Magnetresonanztomographie (MRT)

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Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein medizinisches Gerät, das ein Magnetfeld und die natürliche Resonanz von Atomen im Körper verwendet, um Bilder von menschlichem Gewebe zu erhalten. Das Grundgerät wurde erstmals 1945 entwickelt und die Technik seitdem stetig verbessert. Mit der Einführung von Hochleistungscomputern ist die MRT zu einem wichtigen Diagnosegerät geworden. Es ist nicht invasiv und kann im Gegensatz zu anderen medizinischen Bildgebungsgeräten Bilder von Weich- und Hartgewebe aufnehmen. Die MRT wird hauptsächlich verwendet, um die inneren Organe auf Anomalien wie Tumoren oder chemische Ungleichgewichte zu untersuchen.

Verlauf

Die Entwicklung der Magnetresonanztomographie (MRT) begann mit Entdeckungen in der Kernspinresonanz (NMR) in den frühen 1900er Jahren. Zu diesem Zeitpunkt hatten Wissenschaftler gerade erst damit begonnen, die Struktur des Atoms und die Natur des sichtbaren Lichts und der ultravioletten Strahlung bestimmter Substanzen zu erforschen. Die magnetischen Eigenschaften des Atomkerns, die die Grundlage für die NMR bilden, wurden 1924 von Wolfgang Pauli demonstriert.

Das erste grundlegende NMR-Gerät wurde 1938 von I. I. Rabi entwickelt. Dieses Gerät war in der Lage, Daten über die magnetischen Eigenschaften bestimmter Substanzen zu liefern. Es litt jedoch unter zwei wesentlichen Einschränkungen. Erstens konnte das Gerät nur gasförmige Stoffe analysieren und zweitens konnte es nur indirekte Messungen dieser Stoffe liefern. Diese Einschränkungen wurden 1945 überwunden, als zwei Wissenschaftlergruppen unter der Leitung von Felix Bloch und Edward Purcell unabhängig voneinander verbesserte NMR-Geräte entwickelten. Diese neuen Geräte erwiesen sich für viele Forscher als nützlich, da sie es ihnen ermöglichten, Daten zu vielen verschiedenen Arten von Systemen zu sammeln. Nach weiteren technologischen Verbesserungen konnten Wissenschaftler mit dieser Technologie Mitte der 1960er Jahre biologisches Gewebe untersuchen.

Bald folgte der Einsatz der NMR in der Medizin. Die frühesten Experimente zeigten, dass NMR zwischen normalem und krebsartigem Gewebe unterscheiden konnte. Spätere Experimente zeigten, dass viele verschiedene Körpergewebe durch NMR-Scans unterschieden werden konnten. 1973 wurde ein bildgebendes Verfahren entwickelt, das NMR-Daten und Computerberechnungen der Tomographie verwendet. Es lieferte das erste Magnetresonanzbild (MRT). Konsequenterweise wurde dieses Verfahren zur Untersuchung einer Maus verwendet und es resultierte bei einer erforderlichen Testzeit von mehr als einer Stunde ein Bild der inneren Organe der Maus. Einige Jahre später folgte die menschliche Bildgebung. Seitdem wurden verschiedene technologische Verbesserungen vorgenommen, um die erforderliche Scanzeit zu reduzieren und die Auflösung der Bilder zu verbessern. Die bemerkenswertesten Verbesserungen wurden bei der dreidimensionalen Anwendung der MRT erzielt.

Hintergrund

Die grundlegenden Schritte einer MRT-Messung sind einfach. Zunächst wird der Patient in ein starkes konstantes Magnetfeld gelegt und von mehreren Spulen umgeben. Anschließend wird das System mit Hochfrequenzstrahlung (RF) bestrahlt, wodurch bestimmte Atome im Patienten in Resonanz geraten. Wenn die HF-Strahlung ausgeschaltet wird, schwingen die Atome weiter. Schließlich kehren die schwingenden Atome in ihren natürlichen Zustand zurück und emittieren dabei eine Hochfrequenzstrahlung, die ein NMR-Signal ist. Das Signal wird dann durch einen Computer verarbeitet und in ein visuelles Bild des Patienten umgewandelt.

