MRT Physik

Stell Dir vor, Du machst Sport, auf einmal machst Du eine komische Bewegung und Dein Knie schmerzt. Du kannst es nicht mehr vernünftig bewegen. Die Ärzte können zwar einige Tests machen, aber können nicht mit Sicherheit sagen, wie schlimm die Verletzung tatsächlich ist. Mithilfe eines MRT können Deine Ärzte Dir eine aufschlussreiche Diagnose bieten.

MRT Bedeutung

MRT ist die Abkürzung für eine Diagnosemethode in der Medizin, namens Magnetresonanztomografie.

Das Wort Magnetresonanztomografie setzt sich aus drei Wörtern zusammen. Zum einen wird der zu untersuchende Körper in einem konstanten Magnetfeld platziert. Die Resonanz ist die Antwort, die entstandene Schwingung auf dieses Magnetfeld. Das Wort Tomografie stammt ursprünglich aus dem griechischen und ist ein Wort für die Abbildung eines Querschnittes.

Mehr zur physikalischen Funktionsweise einer solchen Untersuchung erfährst Du später in dieser Erklärung. Zunächst klären wir, wie eine solche Untersuchung überhaupt abläuft.

MRT Ablauf

Wenn Du eine Magnetresonanztomografie machen lässt, wirst Du liegend in die MRT Röhre geschoben. Dann musst Du für mindestens 15 bis 20 Minuten still in der Röhre verharren. Dabei solltest Du sehr ruhig sein und Dich nicht bewegen, damit die Bilder schnell gemacht werden können und auch scharf sind, um die Diagnose zu erleichtern.

Abbildung 1: Magnetresonanztomograf(Quelle: pixabay.com)

So sehen Magnetresonanztomografen in der Regel aus. Es gibt auch MRT-Geräte, die fast zwei Meter tief sind, damit der gesamte Körper für einen Ganzkörper-MRT in die Röhre passt. Für lokale Scans, wie hier in der Abbildung, wo nur der Kopf gescannt wird, ist ein solches Gerät ausreichend.

Der MRT ist sehr laut, weil bei der Untersuchung der Magnet häufig umgeschaltet wird. In der Regel bekommst Du Lärmschutzkopfhörer für die Dauer der Untersuchung.

Während der Untersuchung wird der Einfluss des Magnetfeldes auf Deinen Körper gemessen. Das bedeutet, dass Schicht für Schicht das Gewebe Deines Körpers untersucht wird. So können Verletzungen an Bändern, Muskeln oder andere Gewebestrukturen erkannt werden.

MRT-Untersuchungen werden vor allem zur Untersuchung von Organen, Gelenken und sonstigem Gewebe verwendet. Vor allem vom Kopf werden häufig Magnetresonanztomografien gemacht.

MRT Kopf

Es gibt viele verschiedene Symptome, bei denen ein MRT des Kopfes veranlasst werden kann. Von anhaltenden Kopfschmerzen bis zu einem Trauma des Kopfes gibt es verschiedene Untersuchungsanlässe von einem MRT. Ein MRT besitzt die Möglichkeit, die Schichten des Schädels und des Gehirns Schicht für Schicht genau zu untersuchen und kleinste Unstimmigkeiten und Blutgefäße zu analysieren.

Abbildung 2: MRT Scan eines Kopfes(Quelle: pixabay.com)

Am Computer werden aus den Daten des Magnetresonanztomografen Bilder, wie die in Abbildung 2, erstellt. Geschulte Radiologen können diese Bilder dann auswerten und eine fundierte Diagnose abgeben. Tumore, Hirnblutungen, Abszesse und andere Krankheiten können so festgestellt werden.

Doch wie funktioniert so eine Magnetresonanztomografie genau?

MRT Physik

In Fachkreisen wird die Magnetresonanztomografie auch Kernspintomografie genannt, weil die physikalische Grundlage des Diagnoseverfahrens die Kernspinresonanz bildet. Die Protonen der Wasserstoffatomkerne im Körper besitzen einen eigenen Spin (Drehimpuls).

Durch das Magnetfeld der MRT Röhre erhalten sie zusätzlich ein magnetisches Moment. Die Auswirkungen, die das zusätzliche magnetische Moment auf die Protonen haben, werden gemessen und in Form von Bildern von einem Computer interpretiert.

Der Aufbau eines MRT erscheint auf den ersten Blick relativ simpel, ist aber im Inneren der Maschine hochkomplex und auf dem neuesten Stand der Technik.

MRT Aufbau

Im Untersuchungsraum, welcher ein faradayscher Käfig ist, befindet sich neben dem Magnetresonanztomografen nur eine Liege, über welche die Patienten in die Röhre geschoben werden. Der Computer, welcher die Maschine kontrolliert und auch später die Bilder erstellt befindet sich im Nebenraum, wo sich auch die Untersuchenden befinden. Für die Funktionalität des Gerätes ist allerdings das Innenleben der Röhre fundamental, dort befinden sich alle Komponenten für die tatsächliche Untersuchung.

Abbildung 3: Aufbau eines MRT(Quelle: pixabay.com)

Im verdeckten Teil des Gerätes befindet sich dessen Herz. Dort, hinter der Abdeckung, befindet sich ein supraleitender Elektromagnet, welcher so sehr gekühlt ist, dass fast kein elektrischer Widerstand vorhanden ist. So ist es möglich, ein deutlich stärkeres Magnetfeld zu erzeugen. Die Magnetfelder von neusten Magnetresonanztomografen sind 50.000-fach stärker als das Erdmagnetfeld. Zusätzlich gibt es ein Wechselmagnetfeld. Dieses wechselt die Polung mit einer bestimmten Frequenz.

