Lessing-Schule Bochum Kurs: Leistugskurs Biologie 1 Schuljahr

Lessing-Schule Bochum
Kurs: Leistugskurs Biologie 1
Schuljahr: 2015/2016
Kurslehrer: Herr Hirschhausen
Abb.14
Die Magnetresonanztomographie (MRT) als Diagnoseverfahren der
Radiologie unter Berücksichtigung der technischen Grundlagen und anderer
bildgebender Verfahren
Frauke Küster
Laerfeldstraße 29
44803 Bochum
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Einleitung
2
2 Klinische Radiologie
3
2.1 Überblick
3-5
2.2 Die MRT
5
2.2.1 Aufbau der MRT
5-8
2.2.2 Verwendungsmöglichkeiten
8-14
im klinischen Alltag
3. Interview mit einem Radiologen
14-16
4. Schluss
16
5. Literaturverzeichnis
17-19
6. Anhang
20-25
6.1 Geschichte der MRT
20-21
6.2 Physikalische Grundlagen
22-25
1
Einleitung
In der klinischen Radiologie gibt es verschiedene Diagnosemethoden und auch
Verfahren, mit denen der Grund der Erkrankung eines Patienten festzustellen ist
und - wenn möglich - auch behandelt werden kann. Die Geräte der klinischen
Radiologie haben einen langen Entwicklungszeitraum hinter sich, bis sie auf dem
heutigen Stand der Entwicklung waren. So auch die Röntgendiagnostik, zu der
Wilhelm Conrad Röntgen im Jahre 1895 den Grundstein gelegt hat, indem er in
seinem Experiment die Röntgenstrahlen entdeckte (vgl. Hoche, Detlef, u.a.
Duden, 2007, S. 362). Heutzutage kann man sich die klinische Radiologie aus
dem Klinikalltag nicht mehr wegdenken, denn ohne sie würden viele Ursachen
einer Erkrankung nicht gefunden und behandelt werden.
Damit die Informationen den heutigen Standards entsprechen, beschränke ich
mich auf Materialien, die nach dem Jahr 2000 veröffentlicht wurden. Zu diesem
Zweck habe ich mir medizinische Fachbücher aus der Ruhr-Universität Bochum
ausgeliehen.
Mein Arbeitsansatz ist, dass ich zuerst einen Überblick über die verschiedenen
Geräte der klinischen Radiologie gebe. Dann werde ich meinen Hauptfokus auf
die Magnetresonanztomographie (MRT) legen und ihren Aufbau und die
Verwendungsmöglichkeiten
im
klinischen
Alltag
behandeln.
Bei
den
Verwendungsmöglichkeiten im klinischen Alltag werde ich mich damit
auseinandersetzen, wo die MRT am menschlichen Körper angewendet wird und
welche Krankheiten/Verletzungen mit dem Gerät diagnostiziert werden können.
Außerdem werde ich die Möglichkeit haben, mit einem Radiologen vom
Katholischen Klinikum Bochum im St. Joseph-Hospital zu reden und ihn zu
interviewen.
Ich habe mir dieses Thema ausgesucht, da ich mich für Physik und Medizin
interessiere und später in einem medizinischen Beruf arbeiten möchte. Um das
MRT zu entwickeln, haben verschiedene naturwissenschaftliche und technische
Bereiche
ihre
Erkenntnisse
zusammengebracht
und
so
eine
neue
Untersuchungsmöglichkeit für Patienten erschaffen, die sich bis heute immer noch
weiter entwickelt.
2
2. Klinische Radiologie
Die klinische Radiologie umfasst speziell entwickelte Geräte und Verfahren, die
durch den Einsatz von Strahlen, Ultraschall und Radiowellen in das Innere der
Patienten schauen können. Durch diese Ergebnisse können die Radiologen ihre
Diagnosen stellen.
2.1 Überblick
Als nächstes werde ich ihnen einige der wichtigsten bildgebenen Verfahren in der
Medizin vorstellen.
Konventionelle Röntgendiagnostik
Die konventionelle Röntgeneinrichtung besteht aus einem Generator zur
Lieferung von Strom und Spannung, einem Röntgenstrahler mit der Röntgenröhre
zur Generierung der Röngenstrahlung, und Zubehör. Das Röntgenbild entsteht,
wenn die Röntgenstrahlen durch das Gewebe auf den Röntgenfilm treffen.
Heutzutage werden aber bei modernen Röntgenanlagen ausschließlich Digitale
Detektoren verwendet. Die Strahlen werden abhängig von der Dicke, Dichte,
Ordnungszahl des durchstrahlten Gewebes und der Strahlungsqualität geschwächt.
Je weniger die Röntgenstrahlen geschwächt werden, desto stärker ist die
Schwärzung auf dem Negativ (vgl. Reiser, Maximilian u.a., 2011, S. 63-65), (vgl.
Wetzke, Martin u.a., S.6-7). Das die Strahlen abgeschwächt werden, heißt aber
auch, dass der Körper diese Strahlen absorbiert. Die Röntgenstrahlen können je
nach Dosis das Erbgut des Menschen schädigen und Mutationen hervorrufen. Als
die Röntgenstrahlen entdeckt wurden, wusste man noch nichts von deren
schädlichen Wirkungen. Die Frau von Conrad Röntgen ist an Krebs gestorben, da
sie der Strahlung ohne Schutz ausgeliefert war und zu oft geröngt worden ist.
Sonographie
Die Sonograhie wird auch als Ultraschalldiagnostik bezeichnet. „Die Sonographie
ist ein Schnittbildverfahren, das auf der Aussendung von Ultraschallwellen und
dem Empfang der im Gewebe reflektierten Schallwellen (Echos) basiert. Als
Ultraschall
bezeichnet
man
Schallwellen,
deren
Frequenzen
über
der
menschlichen Hörschwelle (>20kHz) liegt. In der medizinischen Diagnostik
finden in der Regel Frequenzen von 1-15 MHz Anwendung.“(Reiser, Maximilian
2011,
S.
