So wichtig wie die Kompassentdeckung: Magnetresonanztomografie und funktionelle MRG

Wie die Entdeckung des erdmagnetisch ausgerichteten Kompasses im 12. Jahrhundert durch neue Kontinente die Weltgeschichte veränderte, veränderte Magnetresonanztomografie die Medizingeschichte. Sie misst die Reaktion von Wasserstoffatomen im Wasser auf Magnetfelder und erschließt detaillierten Organbau und Funktion.

Kurze Geschichte der Magnetresonanztomografie (MRG)

Nikola Tesla (1856 – 1943) entdeckte das rotierende Magnetfeld– eine grundlegende physikalische Entdeckung.

1956 wurde die Einheit Tesladurch das Aktionskomitee der Internationalen Elektrotechnischen Kommission im Münchner Rathaus bekanntgegeben. Alle Magnetresonanzgeräte (MRG) sind in „Tesla-Einheiten“ kalibriert. Magnetfeldstärke wird in Tesla oder Gauss gemessen. Je stärker der Magnet, desto stärker die Radiosignale der Körperatome und desto besser die MR-Bildqualität; zugleich steigen Aufnahmegeschwindigkeit und kürzen sich Zeiten deutlich. Begriffe wie 1.5 Tesla und 3 Tesla eMaR bezeichnen diese Magnetstärke. 

• Niedrigfeld-MRG = unter 0.2 Tesla
• Mittelfeld-MRG = 0.2 bis 0.6 Tesla
• Hochfeld-MRG = 1.0 bis 1.5 Tesla
• Sehr hohe Feldstärke MRG = 3 und 7 Tesla

Hinweis: Am 12. Oktober 2017 genehmigte die FDAerstmals die Nutzung von 7-Tesla-MRG. Die folgende Abbildung zeigt den Auflösungsunterschied von 3 und 7 Tesla MRG.

Professor Isidor I. Rabi von der Columbia University in New York beobachtete 1937 das Quantenphänomen der Kernmagnetresonanz (NMR). Atomkerne zeigen bei genügend starkem Magnetfeld ihre Anwesenheit durch Aufnahme oder Abgabe von Radiowellen. Professor Isidor I. Rabi erhielt für seine Arbeiten den Nobelpreis.

Dr. Raymond Damadian vom Downstate Medical Center in Brooklyn entdeckte unterschiedliche Wasserstoffsignale in Krebs- und gesundem Gewebe: Tumoren enthalten mehr Wasser und damit mehr Wasserstoffatome. Nach Ausschalten des MRG-Geräts gibt Krebsgewebe länger Radiowellen ab als gesundes. Dies erklärt die unterschiedliche Darstellung beider im MR-Bild.

Der Chemiker Paul Lauterbur von der State University of New York erzeugte 1973 das erste Magnetresonanzbild. Der erste menschliche MR-Scan erfolgte am 3. Juli 1977.

Wie funktioniert MR?

Magnetresonanztomografie (MRG) ist eine diagnostische Technik zur Körperbildgebung nach dem Prinzip der Kernmagnetresonanz. Sie erstellt dünne Schnittbilder jeder Körperregion aus beliebigen Winkeln und Richtungen, indem sie den Körper einem starken elektromagnetischen Feld aussetzt.

Wie kleine Kompassmagnete sich nach dem Erdmagnetfeld ausrichten, reagieren die Protonen der Wasserstoffatome in den reichlich in allen Zellen vorhandenen Wassermolekülen auf starke Magnetfelder wie kleine biologische Magnetstäbe. Protonen besitzen grundlegende magnetische Eigenschaften.

MR-Bilder entstehen in 4 Schritten:

1. Ein konstantes Magnetfeld erzeugt einen stabilen Magnetisierungszustand im Körper.
2. Das MRG-Gerät sendet Radiowellen, um Protonen geordnet umzuorientieren.
3. Es stoppt die Radiowellen und erfasst elektromagnetische Aussendungen des Körpers. 4. Das Signal wird mit Computertomografie zu inneren Körperbildern verarbeitet.

Nachfolgend können Sie klassische Röntgen-, CT- und MRG-Aufnahmen derselben Lendenregion vergleichen

MR ist kein Foto, sondern eine computergestützte Karte der vom Körper abgegebenen Radiosignale. Klassische CT verwendet Strahlung, MR dagegen unschädliche Radiowellen. Wegen des riesigen Magneten müssen Metallgegenstände außerhalb des Aufnahmebereichs bleiben. Auch Kreditkarten können beschädigt werden, da ihre magnetischen Codes durch den MRG-Magneten beeinflusst werden.