Verschiedene Messgeräte, aufgebaut aus Spulen, messen dann die Auswirkungen der Magnetfelder auf den Körper. Computer erstellen aus diesen Messwerten ein Bild. Aber wie genau funktioniert denn nun das Ganze?

MRT Funktionsweise Physik

In der Röhre wirkt ein starkes Magnetfeld B (Hauptmagnetfeld) auf die Protonen im Körper.

Die Protonen der Wasserstoffatome besitzen einen eigenen Spin, also gewissermaßen einen Drehimpuls um die eigene Achse.

Wenn Du mehr über den Kernspin und die Eigenschaften von Elementarteilchen erfahren möchtest, schau Dir doch die Erklärung zu diesem Thema an.

Das Proton bewegt sich aufgrund des Spins also ständig. Eine bewegte Ladung bildet außerdem ein Magnetfeld aus. Warum? Das erfährst Du in der Erklärung Magnetfeld stromdurchflossener Leiter.

Das Proton wechselwirkt somit mit dem Hauptmagnetfeld. Es wird dadurch leicht abgelenkt und es kommt zu einer Präzessionsbewegung. Das bedeutet, es kommt zu einer zusätzlichen, schrägen Rotationsbewegung an der Rotationsachse.

Die Präzession eines Teilchens, wie dem Proton, heißt Larmorpräzession. Sie führt dazu, dass sich das Proton um eine zusätzliche Achse entsprechend dem Hauptmagnetfeld bewegt.

Die Drehfrequenz der Protonen ist dabei abhängig von der Stärke des Hauptmagnetfeldes. Alle Protonen besitzen im konstanten Magnetfeld des Hauptmagneten die gleiche und stabile Drehfrequenz, sie wird auch Larmorfrequenz genannt.

Im nächsten Schritt schaltest Du ein zusätzliches Wechselmagnetfeld dazu, welches orthogonal (senkrecht) zu dem Hauptmagnetfeld liegt. Die Wechselfrequenz des Magnetfeldes wird dabei gleich der Larmorfrequenz geschaltet, diese Frequenz liegt, für das Hauptmagnetfeld mit einer Flussdichte von 1 Tesla, bei 42 MHz und ist somit im Radiowellenbereich.

Das Hauptmagnetfeld bewirkt ein magnetisches Moment in die Richtung des Hauptmagnetfeldes, wodurch es zur Präzession gekommen ist. Das Wechselfeld sorgt jetzt dafür, dass das magnetische Moment im richtigen Moment diese Richtung kippt. Dadurch wird die Bewegung des Protons gezielt verändert.

Wird das Wechselfeld umgepolt oder ausgeschaltet, dann verschwindet der Einfluss des Wechselfeldes und das magnetische Moment richtet sich wieder nach der Magnetfeldrichtung des statischen Hauptmagneten aus. Wie anfangs bei der normalen Präzession.

Warum aber das Proton magnetisch beeinflussen und ausrichten?

Das Proton besitzt sein eigenes Magnetfeld. Durch die veränderte Ausrichtung gibt es somit eine Magnetfeldänderung, während das magnetische Moment kippt. Die Magnetfeldänderung durch das Proton verursacht eine Magnetfeldänderung in den Messspulen. Es wird eine Spannung induziert, die von den Messspulen gemessen wird.

Normales Gewebe, Muskeln, Gelenke und Tumore besitzen alle unterschiedlich hohe Wasserstoffmengen. Höhere Mengen an Wasserstoff bedeuten mehr Protonen, wodurch wiederum die Magnetfeldänderung größer wird und die daraus resultierende Induktion stärker ist. Somit können bestimmte Gewebe anhand der unterschiedlichen induzierten Spannung identifiziert und auch auf Unregelmäßigkeiten untersucht werden.

Je nach Stärke des Hauptmagnetfeldes kann die Genauigkeit und die Schärfe der Bilder angepasst werden.

MRT Magnetfeldstärke

Wenn von der Magnetfeldstärke eines MRT gesprochen wird, ist meistens nicht die physikalische Größe der Magnetfeldstärke gemeint, sondern stellvertretend für die Wirkung des Magnetfeldes die magnetische Flussdichte.

Die Stärke des Magnetfeldes ist ausschlaggebend für die Genauigkeit der Messung und der Diagnostik. Höhere magnetische Flussdichten sorgen für mehr Resonanz der Wasserstoffteilchen im Körper und sind so leichter zu messen. Experimentelle Magnetresonanztomografen besitzen sogar bis zu 7 Tesla Magnetfelder.

Übliche MRT Geräte besitzen Magnetfelder bis 3 Tesla, was fast 50.000-fach so stark wie das Erdmagnetfeld ist. Solch hohe magnetische Flussdichten ermöglichen, die Struktur von Tumoren feiner darstellen zu können und sogar den Stoffwechsel und damit das Wachstum dieser genauer vorhersagen zu können.

MRT Strahlung

Anders als bei anderen Methoden der Diagnostik, wie der Röntgenstrahlung, liegt bei einer Magnetresonanztomografie keine Strahlenbelastung vor. Das Gerät arbeitet mit Magnetfeldern und Radiowellen und ist daher für den menschlichen Körper nicht schädlich. MRT Untersuchungen können so häufig wie notwendig durchgeführt werden, allerdings sind diese auch mit deutlich mehr Stress verbunden, weil das Gerät eng und laut ist und die Untersuchung mit fast 20 Minuten relativ lange dauert. Das sind auch die Gründe dafür, warum ein Patient für die Untersuchung nüchtern sein sollte.