84)
Die
Sonographie
ist
das
Verfahren
der
Wahl
für
Vorsorgeuntersuchungen und zur Darstellung von Weichgewebe. Der Nachteil
der Untersuchung ist, dass sich Flüssigkeiten in der Sonographie nicht
3
unterscheiden lassen können. So kann eine Metastase mit einer Zyste verwechselt
werden. (Reiser, Maximilian 2011, S. 89)
Computertomographie
„Die Computertomographie (CT) ist ein Röntgenverfahren, mit dem transversale
Schichten erzeugt werden. Dadurch lassen sich Gewebe und Organe
überlagerungsfrei zweidimensional darstellen. In der Summe liegt die Information
in der 3. Dimension. Die CT zählt zu den Schnittbildverfahren.“(Reiser,
Maximilian 2011, S. 73) Der Nachteil der Computertomographie ist die nicht
unerhebliche Dosis an ionisierenden Strahlen, die auf die Zellen des Menschen
treffen.
Nuklearmedizinische Diagnostik
In der nuklearmedizinischen Diagnostik kommen Radiopharmaka zum Einsatz, in
denen stabile Atome durch entsprechende radioaktive Isotope ersetzt wurden. Hier
bedient man sich des Tracerprinzips. In der in-vivo Diagnostik werden geringe
Mengen (piko- bis mikromolar) der Radiopharmaka in den menschlichen
Stoffwechsel eingeschleust um die Funktion der Organe zu überprüfen und die
Stoffwechselvorgänge sichtbar zu machen. Die Strahlung der Isotope wird durch
geeignete Messysteme erfasst. Hauptsätzlich sind es γ- und β-Strahlen, die von
den Strahlern (Isotopen), die an Trägermoleküle gebunden sind, abgegeben
werden. (vgl. Reiser, Maximilian u.a., 2011, S. 139), (vgl. Wetzke, Martin u.a.,
S.16-17) Klassisch werden nuklearmedizinische Verfahren in der Schilddrüsenfunktionsdiagnostik angewendet, aber auch Untersuchungen am Herzen, welche
Aussagen
über
die
Durchblutung
des
Herzmuskels
bei
koronaren
Herzerkrankungen erlauben, sind wichtig. Eine große, ständig wachsende
Bedeutung haben Untersuchungen bei Tumoren erlangt. (vgl. Kiefer 2012, S. 51)
Angiografie
In der Angiografie werden Kontrastmittel und Röntgenstrahlen zur Darstellung
von Aterien und Venen eingesetzt. So erhält man die übersichtliche Darstellung
der Blutgefäße. Die Kontrastmittel, die zum Einsatz kommen, sind fast
ausschließlich jodhaltige Substanzen, die als positive Kontrastmittel wirken und in
das Gefäßsystem des Menschen injiziert werden. Da im Gefäß eine höhere
Absorption von Röntgenstrahlen auftritt, wird der Röntgenfilm an diesen Stellen
geringer geschwärzt. Diese Methode eignet sich unter anderem zur Diagnostik
von Gefäßverschlüssen. (vgl. Reiser 2011, S.390), (vgl. Wetzke, Martin u.a., S. 9)
4
MR-Angiographie
In der MR-Angiographie wird eine besondere Sequenz eingesetzt, sodass die
Bilder von den Gefäßen ohne Kontrasmittel erzeugt werden können. „In der als
„time of flight” (TOF) bezeichneten GE-Sequenzen werden die Protonen des
untersuchten Volumens in so kurzer Zeit angeregt, dass sie nicht genügend Zeit
zur Relaxation haben. Das stationäre Gewebe des Untersuchungsvolumens sendet
folglich nur ein geringes Signal. Dagegen senden die Protonen, die mit dem Blut
in das Untersuchungsvolumen einströmen und noch keine Anregung erfahren
haben, ein starkes Signal. Daraus ergibt sich ein signal- und kontrastarmes
Einzelbild mit leuchtenden Gefäßquerschnitten.“ (Reiser 2011, S. 82)
2.2 Die MRT
Kommen wir jetzt zur Magnetresonanztomographie.
Die MR-Tomographie ist eine bildgebene Diagnosemethode um den Grund einer
Erkrankung und Verletzung bestimmen zu können. Der MR-Tomograph kann
besonders Weichteile (Organe, Gehirn etc.) eines Körpers sehr gut und
kontrastreich abbilden. Es gibt verschiedene Arten von MRT’s:
Der Röhren-MR-Tomograph ist die klassische Art des MRT. Der Patient liegt auf
einer Liege in der Röhre.
Der Stand-up MR-Tomograph ermöglicht das Stehen während der Untersuchung.
Der Patient ist während der Aufnahme festgeschnallt.
Der offene MR-Tomograph ist zu einer Seite offen und eignet sich deshalb
besonders für Patienten mit Platzangst.
2.2.1 Aufbau des MR-Tomographen
Der MR-Tomograph besteht aus vielen Einzelteilen. Diese sind der Magnet, die
HF-Anlage, das Gradientensystem, die Shim-Spulen, das Computer- und
Patientensystem.
Abb.3
5
Magnet
Der Magnet im MRT-Gerät dient der Erzeugung des statischen Magnetfeldes. Die
Stärke des Magnetfeldes wird in der Einheit Tesla angegeben.
Man kann sagen, dass je höher die Stärke des Magnetfeldes ist, desto höher ist die
Larmourfrequenz und länger die Relaxationszeiten vom Gewebe. Auf die
Larmourfrequenz und Relaxationszeiten komme ich noch mal im Anhang zurück.
An diesen Magneten werden in der klinischen Radiologie besondere
Anforderungen gestellt, damit eine optimale Untersuchung gewährleistet ist. Der
Magnet muss eine konstante Feldstärke, eine hohe Homogenität und zeitliche
Stabilität aufweisen. Es gibt drei verschiedene Arten von Magneten, die in der
Klinik Anwendung finden.