Die NMR-Signale, die von den Körperzellen ausgesendet werden, werden hauptsächlich von den Protonen der Zellen erzeugt. Frühe MR-Bilder wurden ausschließlich auf der Grundlage der Konzentration von Protonen in einem bestimmten Gewebe erstellt. Diese Bilder lieferten jedoch keine gute Auflösung. Die MRT wurde viel nützlicher, um ein inneres Bild des Körpers zu erstellen, wenn ein Phänomen berücksichtigt wurde, das als Relaxationszeit bekannt ist, die Zeit, die die Protonen brauchen, um ihr Signal auszusenden. In allen Körpergeweben gibt es zwei Arten von Relaxationszeiten, T1 und T2, die festgestellt werden können. Unterschiedliche Gewebearten weisen unterschiedliche T1- und T2-Werte auf. Zum Beispiel hat die graue Substanz im Gehirn einen anderen T1- und T2-Wert als das Blut. Unter Verwendung dieser drei Variablen (Protonendichte, T1- und T2-Wert) kann ein hochaufgelöstes Bild erstellt werden.

MRT wird am häufigsten verwendet, um Bilder des menschlichen Gehirns zu erstellen. Es ist für diesen Bereich besonders nützlich, da es zwischen Weichteilen und Läsionen unterscheiden kann. Neben strukturellen Informationen ermöglicht die MRT eine funktionelle Bildgebung des Gehirns. Funktionelle Bildgebung ist möglich, weil, wenn ein Bereich des Gehirns aktiv ist, der Blutfluss zu diesem Bereich ansteigt. Wenn die Scans mit ausreichender Geschwindigkeit durchgeführt werden, kann man sogar sehen, wie sich Blut durch die Organe bewegt. Eine weitere Anwendung der MRT ist die Bildgebung des Muskel-Skelett-Systems. Verletzungen von Bändern und Knorpel in den Gelenken der Knie, Handgelenke und Schulter sind mit MRT gut sichtbar. Dies macht herkömmliche invasive Operationen überflüssig. Eine sich entwickelnde Anwendung für MRT ist die Verfolgung von Chemikalien durch den Körper. Bei diesen Scans werden NMR-Signale von Molekülen wie Kohlenstoff 13 und Phosphor 31 empfangen und interpretiert.

Rohstoffe

Zu den wichtigsten Funktionsteilen eines MRT-Systems gehören ein externer Magnet, Gradientenspulen, HF-Ausrüstung und ein Computer. Andere Komponenten umfassen eine HF-Abschirmung, ein Netzteil, eine NMR-Sonde, eine Anzeigeeinheit und eine Kühleinheit.

Der Magnet, der verwendet wird, um das konstante externe Magnetfeld zu erzeugen, ist das größte Teil eines MRT-Systems. Um nützlich zu sein, muss der Magnet in der Lage sein, ein stabiles Magnetfeld zu erzeugen, das ein bestimmtes Volumen oder eine bestimmte Schicht des Körpers durchdringt. Es gibt drei verschiedene Arten von Magneten. Ein Widerstandsmagnet besteht aus dünnen Aluminiumbändern, die in einer Schleife gewickelt sind. Wenn Strom um die Schleife herum geleitet wird, wird ein Magnetfeld senkrecht zur Schleife erzeugt. In einem MRT-System werden vier Widerstandsmagnete senkrecht zueinander platziert, um ein konsistentes Magnetfeld zu erzeugen. Da Strom durch die Schleife geleitet wird, erzeugt der Widerstand der Schleife Wärme, die von einem Kühlsystem abgeführt werden muss.

Supraleitende Magnete haben nicht die gleichen Probleme und Einschränkungen wie der Widerstandsmagnet. Supraleitende Magnete sind Ringmagnete aus einer Niob-Titan-Legierung in einer Kupfermatrix, die mit flüssigem Helium und flüssigem Stickstoff unterkühlt werden. Bei diesen niedrigen Temperaturen gibt es fast keinen Widerstand, sodass nur sehr wenig Strom benötigt wird. Dieser Magnet ist im Betrieb kostengünstiger als der Widerstandstyp, und es können größere Feldstärken erzeugt werden. Der andere verwendete Magnettyp ist ein Permanentmagnet. Es besteht aus einem ferromagnetischen Material, ist ziemlich groß und benötigt keinen Strom zum Betrieb. Es bietet auch mehr Flexibilität beim Design des MRT-Systems. Die Stabilität des Magnetfelds, das der Permanentmagnet erzeugt, ist jedoch fraglich, und seine Größe und sein Gewicht können unerschwinglich sein. Obwohl jede dieser unterschiedlichen Magnetarten Magnetfelder mit unterschiedlicher Stärke erzeugen kann, wurde noch keine optimale Feldstärke gefunden.

