1 Physikalische Grundlagen der Magnetresonanztomografie

Stephan Klumpp, Martin J. Schmidt

1.1 Das Proton als kleinster Baustein der Magnetresonanztomografie

Der Mensch und auch das Tier bestehen zu über 60 % aus Wasser. Ein Bestandteil des Wassermoleküls ist Wasserstoff, der sich durch eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit zur Messung der kernmagnetischen Resonanz auszeichnet und damit das ideale Element zur Bildgebung darstellt (). Der Atomkern des Wasserstoffmoleküls enthält ein Proton, das sich mit seiner positiven Elementarladung um die eigene Achse dreht. Dieser als Kernspin bezeichnete Vorgang führt zu der Ausbildung eines magnetischen Feldes um das Proton und der Bildung eines positiv und negativ geladenen Pols dieser Kerne in Analogie zur Erde, die ebenfalls durch die Erdrotation einen Nordpol und Südpol an entgegengesetzten Enden der Rotationsachse ausbildet (). Aufgrund dieses magnetischen Feldes kann die Lage von Protonen durch ein äußeres Magnetfeld, in diesem Falle das des Tomografen (B0), beeinflusst werden. Dieses äußere Magnetfeld führt dazu, dass sich innerhalb des Tomografen die Mehrzahl der Protonen parallel zur Richtung des Hauptmagnetfelds (B0) ausrichten. Ein kleiner Anteil der Protonen richtet sich antiparallel (also entgegengesetzt zum Hauptmagnetfeld B0) aus. In diesem Grundzustand sind also mehr Protonen parallel als antiparallel ausgerichtet. Es kommt durch Addition der magnetischen Felder zu einer Summenmagnetisierung parallel zur Längsachse von B0 (▶ Abb. 1.2). Daher wird für den Aufbau dieser Ausrichtung auch die Bezeichnung Längsmagnetisierung verwendet. Zusätzlich führt die Kraft des einwirkenden Magnetfelds des Tomografen zu einer kreiselnden Bewegung der Protonen um die Z-Achse des Hauptmagnetfelds (B0), der sogenannten Präzessionsbewegung. Dieses Phänomen kann mit einem Kreisel verglichen werden, der mit genügender Beschleunigungskraft senkrecht rotiert, mit schwächer werdender Rotationskraft immer mehr der Schwerkraft ausgesetzt ist und dadurch taumelt (). Die Frequenz dieser Präzessionsbewegung wird als Lamor-Frequenz bezeichnet und ist von der Stärke des Magnetfelds des Tomografen abhängig ▶ [13], ▶ [15], ▶ [16].

1.2 MR-Signal

Die Ausrichtung und die Präzession sind relativ stabile Zustände der Protonen (Grundzustand). Soll nun ein Signal im Tomografen gemessen werden, ist es notwendig, die Protonen aus ihrem Grundzustand heraus in einen Anregungszustand zu bringen, was durch Einstrahlung von Energie hervorgerufen wird. Dieser als Anregung bezeichnete Vorgang hat zur Folge, dass die Protonen ein höheres Energieniveau erreichen und somit einen im Vergleich zur Ausgangssituation instabileren Zustand einnehmen. Die Physik stellt diese Energieaufnahme der Protonen vereinfacht als einen Vektorpfeil dar, der sich im Grundzustand entlang des Magnetfelds B0 ausrichtet (Z-Richtung im Koordinatensystem, , ). Mit der Energieaufnahme verändert sich die Rotationsachse der Protonen, sie verläuft nicht mehr in Richtung des Magnetfelds B0 in der Längsachse, sondern in einer Achse, welche quer zur Ausrichtung von B0 verläuft, was dann auch als Quermagnetisierung bezeichnet wird. In einer Vektorzeichnung verlagert sich der Pfeil, der die Rotationsachse der Protonen kennzeichnet, aus einer senkrechten Position (Z-Richtung) in eine Achse, die um 90° gekippt ist (XY-Richtung, ). Die Quermagnetisierung (und deren Auflösung) führt nun zur Induktion einer Spannung in der Empfangsspule des Tomografen: das MR-Signal. Die Umsetzung der Quermagnetisierung im Bild des Computers würde aber nur ein homogenes weißes Bild ergeben, daher wird für den Bildkontrast die unterschiedliche Veränderung der Quermagnetisierung genutzt: die Relaxation ▶ [7], ▶ [13].

1.2.1 Relaxation

Die Magnetisierung ist jetzt um 90° aus der Z-Achse (entlang B0) in die XY-Ebene gekippt. Aus der Längsmagnetisierung ist eine Quermagnetisierung geworden, die eine elektrische Spannung (MR-Signal) induziert. Dieses Signal ist proportional zur Größe der Quermagnetisierung.

Im direkten Anschluss an die Anregung verlassen die Protonen ihren elektromagnetisch angeregten Zustand wieder, um in den energetisch stabileren Grundzustand zurückzukehren. Dabei wird Energie als detektierbares Signal (MR-Signal) freigesetzt. Dieser als Relaxation bezeichnete Vorgang erfolgt auf zwei Wegen: der longitudinalen und der transversalen Relaxation.

1.2.1.1 Longitudinale Relaxation (T1-Relaxation)

Die longitudinale Relaxation (T1-Relaxation) beschreibt die Rückkehr des Magnetisierungsvektors aus der XY-Ebene zur Achse des Hauptmagnetfelds B0 (Z-Achse). Die Geschwindigkeit, mit der dieser Prozess abläuft, ist abhängig von einer gewebespezifischen Relaxationszeit (= T1-Relaxationszeit). Sie beschreibt also die Dauer der Rückkehr des durch einen Hochfrequenzimpuls angeregten Spinsystems in seine Gleichgewichtsmagnetisierung entlang dem Hauptmagnetfeld B0. Sie ist definiert als die Zeitspanne nach einem Anregungsimpuls, in der 63 % der angeregten Spins in ihre Ausgangsposition zurückgekehrt sind. Die T1-Relaxationszeit ist einerseits von der molekularen Umgebung, in der sich die angeregten Kerne befinden, abhängig und daher für jedes Gewebe verschieden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt hat jedes Gewebe also einen unterschiedlichen Grad der Relaxation erreicht und daher auch ein gewebespezifisches Signal. Der Bildkontrast entsteht auf diese Weise also durch die unterschiedliche Abgabe von Energie in den jeweiligen Geweben ().