Ein supraleitender Magnet ist z.B. eine Zylinderspule aus Niob-Titanlegierung,
durch die Strom fließt und mit Helium gekühlt wird, sodass kein elektrischer
Widerstand vorhanden ist. Ist das Magnetfeld aufgebaut, so ist der Magnet
unabhängig vom Stromfluss. Will man das Magnetfeld ausschalten, so unterbricht
man die Kühlung der Spule.
Bei einem Widerstandsmagneten wird der Strom durch eine Spule geleitet. Dabei
entsteht ein Magnetfeld. Ein Teil des zugeführten Stromes wird durch den
elektrischen Widerstand in Wärme umgewandelt und mittels einer Wasserkühlung
abgeleitet.
Ein Permanentmagnet in einem MRT-Gerät erzeut ein permantentes Magnetfeld,
das nicht ausgeschaltet werden kann. Daher kommt der Name des Magneten. Ein
Permanentmagnet besitzt die Form eines Hufeisens.
(vgl. Silberstein 2010, S. 33-37 )
Hochfrequenzensystem/HF-Anlage
Die HF-Anlage dient der Erzeugung des speziellen Radioimpulses und dem
Auffangen des zurückkehrenden Signals. Die Sende- und Empfangsspule sind in
dem System integriert.
Die Anlage besteht aus dem HF-Sender, HF-Verstärker, einer HF-Antenne, einem
HF-Empfängerverstärker und einem Analog-Digital-Konverter.
Die erzeugte Hochfrequenz wird über Spulen (Resonatoren) gesendet und wieder
empfangen.
6
Gradientensystem
Die Gradientenspulen sind im Inneren des Hauptmagneten angebracht und dienen
der Ortslokalisation, indem die Spulen das Magnetfeld in drei Ebenen modulieren.
Durch Gradientenspulen, in denen Strom fließt, werden Magnetfelder erzeugt, die
auch Gradientenfelder genannt werden. Die Gradientenfelder stehen senkrecht
aufeinander und werden in jeder Raumrichtung vom statischen Magnetfeld
überlagert. Sie ermöglichen die Ortskodierung.
Die Gradienten werden unterschieden in x (sagittal), y (coronar) und z (axial,
transversal).
Shim-Spulen
Shim-Spulen sind Abgleichspulen, die Inhomogenitäten des Magnetfeldes
ausgleichen. Je homogener das Magnetfeld, desto besser ist die Bildqualität.
(Homogen ist das Magnetfeld, wenn es konstant die gleiche Richtung und Stärke
hat). Wird Strom durch die Spulen geleitet, entstehen Korrekturfelder. Diese
Magnetfeldabgleichung nennt man Shimming.
Es gibt verschiedene Shimmingarten, um das Magnetfeld zu homogenisieren.
Beim aktiven Shimming werden Shim-Spulen innerhalb des Magnetfeldes in die
innere Öffnung des Magneten auf einem Shimrohr plaziert. Diese werden einzeln
an das Magnetfeld angeglichen.
Das passive Shimming wird durchgeführt, indem kleine ferromagnetische
Metallstücke an genau berechneten Stellen, inner- oder außerhalb der
Magnetöffnung angebracht werden.
Computersystem
Das Computersystem ist wiederum in einzelne Medien aufgeteilt.
Der Steuerrechener (Host-Rechner) dient zur Dateneingabe, Steuerung des Messablaufes und Darstellung der Bilder. Der Bildrechner verarbeitet die Rohdaten zu
Bildern. Die Bilder werden auf einem Digitalmomitor und Bildmonitor gezeigt.
Ein weiterer Monitor ist der Kontrollmonitor zur Patientenüberwachung. Die
Daten werden auf externen Festplatten, Langzeitspeicher wie CD-Rom, DVD etc.
gespeichert. Zum System gehört auch eine Auswertekonsole.
7
Patientensystem
Das Patientensytem besteht aus einer Liege, die horizontal und vertikal verstellbar
ist. Die Liege kann entweder manuell oder per Tastatur bewegt werden.
(vgl.Silberstein 2010, S.30-46), (vgl.Rinck 2003, S.21-24, S.27)
In der Klinik haben die MRT’s eine Stärke von 0,3 bis 3 Tesla. Da bei der
Untersuchung Energie in Form von HF-Impulsen dem Körper zugeführt werden,
erwärmt sich das Gewebe. Hat das Gerät eine höhere Stärke erwärmt sich nicht
nur der Körper, eine Folge für die Patienten können auch Kopfschmerzen sein.
2.2.2 Verwendungsmöglichkeiten im klinischen Alltag
Die MR-Tomographie wird als bildgebende Untersuchungsmethode angewendet.
Da sie besonders gut und kontrastreich die Weichteile des Körpers abbildet und
eine artdiagnostische Gewebedifferenzierung möglich ist, wird sie dort auch
häufig
angewandt.
Da
der
MR-Tomographieuntersuchung
meist
Voruntersuchungen voraus gehen, wird sie häufiger als Methode angewandt um
das Krankheitsbild eines Patienten genauer zu bestimmen.
Die MR-Tomographie wird beim Thorax, bei Aterien, beim Herzen, beim Skelett,
bei Nieren und ableitende Harnwege, beim zentralen Nervensystem (ZNS), bei
Wirbelsäule und Spinalkanal, bei der Leber, bei Gesichtsschädel /Schädelbasis
/Orbita und anderen Organen / Körperteilen angewendet um nur einige Beispiele
zu nennen.
Thorax
Der Thorax ist ein medizinischer Begriff für den Brustkorb des Menschen. Die
MR-Tomographie wird beim Thorax zur Untersuchung des Spinalraums (Raum
zum Rückenmarck /Wirbelsäule gehörig), Pleura (Brust-, Rippenfell) - und
Thoraxwand eingesetzt. Aber auch zur Abklärung von Gefäßanomalien und
Aneurysmen (krankhafte, örtlich begrentzte Erweiterung einer Schlagader). Der
Vorteil der MR-Tomographie gegenüber der CT ist der höhere Gewebekontrast,
die
Gefäßdarstellung
auch
ohne
Kontrastmittelgabe
und
die
fehlende
Strahlenbelastung. Die Nachteile sind die längeren Untersuchungszeiten und die
daraus resultierenden Atemartefakte mit Verschlechterung der Bildauflösung und
8
die Bewegungsartefakte durch die Pulsation des Herzens und der Gefäße.