Um ein Verfahren zum Decodieren des von einer Probe empfangenen NMR-Signals bereitzustellen, werden Magnetfeldgradienten verwendet. Typischerweise werden drei Sätze von Gradientenspulen verwendet, um Daten in jeder der drei Dimensionen bereitzustellen. Wie die Primärmagnete bestehen diese Spulen aus einer Leiterschleife, die ein Magnetfeld erzeugt. Im MRT-System werden sie um den Zylinder gewickelt, der den Patienten umgibt.

Das HF-System hat verschiedene Rollen in einem MRT-Gerät. Erstens ist es für die Übertragung der HF-Strahlung verantwortlich, die die Atome dazu bringt, ein Signal auszusenden. Als nächstes empfängt es das ausgesendete Signal und verstärkt es, damit es vom Computer manipuliert werden kann. HF-Spulen sind die wichtigsten Hardwarekomponenten des HF system. Sie sind so konstruiert, dass sie ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Dieses Feld veranlasst Atome in einem definierten Bereich, HF-Strahlung zu absorbieren und dann ein Signal auszusenden. Neben dem Senden des HF-Signals können die Spulen auch das Signal des Patienten empfangen. Je nach Typ des MRT-Systems wird entweder eine Sattel-RF-Spule oder eine Magnet-RF-Spule verwendet. Die Spule wird normalerweise neben dem Patienten positioniert und ist so konstruiert, dass sie dem Patienten passt. Um HF-Störungen zu reduzieren, wird ein Aluminiumblech verwendet.

Das letzte Glied im MRT-System ist ein Computer, der die gesendeten Signale steuert und die empfangenen Signale verarbeitet und speichert. Bevor das empfangene Signal vom Computer analysiert werden kann, wird es durch einen Analog-Digital-Wandler übersetzt. Wenn der Computer Signale empfängt, führt er verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen durch, erstellt eine Zahlenmatrix, die zum Speichern geeignet ist, und baut mit einem Fourier-Transformator eine visuelle Anzeige auf.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die einzelnen Komponenten eines MRT-Systems werden typischerweise separat gefertigt und dann zu einer großen Einheit zusammengebaut. Diese Einheiten sind extrem schwer und wiegen manchmal über 100 Tonnen (102 Tonnen).

Magnet

• 1 Die am häufigsten verwendeten Magnete in einem MRT-System sind supraleitende Elektromagnete. Diese können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, aber das grundlegende Design umfasst eine Spule aus leitfähigem Draht, ein Kühlsystem und eine Stromversorgung. Die Spulen werden durch Wickeldraht hergestellt, der aus Filamenten einer in Kupfer eingebetteten Niob-Titan-Legierung in einer großen Schleife besteht. Um das erforderliche Magnetfeld zu erzeugen, werden mehrere Spulen verwendet. In einem Systemtyp werden acht Spulen verwendet, sechs zum Erzeugen des primären Magnetfelds und zwei zum Kompensieren des überschüssigen Felds.
• 2 Die Spulen werden in ein Gefäß mit flüssigem Helium getaucht. Dadurch wird die Temperatur auf ein Niveau reduziert, das sie supraleitend macht. Um die Temperatur stabil zu halten, ist das Gefäß von zwei weiteren Gefäßen umgeben, die andere Kühlmittel wie flüssigen Stickstoff enthalten. Diese Konstruktion wird dann mit dünnen Stäben in einem vakuumversiegelten Behälter aufgehängt. An die Magnetspulen wird eine Stromversorgung angeschlossen, die nur verwendet wird, wenn der Magnet mit Strom versorgt werden muss. Der Magnet wird an der Patientenliege befestigt, einem Schiebetisch, der den Patienten in das Magnetfeld bringt.

