“ NMR-ImpulsspektrometerA. Geiger, M. Holz: Automation and Control in high power pulsed NMR. In: J. Phys. E: Sci.Instrum. 13, 1980, S. 697–707. entwickelt, die z. B. von Peter Mansfield für grundlegende Experimente benutzt wurden. Mansfield entwickelte dann ab 1974 mathematische Verfahren, um die Signale schnell in Bildinformationen zu wandeln, sowie Techniken zur schichtselektiven Anregung. Weiterhin führte er 1977 die Verwendung extrem schneller Umschaltung der Gradienten ein (EPI = ). Dadurch wurde eine Bildgewinnung in deutlich unter einer Sekunde möglich („Schnappschuss-Technik“), wenn auch – bis heute – mit Abstrichen in der Bildqualität. Mansfield ist auch die Einführung magnetisch abgeschirmter Gradientenspulen zu verdanken. In seinen letzten aktiven Jahren suchte er nach Lösungen, um die erhebliche Lärmbelastung für die Patienten durch die extrem schnelle Gradientenumschaltung zu reduzieren.
Weitere für die breite klinische Nutzung der Magnetresonanztomographie (MRT) wichtige Beiträge stammen aus deutschen Forschungslaboren. In Freiburg entwickelten Jürgen Hennig und Mitarbeiter zu Anfang der 1980er Jahre eine Variante der Spin-Echo-MRT, die heute unter den Abkürzungen RARE (), FSE () oder TSE () bekannt ist. Sie findet wegen ihrer Sensitivität in Bezug auf pathologische Gewebestrukturen und ihrer messtechnischen Effizienz allgemeine Verwendung. Im Jahre 1985 gelang Axel Haase, Jens Frahm und Dieter Matthaei in Göttingen mit der Erfindung des Schnellbild-Verfahrens FLASH ein grundsätzlicher Durchbruch in der MRT. Die FLASH-Technik reduzierte die damaligen Messzeiten um bis zu zwei Größenordnungen (Faktor 100) ohne substanzielle Verluste an Bildqualität. Das Verfahren ermöglicht zudem ununterbrochene sequentielle Messungen im dynamischen Gleichgewicht sowie völlig neue klinische Untersuchungen wie beispielsweise Aufnahmen aus dem Bauchraum bei angehaltenem Atem, dynamische Aufnahmen von mit dem EKG synchronisierten Herzfilmen, dreidimensionale Aufnahmen komplexer anatomischer Strukturen, Gefäßdarstellungen mit der MR-Angiographie und heute auch funktionelle Kartierungen des Cortex mit besonders hoher Auflösung. Damit war ab Mitte der 1980er Jahre der Weg frei für eine breite klinische Anwendung der MRT in der medizinischen Diagnostik.
Die Einführung von MRT-Systemen in Kliniken war zu Beginn stets mit ihrer Weiterentwicklung und Optimierung verbunden. Viele technische Details und Parameter mussten zuerst vom Klinikpersonal erprobt werden, bis die Systeme patiententauglich wurden. Dementsprechend waren interdisziplinäre Teams an der Entwicklung und Einführung der MRTs an Klinken involviert. Sowohl Fachwissen aus der Radiologie, Physik, Elektrotechnik als auch der Datenverarbeitung waren nötig, um diese Systeme tauglich zu machen. Die Entwicklung von Magneten mit ausreichend großem Durchmesser – die ausreichend starke und homogene Magnetfelder erzeugten und zudem noch leise waren – stellte sich als technische Limitation in den frühen Jahren der medizinischen Magnetresonanztechnologie heraus. Im Jahre 1981 führte das Hammersmith-Krankenhaus in London den ersten Ganzkörperscanner von Oxford Instruments mit einem Durchmesser von 26 cm ein. Dieser benötigte drei Stunden, um 16 Schichten eines Patientenkopfes darzustellen. Die Forschungsgruppe am Hammersmith-Krankenhaus unter der Leitung von Robert E. Steiner und Ian R. Young machte bedeutende Fortschritte zur Einführung dieser Geräte im klinischen Umfeld. Die bereits erwähnte interdisziplinäre Natur der Gruppierungen, die sich mit der Entwicklung dieser Geräten beschäftigten, führte anfangs oft zu Missverständnissen. So handelt eine Anekdote davon, dass Mediziner des Kinderspitals Zürich ein MRT-Gerät für Kinder bei Bruker Spectrospin in Karlsruhe in Auftrag gaben, jedoch dann den Lärm des Gerätes (auf den die Ingenieure und Physiker nicht optimierten) als für Kinder unzumutbar befanden. Auf frühen MRT-Konferenzen waren zudem oft Paare von Medizinern und Physikern unterwegs, um sowohl den theoretischen Hintergrund als auch die medizinischen Anwendungen vermitteln zu können.
Umstritten ist der Beitrag von Raymond Damadian, der 1974 ein US-Patent zur Anwendung der NMR für die Krebsdiagnostik anmeldete und 1976 damit ein Malignom bei einer Maus darstellen konnte. 1977 erstellte Damadian dann ein Kernspinbild eines menschlichen Thorax im Querschnitt.Petra Kau: Untersuchungen über die Darstellbarkeit von Koronargefäßen mit der Magnetresonanztomographie, Peter Wegener-Verlag, Bonn 1993, S. 5 Das Patent beschrieb zwar keine Methode zur Bildgebung, sondern nur eine Punktmessung, dennoch erstritt Damadian mit einem anderen Patent (Mehrschicht-Mehrwinkel-Messungen z. B. für MRT-Untersuchungen der Wirbelsäule) über 100 Millionen US-Dollar von den verschiedenen Herstellern von Magnetresonanztomographen. Sein ursprünglicher NMR-Scanner, der keine Bilder erzeugte, wurde klinisch nie eingesetzt, und auch seine damit angeblich gefundene Krebsnachweismethode ist nicht frei von Zweifeln. Sie beruht auf Differenzen in den NMR-Relaxationszeiten von gesundem und tumorösem Gewebe. Diese von Damadian bereits 1971 publizierte Beobachtung (mittels der Magnetresonanzspektroskopie) wurde zwar grundsätzlich bestätigt, musste allerdings später dahin gehend relativiert werden, dass die Unterschiede nicht durchgehend zutreffen. Abweichende Relaxationszeiten des Gewebes sind weder notwendig noch hinreichend für das Vorhandensein von Tumorgewebe beim Probanden. Damadian wurde 2003 bei der Verleihung des Nobelpreises für die bildgebende Kernspinresonanz (an Lauterbur und Mansfield) nicht berücksichtigt,nobelprize.org, abgerufen am 30. Dezember 2020. wogegen er öffentlich heftig protestierte.
Physik
Kurzfassung Dieser Abschnitt beschreibt das Prinzip der MRT stark vereinfacht und nicht vollständig. Für eine präzisere Beschreibung siehe die nächsten Abschnitte.