(vgl.Reiser 2011, S. 158-159)
Aterien
Abb.5
Abb.6 b
Aterien sind Gefäße, durch die das Blut im ganzen Körper verteilt wird. Zur
Untersuchung
der
angewendet.
Dabei
Aterien
werden
wird
die
die
Magnetresonanzangiografie
umgebenen
anatomischen
(MRA)
Strukturen
herausgefiltert und eine isolierte Gefäßdarstellung wird erzeugt. Die MRA tritt in
Konkurrenz zur Katheterangiografie, da sie eine detailierte Darstellung vieler
Gefäßregionen ohne invasive Aterienpunktion ermöglicht.
Die TOF-Angiografie (auch MRA) wird besonders zur Darstellung der
intrakraniellen (innerhalb des Schädels lokalisiert) Gefäße genutzt.
(vgl.Reiser 2011, S. 387-389)
Herz
Abb.6 a
Das Herz ist eine Muskelpumpe, die in der rechten Herzhälfte das sauerstoffarme
Blut durch die Lungenaterie zum Gasaustausch an die Lunge weitergibt. In der
linken nimmt es das sauerstoffreiche Blut aus der Lunge auf und pumpt es durch
die Hauptschlagader durch den Körper. (Cheers 2000/2001, S.294) Im Schnittbild
des MRT-Bildes kann man das Herz mit seinen Kammern erkennen. Die MRT
dient hier zur Beurteilung von Größe und Form der Herzkammern sowie deren
Lagebeziehung zueinander und zur Beurteilung der Herzwandungen. Die
Herzfunktion sowie die Perfusion (der Ernährung u. der Reinigung des Gewebes
9
dienende Durchströmung eines Hohlorgans) und Vitalität des Myokards
(Wandschicht des Herzens, Herzmuskel) wird durch die kardiale (das Herz
betreffend) Funktionsdiagnostik beurteilt. Es können erworbene Erkrankungen der
herznahen Gefäße, koronare (zu den Herzkranzgefäßen gehörend, von ihnen
ausgehend) Herzkrankheiten und ihre Folgen sowie erworbene Herklappenfehler
und angeborene Herzfehler indiziert werden. Wenn ein Patient einen nicht MRkompatiblen Herzschrittmacher trägt, wird er nicht zu der Untersuchung
zugelassen. Es kann zu Kontraindikationen kommen, da ein Herzschrittmacher als
Antenne für Hochfrequenz gilt. (vgl.Reiser 2011, S.232-234)
“Somit käme es zu Rhytmusstörungen, letztendlich zu Kammerflimmern und
zusätzlich könnten sich die Elektroden erwärmen. Eine Verbrennung oder
Thrombosierung in den Blutgefäßen wäre die Folge. Der Herzschrittmacher
könnte auch magnetisiert und gegen die Thoraxwand gedrückt werden.“
(Silberstein 2011, S.62)
Skelett
Abb.7
Das MRT- Bild zeigt das Knie eines Menschen. Der Kochen ist weiß
hervorgehoben, da im Knochen weniger Wasser enthalten ist als im Muskel, der
hier grau unterlegt ist. Knochen sind feste verkalkte Gewebe, die das Skelett
bilden.“ Der Knochen besteht aus meheren Schichten. Unter der äußeren Schicht,
der Knochenhaut (Periost), liegt die massive Randschicht, die lamellenartige
Kompakta, und darunter die schwammartige Spongiosa, zwischen deren Bälkchen
sich das rote Knochenmark befindet. Fetthaltiges gelbes Knochenmark füllt die
Markhöhle.“ (Cheers 2000/2001, S.50). Der größte Knochen wird von der
Knochenhaut, einer Membran, in der Nerven und Blutgefäße verlaufen, ernährt
und geschützt. (Cheers 2000/2001, S.51). Deshalb ist der Knochen in dem MRTBild, durch eine dunkle Schicht, so gut abgegrenzt, da sie die Knochemembran
darstellt. Aus diesem Grund können knöcherne Strukturen im MRT schlechter als
beim CT dargestellt werden. Daher kann man die MRT bei Tumoren,
Entzündungen und Nekrosen (örtlicher Gewebstod, Absterben von Zellen) des
10
Knochens und der Weichteile sowie bei Schäden des Kapsel-Band-Apparates der
Gelenke und Gelenksbinnenverletzungen nehmen. Auch okkulte (verborgene)
Frakturen können anhand des Ödems (Gewebswassersucht) sicher erkannt
werden. Bei z.B. einer Knochenhautentzündungen sammelt sich Wasser im
Gewebe an und dieses kann mit der MRT gefunden werden. So kann dann die
Entzündung am Knochens diagnostiziert werden. (vgl.Reiser 2011, S. 308)
Nieren
Abb.8
Die Nieren auf dem MRT-Bild sind die bohnenförmigen Organe, deshalb werden
sie auch im Englischen „beans“ gennant. Die MRT wird bei den Nieren
angewandt, wenn die tumorösen Raumanforderungen und die Dignität (Wert,
hoher Rang) des Tumors bei der CT und Sonographie nicht zweifelsfrei zu klären
war. Wurde der Tumor bereits nachgewiesen, wird mit dem MRT die
Ausdehnung des Tumors beurteilt und insbesondere zum Nachweis eines
Gefäßeinbruchs oder einer venösen Thrombose genutzt. (vgl.Reiser 2011, S.258259)
Wirbelsäule und Spinalkanal
Abb.9
Der Pfeil im MRT- Bild zeigt auf den Spinalkanal, der innerhalb der Wirbelsäule
zu finden ist. Mit dem MRT werden z.B. Myelome (Knochenmarksgeschwulst),
Tumore, Metastasen und osteoporotische Frakturen indiziert.
