7 Tesla ClinScan, Bruker
Bruker ClinScan 70/30 Kenndaten:
- Feldstärke 7 Tesla
- Aktiv geschirmter supraleitender Magnet
- Gradientenamplitude 600 mT/m
- X-Kern-Option! •! Bohrloch: 11,2 cm
- Software Syngo MR B15 (klinisch orientierter Routineablauf)
Warum verwenden wir einen 7 Tesla -Tomographen?
7 Tesla sind 140 000 Mal so stark wie das Erdmagnetfeld und etwa doppelt so stark wie die in der klinischen Routine eingesetzten Tomographen. Das höhere Feld geht mit einem höheren Signal einher, das für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann: Höhere Auflösung, kürzere Messzeit, Bildgebung von sogenannten X-Kernen (z.B. Natrium, Phosphor, Chlor), die in geringeren Mengen als Wasser im Körper vorhanden sind, sowie eine bessere spektrale Auflösung von Metaboliten für spektroskopische Anwendungen.
Was ist das Besondere an einem ClinScan?
Ergebnisse, die wir aus der experimentellen Bildgebung erzielen, möchten wir gerne in den klinischen Betrieb einbringen. Dafür ist es vorteilhaft die gleiche Software wie die klinischen Scanner zu verwenden. Deswegen arbeitet unser ClinScan mit der syngo-Software der Firma Siemens.
Im Bau der Kleintierscanner ist jedoch Bruker marktführend, so dass das Gerät selbst von Bruker konstruiert wurde.
Wie funktioniert ein Magnetresonanztomograph?
Lebewesen bestehen zu großen Teilen aus Wasser. Dies wird in der klassischen Magnetresonanztomographie (MRT) ausgenutzt. Die Wasserstoffatome des Wassers haben ein Proton als Kern, das eine bestimmte physikalische Eigenschaft, ähnlich wie eine Ladung oder eine Masse hat - den Kernspin. Der Kernspin ist mit einem magnetischen Moment verknüpft, das wie ein Elementarmagnet wirkt.
Wird in ein konstantes magnetisches Feld eine Probe eingebracht, richten sich die magnetischen Momente der Protonen entlang des magnetischen Feldes aus. Energetisch günstiger ist, in Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet zu sein. Daher gibt es in diese Richtung eine kleine Mehrheit von etwa einem magnetischen Moment auf 1 Millionen magnetische Momente. Summiert man alle magnetischen Momente vektoriell auf, erhält man den Magnetisierungsvektor M.
Mit Radio-Frequenz-Pulsen werden die Magnetisierungsvektoren aus ihrer Gleichgewichtslage M0 z.B. um 90 Grad (siehe Abbildung 1 a) geklappt. Das funktioniert aber nur, wenn die Frequenz resonant eingestrahlt wird, d.h. die Frequenz des Pulses dieselbe ist wie die Frequenz, mit der sich die magnetischen Momente um sich selbst drehen. Diese wird als Lamorfrequenz bezeichnet und ist abhängig von der Magnetfeldstärke. Außerdem ist die Lamorfrequenz abhängig vom Stoff bzw. der Umgebung der Wasserstoffprotonen, sodass z.B. Fett und Wasser selektiv angeregt werden können.
Wie ein Steh-Auf-Männchen bleiben die Magnetisierungsvektoren nach dem Abschalten des Pulses jedoch nicht in ihrer ausgelenkten Lage, sondern relaxieren spiralförmig in ihre Gleichgewichtslage zurück. Diese Relaxation des Magnetisierungsvektors kann man in einen longitudinalen Anteil (Projektion auf die z-Achse) und einen transversalen Anteil (Projektion auf die x-y-Ebene) aufteilen. Der longitudinale Anteil baut sich nach dem 90°-Puls wieder auf. Wenn 67 Prozent der maximalen Magnetisierung wieder erreicht sind, spricht man von der T1-Zeit.
Der transversale Anteil zerfällt exponentiell nach Anwendung des 90°-Pulses. Bestehen noch 33 Prozent der Magnetisierung spricht man von der T2-Zeit.
T1- und T2-Zeiten sind je nach Gewebe spezifisch. Dies wird ausgenutzt, um Kontraste zwischen verschiedenen Gewebearten zu erzielen. Durch Änderung der Messparameter ist es außerdem möglich, den Kontrast einer MR-Aufnahme zu beeinflussen.
Die lokal unterschiedliche Umgebung der Wasserstoffprotonen führt dazu, dass jeder Magnetisierungsvektor in einem Bildpunkt ein unterschiedlich großes Magnetfeld sieht. Dies führt zu einer leicht modifizierten Lamorfrequenz der Magnetisierungsvektoren. Dies resultiert in einer Auffächerung der Vektoren in unterschiedliche Richtungen. Man spricht von Dephasierung (siehe Abbildung 1 b).