Gradientenspulen

• 3 Die Gradientenspulen sind widerstandsfähige Elektromagnete. In einem MRI-System gibt es typischerweise drei Sätze von Gradientenspulen. Jede Spule wird durch Wickeln dünner Kupfer- oder Aluminiumstreifen in einem bestimmten Muster hergestellt. Den Spulen wird Festigkeit verliehen, indem ein Epoxid in ihre Struktur eingebracht wird. Die Größe dieser Spulen bestimmt die Breite der Öffnung, in die der Patient gelegt wird. Da eine kleinere Spule weniger Energie benötigt, muss diese Breite groß genug sein, um Klaustrophobie beim Patienten zu verhindern, aber klein genug, um eine angemessene Menge an Elektrizität zu benötigen. Diese Gradientenspulen sind typischerweise abgeschirmt, um störende Wirbelströme zu verhindern.

Funksystem

• 4 Die elektronischen Komponenten des HF-Systems können von externen Lieferanten bereitgestellt und vom MRT-Hersteller montiert werden. Diese Komponenten sind an den HF-Spulen befestigt, die in unterschiedlichen Ausführungen hergestellt werden. Die Sender- und Empfängerspulen bestehen aus den gleichen Materialien wie die Gradientenspulen. Sie sind auch ähnlich wie der Hauptmagnet aufgebaut. Sie bestehen jedoch aus einer Schleife aus leitfähigem Material wie Kupfer, die ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen kann. Eine Art von HF-Spule ist eine Oberflächenspule, die kreisförmig geformt ist und direkt am Patienten angebracht wird. Eine andere Art ist die Sattelspule. Diese können entweder direkt in die Magnetbohrung eingepasst oder zu einer Vogelkäfigspule geformt und direkt in die Gradientenspulen platziert werden. Jeder Spulentyp ist an eine Stromquelle angeschlossen.

Computer

• 5 Der Computer wird von Computerherstellern geliefert und für die Verwendung in einem MRT-System modifiziert und programmiert. Daran angeschlossen sind die Bedienoberfläche, der Fourier-Übertrager, der Signalwandler und ein Vorverstärker. Ein Anzeigegerät und ein Laserdrucker sind ebenfalls enthalten.

Endmontage

• 6 Jede der Komponenten des MRT wird zusammengebaut und in einem geeigneten Rahmen platziert. Die Montage kann im Werk oder vor Ort erfolgen, wo das System eingesetzt wird. In jedem Fall erfordert die Natur des Magneten typischerweise besondere Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung, wie beispielsweise den Transport in einem luftgefederten Fahrzeug.

Qualitätskontrolle

Die Qualität jedes herzustellenden MRT-Systems wird durch visuelle und elektrische Kontrollen während des gesamten Produktionsprozesses sichergestellt. Die Leistung des MRT wird getestet, um sicherzustellen, dass es richtig funktioniert. Diese Tests werden unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wie übermäßiger Hitze und Feuchtigkeit durchgeführt. Die meisten Hersteller legen ihre eigenen Qualitätsvorgaben für die von ihnen hergestellten MRT-Systeme fest. Standards und Leistungsempfehlungen wurden auch von verschiedenen medizinischen Organisationen und Regierungsbehörden vorgeschlagen.

Die Zukunft

Der Fokus der aktuellen MRT-Forschung liegt auf Bereichen, die die Verbesserung der Scanauflösung, die Reduzierung der Scanzeit und die Verbesserung des MRT-Designs umfassen. Die Verfahren zum Verbessern der Auflösung und Verkürzen der Abtastzeit beinhalten das Verringern des Signal-Rausch-Verhältnisses. In einem MRT-System wird Rauschen durch zufällig erzeugte Signale verursacht, die das interessierende Signal stören. Ein Verfahren zum Reduzieren besteht darin, eine hohe magnetische Feldstärke zu verwenden. Verbesserte Designs für MRT-Systeme werden auch dazu beitragen, diese Interferenzen zu reduzieren und das mit Elektromagneten verbundene Rauschen zu verringern. Zukünftig sollen MRT-Aufnahmen in Echtzeit verfügbar sein.