(vgl.Reiser 2011, S. 614)
11
Leber
Abb.10
Auf dem MRT- Bild sieht man links über der Niere die Leber. Über der rechten
Niere befindet sich die Milz. Die MR-Tomographie wird bei der Leber verwendet,
um unklare Befunde zu klären. Da auf den Aufnahmen die Signalintensitäten der
Leber und der Niere gleich sind, werden gewebspezifische Kontrastmittel (z.B.
Gadolinium-EOB-DTPA) benutzt. Damit wird die Erkennungsrate (Detektion)
von kleinen Metastasen verbessert und es kann eine artdiagnostische Zuordnung
(Charakterisierung) von unklaren soliden Leberläsionen (Verletzung oder Störung
der Leber) gemacht werden. (vgl.Reiser 2011, S. 475)
ZNS
Abb.11
Auf dem MRT-Bild ist das Gehirn (ZNS) mit zwei unterschiedlichen Wichtungen
von T1 und T2 abgebildet. „Durch geeignete Sequenzen lassen sich sehr
unterschiedliche Bildeindrücke erzeugen, die bestimmte Gewebebereiche
besonders hervorheben, wie beispielsweise das Marklager oder die Hirnrinde.
Wasserbetonte Sequenzen erlauben die Darstellung geringster Ödemreaktionen,
was besonders bei der Früherkennung von Infarkten oder der Darstellung kleinster
frischer Infarkte von Vorteil ist. Die Gabe von Kontrastmitteln ist bei Bestehen
von pathologischen Prozessen die Regel, um evtl. weitergehende besonders
differenzialdiagnostische Aussagen zu erhalten.“ (Reiser 2011, S. 556)
In der Neuroradiologie besitzt die MRT eine überragende Bedeutung und wird
daher für nahezu alle Fragestellungen genommen. Die MRT wird z.B bei Fällen
12
mit
Tumorverdacht,
vaskulären
entzündlichen
(Gehirnblutgefäße)
Veränderungen,
Erkrankungen
und
chronischen
akutem
zerebro-
Schlaganfall
genommen. (vgl.Reiser 2011, S.556-557)
Beispiel ZNS: Multiple Sklerose (MS)
Als Bezug zur Praxis habe ich die Multiple Sklerose genommen, da mit dem MRTomographen die Erkrankung des ZNS am besten nachgewiesen werden kann und
der Befund mit diesem bildgeben Verfahren am eindeutigsten ist. So kann bei
vielen Menschen diese Krankheit schon früh diagnostiziert werden.
Abb.13
Multiple Sklerose ist eine Erkrankung des Zentralnervensytems, in deren Verlauf
die schützenden Myelinscheiden zerfallen. Diese umhüllen die Nervenzellen in
Gehirn- und Rückenmark, sodass Impulsübertragung und die Weiterleitung der
Signale im gesamten ZNS gestört werden. Bei der MS wird eine
Autoimmunreaktion ausgelöst, bei der die T-Zellen die Schutzschicht (Myelin)
der Nervenzellen des ZNS als körperfremd einordnen. Die eigentliche Aufgabe
der T-Zellen ist die Bekämpfung von Krankheitserregern, aber bei der MS lösen
sie eine Immunreaktion aus, die zum Zerfall des Myelins führt. (Hrsg. Cheers
2000/2001, S. 191)
13
Abb.12
„Abbildung: Entzündliche Plaques im Gehirn. Die Pfeile zeigen die
Entzündungsherde. (a) T2 gewichtet; (b) T2 gewichtet nach Gabe von Gadolinum.
Das Kontrastmittel reichert sich in frischen Herden an.“ (Kühweidner 2016, 12.
Bild)
„In der MRT finden sich im T2-gewichteten Bild multiple hyperintense (hell)
Herde, die in der weißen Substanz typischerweise periventrikulär [um einen
Ventrikel (Hohlraum des menschlichen Körpers) herum] angeordnet sind. Neben
dem typischen supratentiorellen (oberhalb des Tentoriums, einem Bestandteil der
Hirnhaut) Befall wird häufig auch eine infratentorielle (unterhalb des Tentoriums,
im Kleinhirn) Beteiligung gefunden. Herde in der grauen Substanz kommen
ebebfalls vor.“ (Reiser 2011, S.604) Die Herde sind meist rundlich und relativ
scharf begrenzt. Im T2-Bild weisen frische Herde eine hohe Signalintensität auf,
während alte Herde eine weniger deutliche Signalanhebung aufweisen (Reiser
2011, S.605).
3. Interview mit einem Radiologen (Dr. Heyer vom St. Joseph-Hospital)
Zu den Interviewfragen:
Wie lernt man mit dem MRT umzugehen?
Die Anwendung der MRT ist Teil der Facharztausbildung „Diagnostische
Radiologie“, die insgesamt fünf Jahre dauert. In dieser Zeit muss man mehr als
1000 MRT-Untersuchungen durchgeführt und beurteilt haben. Darüber hinaus
lernen auch die medizinisch-technischen Radiologie-Assistenten in ihrer
dreijährigen Ausbildung den Umgang mit der MRT.
14
Gibt es eine spezielle Schulung?
Neben der Facharztausbildung werden für Radiologen regelmäßig Kurse und
Fortbildungen angeboten, bei denen man neueste Entwicklungen der MRTTechnik vermittelt bekommt.
Was sind die Schwierigkeiten bei einer MRT Untersuchung?
Die MRT ist grundsätzlich eine schonende, strahlenfreie Untersuchungsmethode.
Probleme können allerdings aufgrund der räumlichen Enge im Gerät und wegen
der lauten Klopfgeräusche entstehen. Darüber hinaus empfinden einige Patienten
die lange Untersuchungsdauer von oft mehr als 30 Minuten als Belastung.
Schließlich können Probleme bei Patienten entstehen, die metallische Objekte
(Herzschrittmacher, Medikamentenpumpen u.ä.) im Körper tragen. Diese dürfen
in der Regel nicht im Magneten platziert werden.
Wie werden Kinder auf die Untersuchung psychisch und physisch vorbereitet?
Bei der Untersuchung von Kindern mit der MRT ist es wichtig, ihnen die Angst
vor einer solchen Untersuchung zu nehmen. Das gelingt, indem man ihnen vorher
das Gerät in Ruhe zeigt und die Eltern mit an der Untersuchung teilnehmen lässt.