Magnetresonanztomografie ist ein starkes diagnostisches Instrument und bevorzugt für Weichgewebe, besonders Gehirn, Rückenmark, Bauchorgane und Muskeln. Die MRG-Industrie produziert jährlich über 2.000 Geräte.

Neurologen benötigen MRG besonders zur genauen Diagnose von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, also Gehirn und Rückenmark. Auch Neurochirurgen und Orthopäden stützen sich darauf. In der Onkologie ist MRG besonders bei Tumoren von Gehirn, Leber und Knochen sowie Metastasen anderen Bildgebungsverfahren überlegen.

Neuester Stand der MR-Bildgebung: funktionelle MRG (fMRG)

Ende der 80er-Jahre war MRG in Kliniken und Laboren Standard für anatomische Bilder verschiedener Gewebe vom Muskel bis zum Gehirn. Sie zeigte aber nur sehr gute Anatomie und keine Funktion. Positronen-Emissions-Tomografie (PET) und andere Verfahren zur Funktionsdarstellung erforderten dagegen die Injektion von Stoffen in den Blutkreislauf.

In den 90ern veröffentlichten Seiji Ogawa und Kollegen Entdeckungen, die MRG zu einer relativ günstigen Darstellung physiologischer Gehirnaktivität machten und Gehirn- und Verhaltensforschung revolutionierten.

Ogawa und Kollegen nutzten 2 physiologische Beobachtungen: Charles Roy und Charles Sherrington vermuteten 1890 eine Beziehung zwischen Gehirnstoffwechsel und Blutfluss. Spätere Arbeiten präzisierten: Das Gefäßsystem liefert gezielt sauerstoffreiches Blut in Regionen gesteigerter neurologischer Aktivität. Gehirngefäße verändern sich also für mehr Sauerstoff im aktiven Bereich. Zweitens berichteten Linus Pauling und Charles Coryell 1936 unterschiedliche magnetische Eigenschaften oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobins. Auf diesen beiden Ideen beruhend zeigte Ogawas Team in drei Artikeln der 90er, wie funktionelle Magnetresonanz Organaktivität erkennt.

Sauerstoff wird durch Hämoglobin in roten Blutzellen, den Erythrozyten, zu Organen transportiert. Im frischen Blut ist es oxygeniert, im verbrauchten Blut trägt es weniger Sauerstoff. Je nach Sauerstoffgehalt der Blutzellen entstehen unterschiedliche funktionelle MRG-Bilder. Diese Wirkung heißt blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) Kontrast. Ogawas Team vermutete damit Gehirnaktivität verfolgen zu können. Bei Mäusen zeigte es veränderte, darstellbare Protonensignale aus Wassermolekülen aktiver Gehirnregionen.

2 Jahre nach diesem Prinzipnachweis zeigten 3 unabhängige Gruppen einschließlich Ogawas Team nahezu gleichzeitig BOLD-Kontraständerungen im menschlichen Gehirn.

Beim Betrachten eines Fotos während fMRG wird die okzipitale hintere Gehirnregion aktiv; beim Fingerbewegen der motorische Kortex an der Grenze von Frontal- und Parietallappen seitlich oben.

Zu den weltweit führenden fMRG-Forschern gehört der in Tire, İzmir, geborene Prof. Dr. Kâmil Uğurbil. Mit 27 wurde Kamil Uğurbil Professor; heute leitet er an der Universität Minesota in den USA die vor ungefähr 30 Jahren gegründete Abteilung. Er hält auch auf türkischen neurowissenschaftlichen Tagungen Vorträge und sagte zum heutigen fMRG-Stand: „Einer Person im MR-Gerät wird ein Geräusch vorgespielt, etwa Vogelgesang. Wir draußen wissen nicht, welches Geräusch es ist. Unsere Technologie lässt uns anhand gemessener Gehirnveränderungen weitgehend, wenn auch nicht exakt, verstehen, was sie hört. Ebenso ermöglichen wir Gelähmten, mit gedankengesteuerten Roboterhänden grundlegende Bedürfnisse zu erfüllen.“

Seiji Ogawa und Kamil Uğurbil gelten aufgrund ihrer fMRG-Arbeiten als mögliche künftige Nobelpreisträger.

BOLD-Kontrastbildgebung, meist funktionelle MRG genannt, wurde zur Grundlage kognitiver Neurowissenschaft. Hochaufgelöste Aktivitätsmessung wurde verfügbar; bessere MRG-Hardware, Techniken und Analysen steigerten die Auflösung weiter. Von detaillierter visueller Gehirnfunktion bis zu Gesichtserkennung, Empathie und Selbstbewusstsein faszinieren die Möglichkeiten der fMRG weiterhin die Neurowissenschaft.