Durch einen weiteren Puls, der in diesem Fall die Magnetisierungsvektoren um 180° dreht, laufen die Magnetisierungsvektoren wieder aufeinander zu, bis sie vektoriell addiert ein Maximum erreichen: Ein sogenanntes Echo entsteht (siehe Abbildung 1c und d). Deswegen wird diese Art von Messprogramm Spin-Echo-Sequenz genannt. Man kann sich dies gut durch Läufer in einem Stadion veranschaulichen: Beim Startschuss (Abschalten des Pulses) laufen sie los, sind jedoch unterschiedlich schnell (unterschiedliche Lamorfrequenz), d.h. einige sind nach einiger Zeit anderen voraus. Auf ein weiteres Signal zur Zeit T2/2 hin (180°-Puls) drehen die Läufer um und sind nach der Zeit T2 wieder auf einer Höhe.
Die Änderung der Magnetisierung in der x-y-Ebene führt zu einer Variation des Magnetfeldes. Dies ruft in der an einer Körperregion anliegenden Spule durch Induktion eine Spannung hervor, die verstärkt gemessen werden kann. Durch komplexe mathematische Verfahren errechnet ein PC daraus ein Bild.
Woher weiß man aber, woher das Signal kommt? Dazu sind neben dem Magneten für das Grundmagnetfeld im Tomographen weitere Spulen verbaut. Sie erzeugen ein in eine Ortsrichtung linear ansteigendes Feld (Gradienten), das wiederum eine linear ansteigende Lamorfrequenz beinhaltet. Dies kann in beliebige Raumrichtungen wiederholt werden und so kann der Ursprung des Signals eindeutig erfasst werden.
Abbildung 1: schematisches Prinzip einer Spin-Echo-Sequenz im mit der Lamorfrequenz mitrotierenden Koordinatensystem x', y' und z'.
a) Der Magnetisierungsvektor M0 wird durch einen resonant eingestrahlten 90°-Puls aus der z'-Achse in die transversale x'-y'-Ebene geklappt.
b) Die Magnetisierungsvektoren (1,2,3) in einem Voxel fächern sich auf (Dephasierung).
c) Durch einen 180°-Puls zur halben T2-Zeit werden die Magnetisierungsvektoren gedreht und laufen wieder aufeinander zu (Rephasierung).
d) Nach der Zeit T2 ist die Vektorsumme der Magnetisierungsvektoren maximal, ein Echo ist entstanden. Dieses wird als Signal detektiert.
Wie sicher ist die Magnetresonanztomographie?
Da es bei der MRT im Gegensatz z.B. zum klassischen Röntgen zu keiner Strahlenbelastung kommt, führt sie nach dem derzeitigen Stand der Wissenschaft zu keinerlei Schädigungen.
Bei Anwendung von Kontrastmitteln kann es unter Umständen zu Unverträglichkeiten kommen. Diese treten jedoch nur sehr selten auf.
Wichtig ist, dass das Grundmagnetfeld immer angeschaltet ist, da es sich um einen supraleitenden Magneten handelt, der dauerhaft mit Helium gekühlt wird. Der Magnetraum darf deshalb nur durch eingewiesene Personen betreten werden. Zusätzlich ist es notwendig, magnetisierbare Gegenstände, die vom Magnetfeld angezogen werden und Schaden an Lebewesen und Geräte verursachen könnten, abzulegen. Kreditkarten, Handys, Herzschrittmacher etc. können durch das Magnetfeld beeinflusst werden. Daher dürfen Träger von Herzschrittmachern nach gesetzlichen Vorgaben den Magnetraum nicht betreten.
Wieso machen MRTs im Gegensatz zu CTs Lärm?
Um den Ursprung des Signals lokalisieren zu können, werden sogenannte Gradienten geschaltet. Das sind in ihrer Stärke näherungsweise linear an- oder abfal- lende Magnetfelder. Diese werden innerhalb weniger Mikrosekunden an- und ausgeschaltet. Dadurch entsteht ein variierendes Magnetfeld, dies ruft wiederum eine Kraft hervor, die sogenannte Lorentzkraft. Die Spulen im Tomographen sind so fest wie möglich verbaut, die Lorentzkraft regt die Drähte der Spulen jedoch trotzdem zu Schwingungen an. Je nach Sequenz und Einstellparametern entsteht ein anderer charakteristischer Sound. MRT-Messprofis können am Geräusch die Art der Sequenz erkennen. Doch auch für ungeübte Ohren ist es möglich, ein ganzes von verrückten Physikern programmiertes Lied auf dem Scanner mühelos zu erkennen.