Des weiteren kann man den Kindern anbieten, während der Untersuchung ein
Hörspiel oder Musik zu hören und ihr eigenes Kuscheltier mitzunehmen. Wir
motivieren die Kinder zusätzlich, indem wir ihnen ein kleines Geschenk nach der
Untersuchung versprechen. Das erspart oft eine medikamentöse Sedierung oder
eine Narkose.
Was sind die Vor- bzw. Nachteile des MRT?
Der große Vorteil der MRT gegenüber allen anderen bildgebenden Verfahren ist
ihr überragender Weichteilkontrast. Des weiteren arbeitet die Methode ohne
schädliche Röntgenstrahlen und kann daher auch bei kleinen Kindern oder bei
Schwangeren angewandt werden. Schließlich ist das Verfahren vollständig
schmerzfrei.
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Wie geht man damit um, wenn ein Patient Platzangst oder andere Ängste im
geschlossenen MRT kriegt?
In vielen Fällen reicht es aus, wenn man den Patienten vorher beruhigt und ihm
anbietet, während der Untersuchung die Augen zu schließen und Musik zu hören.
Auch die Anwesenheit einer anderen Person (Ehepartner, Elternteil, Freund etc.)
im Untersuchungsraum kann Ängste abbauen. In Einzelfällen kann es allerdings
notwendig sein, Medikamente zur Beruhigung zu verabreichen oder sogar eine
Narkose durchzuführen.
Gibt es einen speziellen Fragebogen für die Patienten?
Alle Patienten, bei denen eine MRT durchgeführt werden soll, müssen vorher
einen Fragebogen ausfüllen und unterschreiben, der bestimmte Dinge im Vorfeld
abklärt („Tragen Sie einen Herzschrittmacher?“, „Haben Sie eine
Nierenerkrankung“ etc.)
Gab es schon einmal eine Situation, wo ein Patient/-in nicht in ihr MRT gepasst
hat?
In unserem Institut untersuchen wir hauptsächlich Kinder, daher tritt dieses
Problem kaum auf. Bei erwachsenen Patienten kann es aber vorkommen, dass
jemand deutlich übergewichtig ist und dann nicht im Gerät gelagert werden kann.
Darüber hinaus beträgt die Kapazität unseres Untersuchungstisches maximal 200
kg, d.h. Patienten mit einem Gewicht von über 200 kg können bzw. dürfen nicht
untersucht werden.
Schluss
Ich habe aus meiner Facharbeit mitgenommen, das der MR-Tomograph ein
hochkomplexes Gerät ist, dessen Bestandteile einem hohen technischen Standard
entsprechen und dessen Bedeutung für die Medizin weiter wächst. Außerdem, das
die MRT an vielen Bereichen, wie Organen und anderen Weichteilen angewendet
wird, aber meistens bei Tumoren zum Einsatz kommt. Ich habe vor, mich weiter
über das MRT zu informieren und deren Entwicklungen im Auge zu behalten. Ich
fand die MRT sehr komplex in ihrem Aufbau und Verwendungsmöglichkeiten im
klinischen Alltag. Leider war es mir nicht möglich einen MRT im Original zu
sehen und eine Untersuchung mitzuerleben.
16
Literatur
Bücher
Hrsg. Cheers, Gordon. Lexikon. Körper und Gesundheit. Sonderausgabe.
Mühlenbruch: Tandem Verlag GmbH, 2000/2001 S.50, 51, 191, 294
Hrsg.Dudenreaktion. Das Fremdwörterbuch. 9.Auflage. Duden Band 5.
Mannheim, Leipzieg, Wien, Zürich: Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus
AG, 2009
Hoche, Detlef; Dr. Kühlbeck, Josef; Prof. Dr. habil. Meyer, Lothar; Dr.
Reichswald, Rainer; Dr. Schmidt, Gerd-Dietrich; Dr. Schwarz, Oliver. Physik
Abiturwissen. 2. Auflage. Duden. Mannheim, Leipzieg, Wien, Zürich:
Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, 2007, S.362
Kiefer, Jürgen. Strahlen und Gesundheit. Nutzen und Risiken. 1.Auflage.
Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag & Co. KgaA, 2012, S.51
Nitz, Wolfgang R. MTR-Guide für MTRA/RT, 1.Auflage. Edition Radiopraxis.
Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag Kg, 2012, S.21
Oppelt, Birgit. Pädiatrische Radiologie für MTRA/RT, 1.Auflage. Edition
Radiopraxis. Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag KG, 2010
Reiser, Maximilian; Kuhn, Fritz-Peter; Debus, Jürgen Radiologie, 3. Auflage.
Duale Reihe. Germany: Georg Thieme Verlag KG, 2011, S.63-65, 73, 82, 84, 89,
139, 158-159, 232-234, 258-259, 308, 387-389, 390, 475, 556, 557, 604, 605, 614
Rinck, Peter A.. Magnetresonanz in der Medizin. Lehrbuch des European
Magnetic Resonanz Forum, 5. Auflage. EMRF. Berlin: ABW Wissenschaftsverlag, 2003, S.6, 9,10, 13, 21-24, 27
Silberstein,
Eva;
Schwarzmüller-Erber,
Gabrielle.
Angewandte
Magnetresonanztomographie. Grundlagen und Anwendungen. Wien, Austria:
17
Facultas Verlags- und Buchandel AG, 2010, S.7-10, 9, 10-12, 14, 33-37, 30-46,
62
Wetzke, Martin; Happle, Christine; Giesel, Frederik L.; Zechmann, Christian M .
Bildgebene Verfahren. 4. Auflage. Basics. München:
Elsevier GmbH,
Urban&Fischer Verlag, 2015, S.6-7, 9, 16-17
Bilder
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2. Michaelis, Carlo. Hrsg. Uni-Leibzig. Magnet-Resonanz-Tomographie [online].
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http://www.kliniken-suedostbayern.de/de/leistungsspektrum/praxen-undinstitute/fachaerztezentrum-traunstein/radiologische-praxis/kernspintomographiefaez-traunstein.htm 15.02.16
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Erstellungsdatum unbekannt. http://www.roentgeninstitut.ch/page/MRI%20muskuloskelettal 15.02.16
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Kernspintomographie der Bauchorgane/des Abdomens [online] Erstellungsdatum
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http://www.betaklinik.de/fachrichtungen/neurochirurgie/wirbelsaeule/erkrankunge
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https://www.klinikum.uniheidelberg.de/ShowSingleNews.176.0.html?&no_cache=1&tx_ttnews%5Btt_new
s%5D=5705&cHash=30bb5bdcd182fdd43f4ea719374b50e7 21.02.2016
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6. Anhang
6.1 Geschichte der MRT
Die physikalischen Grundlagen, auf dem die MRT basiert, wurden im Laufe des
letzten Jahrhunderts entdeckt. Danach wurden die ersten Tomographen
entwickelt.
Im Jahr 1924 entdeckte W. Pauli die Hyperfeinaufspaltung in Atomspektren,
auch „Kernspin“ gennant. Drei Jahrzente (1945) später erhielt Wolfgang Pauli
den Nobelpreis für Physik, da er entdeckt hatte, dass die Spektrallinien sich in
sehr
starken
Magnetfeldern
aufspalten.
Ein
Jahr
danach
wurde
die
nuklearmagnetische Resonanz durch Bloch, Purcell und andere entdeckt, indem
sie die Spektroskopie an kondensierter Materie anwendeten. 1948 wurde die
Relaxationstheorie von Purcell, Bloemberg und Pound aufgestellt. Weiterhin
entdeckte Hahn das Kernspin-Echo 1950. 1954 wurde eine Multiechomessung
durch Purcell und Curr durchgeführt. Auch wurde 1965 von Tanner und Stejskal
entdeckt, dass man gepulste Gradienten zur Diffusionsmessung nutzen konnte.
Als nächstes stellte 1971 R. Damadian die unterschiedlichen Relaxationszeiten
für Tumore und gesundes Gewebe fest. Nachdem die Physikalischen Grundlagen
für den MRT entdeckt wurden, wurde bereits getestet, wie das Wissen praktisch
angewendet werden kann. So führte 1973 P. Laurebur die erste MRTSchnittbildaufnahme mittels Projektionsrekonstruktions-methode durch. Zwei
Jahre danach wendete R. Ernst die Fouriertransformation an, um eine
Phasen- und Frequenzkodierung beim MRT zu erreichen. In den folgenden zwei
Jahren wurde zuerst das erste MRT am Menschen und dann eine erste
Ganzkörperaufnahme am Menschen durchgeführt. Ab 1980 wurden die ersten
kommerziellen MRT hergestellt. Während die Entwicklung des MRT-Verfahrens
vor 1980 nur in großen Sprüngen, die Jahrzehnte umfassten, stattfand, so konnte
ab 1980 jedes Jahr der MRT weiterentwickelt werden.
Doch werde ich mich nur auf die wichtigsten Entwicklungen beschränken. Der
erste Tomograph mit einem Widerstandmagneten mit 0,2 Tesla gab es schon 1982
und der erste supraleitende Magnet mit 0,35 Tesla zwei Jahre später. Der erste
mobile MRT-Scanner wurde 1985 durch Haake und Lenz installiert. Besonders
1986 wurde vieles für den MRT entwickelt. An der Universität Freiburg wurde
die RARE (Rapid Acqusition with relaxation Enhancement) Bildgebung und am
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Max-Planck-Institut in Göttingen die FLASH (fast low angle shot)-Sequenz
entwickelt. Auch wurde in diesem Jahr die MR-Angiograhie für TOF/PC erstellt
und zwei Jahre später die MR- Kontrastmittel von Fa. Schering. 1990 wurden die
schnellen Spine-Echo Sequenzen entdeckt und ein Jahr später die funktionelle
MRT. Ab 1994 kamen die offenen MRT- Systeme hinzu, sodass es für diejenigen
Patienten, die in der MRT-Röhre an Klaustrophobie litten, eine Alternative gab.
Eine weitere Art des MRT wurde 1995 kategorisiert und interventionelle MRT
gennant. 1996 wurde ein neues MRT Gerät entwickelt, das Stand-up MRT, bei
dem die Patienten sich nicht mehr hinlegen, sondern stehen konnten. Nachdem
alle Arten von MRT- Geräte entwickelt wurden, wurde dann die Stärke Tesla, des
Magnetfeldes variiert. 1999 gab es einen 3T-Gehirn MRT und 2000 schon einen
3T Ganzkörper MRT. 2004 gab es den ersten 7T MRT in Europa an der
Universität Nottingham, 2007 einen Ultrahochfeldtomograph mit einer Stärke bis
zu 20T für Forschungszwecke und 2008 einen 9,4 starken MRT für das Gehirn.
(vgl.Silberstein 2010, S.2-3)
21
6.2 Physikalische Grundlagen
Materie, und auch wir Menschen, bestehen aus Atomen, die sich jeweils durch
ihren inneren Aufbau unterscheiden. Dies ist die Anzahl der Protonen, Neutronen
und Elektronen, die sich von Element zu Element unterscheiden. Im Kern eines
Atoms sind die positiv geladenen Protonen und ungeladene Neutronen. Um den
Kern kreisen die negativ geladenen Elektronen. Die Kernspinresonanz beruht auf
den physikalischen Eigenschaften der Kerne. Der Kern besitzt ein magnetisches
Moment, denn bewegte Ladungen (Protonen) erzeugen ein Magnetfeld und
umgekehrt (vgl. Rinck, Peter A. 2003, S.6, 9). Die Bewegung der Protonen
kommt durch eine ungleiche Verteilung der Anzahl von Protonen oder Neutronen
im Kern zustande (vgl. Silberstein, Eva 2010, S.9). Diese Art von Atomen hat
einen Eigendrehimpuls und wird Spins gennant.
Abb.1
Um Magnetresonanzsignale zu erhalten, werden Wasserstoffatome genommen,
die im Kern aus einem einzelnen Proton und Neutron bestehen. Außerdem besteht
der Mensch zum größten Teil aus Wasser. Da bietet es sich an, die H-Atome für
die MRT für die MR-Signale zu nehmen. Die MR-Signale wirken auf jedes HAtom einer Zelle, das heißt selbst die Wasserstoffatome der Zellmembran und der
DNA wechselwirken mit dem Radioimpuls. Das Proton rotiert um seine Achse
und erzeugt so ein elektromagnetisches Feld - ähnlich dem eines Stabmagneten.
Larmourfrequenz
Das Proton besitzt noch eine weitere Bewegung, die Präzession. Dies ist eine
kegelförmige Ausgleichsbewegung entlang einer Hauptmagnetfeldachse eines
externen Magnetfeldes und wird als Larmourfrequenz definiert.
WLarmour =y x B0 ,
Wlarmour =Larmourfrequenz in MHz
y=Proportionalitätskonstante [gyromagnetisches Verhältnis (Charakteristische
Konstante eines Atomkerns pro 1Tesla)]
B0 = z-Komponente eines externen Magnetfeldes (Stärke des Magnetfeldes in T)
22
Je höher die Magnetfeldstärke angelegt wird, umso höher ist die Larmorfrequenz
des Protons.
Abb.2
Ausrichtung im Magnetfeld
Ist ein externes Magnetfeld angelegt, so richten sich die meisten Protonen entlang
der Magnetfeldachsen aus und präzedieren. Parallel zum Magnetfeld ist ihr
Niveau energieärmer, als wenn die Protonen antiparallel zu der Richtung des
externen Magnetfeldes ausgerichtet wären. Die Differenz zwischen parallelen und
antiparallelen Protonen nennt man Longitudinalmagnetisierung oder auch
Nettomagnetisierung.
Resonanz
Trifft nun ein elektromagnetisches Wechselfeld, dessen Frequenz auf die
Lamorfrequenz des Protons abgestimmt ist, so kann eine Magnetisierung
quer/transversal zum externen Magnetfeld erreicht werden (vgl. Silberstein 2010,
S.7-10). Der Kern wird so auf ein höheres Energieniveau gehoben.
Anregung
Um die Anregung eines Spins näher zu erläutern, kann es mit einem
makroskopischen System verglichen werden. Bringt man eine kleine Magnetnadel
in den Einflussbereich eines Hufeisenmagneten, so richtet sie sich im Magnetfeld
so aus, das ein Gleichgewichtszustand herrscht. Dreht man die Nadel um 180°,
bringt man sie in eine energiereichere, aber instabile Position. Sobald man den
Finger wegnimmt, dreht sich die Nadel wieder in ihren Gleichgewichszustand
zurück. (Rinck 2003, S.10, 13).
23
Das gleiche Prinzip wird auch bei den Protonen angewandt. Der Winkel um den
das Proton ausgelenkt wird, hängt von Dauer und Stärke des HF-Impulses ab.
Meist wird ein 90° HF-Impuls gegeben, da dann der Spin quer zum externen
Magetfeld ausgerichtet ist.
Abb.4a
Magnetisierung
Es gibt zwei Formen von Magnetisierung von Protonen. Eine ist die
Längsmagnetisierung T1 und die Transversalmagnetisierung T2, die durch den
HF-Impuls induziert wurde. Wird der Impuls abgeschaltet, kehren die Kernspins
langsam in ihre Ausgangsposition zurück. Da zwischen beiden Niveaus eine
Energiedifferenz herrscht, erzeugen die Kernspins ein Induktionsfeld, das
senkrecht zum stationären Magnetfeld steht und dessen Spannungsverlauf über
eine Hochfrequenzspule gemessen wird. Das Gemessene ist also ein elektrisches
Signal mit einer messbaren Frequenz, das als Signal zur Bildentstehung genutzt
wird (vgl. Silberstein 2010, S.10-12, 14).
Abb.4b
T1 und T2
Zuvor
wurde
mit
einem
90°-HF
Anregeimpuls
eine
transversale
Kernmagnetisierung aus der longitudinalen Kernmagnetisierung erzeugt. Danach
präzedieren die Spins nur noch quer zum externen Magnetfeld. Die Protonen
brauchen
eine
gewisse
Zeit,
bis
sich
wieder
eine
longitudinale
Kernmagnetisierung gebildet hat. Dieser Erholungsvorgang heißt Relaxation und
die gewebspezifische Zeitkonstante wird T1 genannt. Der gesamte Mechanismus
24
wird als T1-Relaxation bezeichnet. T1 ist auch bekannt als Spin-Gitter-Relaxation
und die Dauer hängt von der Feldstärke ab. Dem Spin-Sytem wurde Energie
durch die HF-Impulse hinzugefügt und es gibt diese nach Abschalten der HFSpulen ab. Geordnete Strukturen können die Energie dabei leichter abgeben als
ungeordnete Umgebungsstrukturen wie Flüssigkeiten. Diese gewebspezifischen
Eigenschaften werden in der Bildgestaltung berücksichtigt (Nitz 2012, S.21).
„T1 ist definiert als die Zeitdauer, die 63% der Protonen brauchen, um in die
Ausgangsposition zurückzukehren.“( Silberstein 2010, S.12)
Während beim Erholungsvorgang longitudinale Kernmagnetisierungen zunehmen,
nimmt die transversale Kernmagnetisierung ab. Das hängt mit der Dephasisierung
der präzedierenden transversalen Kerne ab, die untereinander wechselwirken.
Dieser Prozess wird Spin-Spin-Relaxation gennant. (Nitz 2012, S.21)
„T2 gibt die Zeitdauer an, in der die Transversalmagnetisierung auf 37% ihres
Ursprungs zurückgegangen ist“. ( Silberstein 2010, S.12)
25
Selbständigkeitserklärung
Ich erkläre hiermit, dass ich die Facharbeit selbstständig angefertigt und nur die
im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
Bochum den 21.02.16
Frauke Küster
26