7 Tesla Magnetresonanztomographie für die Krebsforschung

Die Magnetresonanztomographie verwendet die Magnetfelder, um die Atomkerne im menschlichen Körper im Feld auszurichten. Zwei Drittel aller Atomkerne besitzen ein nicht verschwindendes magnetisches Moment und können daher prinzipiell für die MRT verwendet werden. Wasserstoffkerne (Protonen) sind hierfür besonders gut geeignet, da sie ein vergleichsweise großes magnetisches Moment besitzen, und weil sie im Gewebswasser in hoher Konzentration zur Verfügung stehen. Im Vergleich mit dem Magnetismus, der durch die Elektronen beispielsweise des Eisens hervorgerufen wird, sind die kernmagnetischen Momente jedoch sehr klein – man benötigt daher sehr hohe Magnetfelder, um eine nennenswerte Magnetisierung im Körper zu erzeugen.

Da die kernmagnetischen Momente im Magnetfeld nicht direkt beobachtbar sind, werden sie für die MRT-Messung durch Einstrahlen von Hochfrequenzfeldern aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Diese Auslenkung funktioniert nur dann, wenn die Frequenz der Felder genau auf die Resonanzfrequenz der Kerne abgestimmt ist – daher der Begriff Magnetresonanztomographie. Analog zu einem Kinderkreisel, der um das Schwerefeld der Erde eine Drehbewegung (Präzession) ausführt, präzediert die Kernmagnetisierung nach der Auslenkung um die Richtung des Magnetfeldes. Eine drehende Magnetisierung induziert (ähnlich wie ein rotierender Stabmagnet in einem Dynamo) eine oszillierende Spannung in einer nahe am Patienten angebrachten Hochfrequenzspule – diese sehr schwache Spannung stellt das eigentliche Magnetresonanzsignal dar. Kombiniert man dies noch mit weiteren Magnetfeldern, den sogenannten Gradienten, so kann auch der Ort der Atomkerne bestimmt werden – und ein Bild lässt sich berechnen. Je stärker nun das Magnetfeld ist, desto mehr Signal kann detektiert werden, und umso kleinere anatomische Strukturen lassen sich abbilden.

Da die MRT die Signale der Kerne des Gewebswassers verwendet, ist sie besonders gut geeignet, weiche Gewebe mit hohem Wassergehalt darzustellen. Darüber hinaus kann die MRT die weichen Gewebe aber auch gut voneinander abgrenzen. Je nach Gewebe kehrt die im MRT-Experiment ausgelenkte Magnetisierung mit einer anderen Zeitkonstanten wieder in ihre Ruhelage parallel zum Magnetfeld zurück – dieser Vorgang wird als Relaxation bezeichnet. Die Relaxationszeiten der menschlichen Gewebe variieren im Bereich von hundert Millisekunden bis zu einigen Sekunden, was erst den exzellenten Weichteilkontrast der MRT ermöglicht.

Zur Untersuchung von Krebspatienten

Am DKFZ wird der neue 7 Tesla-Tomograph hauptsächlich zur Untersuchung von Krebspatienten eingesetzt. Ziel der experimentellen Studien ist es herauszufinden, welche neuen Möglichkeiten das stärkere MR-Signal für die Krebsdiagnostik bietet. Schon in den ersten Patientenbildern bei 7 Tesla konnte die räumliche Auflösung der MR-Bilder soweit gesteigert werden, dass Submillimeterstrukturen im Inneren von Tumoren sichtbar werden. Diese Informationen können dazu genutzt werden gezielt nur bestimmte Teile des Tumors zu behandeln, wie beispielsweise bei einer optimierten Strahlentherapie. Aber auch nach einer Therapie können diese Bilder hilfreich sein, wenn beispielsweise das Nachwachsen eines Tumors (Rezidiv) ausgeschlossen werden soll. Neben der Steigerung der Auflösung ändert sich bei höheren Feldern auch der Bildkontrast – so erzeugen beispielsweise Eisenablagerungen, die bei niedrigen Magnetfeldstärken kaum detektierbar sind, bei höheren Feldern starke Signalauslöschungen. Diesen Kontrast kann man nutzen, um Blutungen in Tumoren leichter von vitalem Tumorgewebe differenzieren zu können. Neben der Gewebegestalt (Morphologie) bieten hohe Magnetfelder aber auch Vorteile für funktionelle Messungen, bei denen beispielsweise die Gefäßstruktur (Angiographie) oder die Blutversorgung des Gewebes (Perfusion) gemessen wird. In letzterem Fall wird das stärkere Signal dazu verwendet, um die einzelnen Bilddaten schneller aufzunehmen und so die Passage eines Kontrastmittels besser zu verfolgen. Auch die verschiedenen chemischen Eigenschaften von Tumoren können mithilfe der Magnetresonanzspektroskopie bei 7 Tesla besser untersucht werden, da die verschiedenen Resonanzlinien der Metabolite klarer getrennt werden können. Neben den Protonen geben auch andere Kerne Magnetresonanzsignale ab: so kann beispielsweise mit der Natriumbildgebung die Verteilung des intra- und extrazellulären Natriums untersucht werden, was Hinweise auf die Vitalität von Zellen gibt. Diese Untersuchungen profitieren besonders von den hohen Magnetfeldern, da im Vergleich zu Protonen das Natriumsignal im menschlichen Körper ca. 22.000-fach schwächer ist.

Erste vielversprechende Ergebnisse

Der 7 Tesla-Tomograph ist Teil einer strategischen Allianz zwischen Siemens und dem DKFZ, und wird von den Abteilungen Medizinische Physik in der Radiologie (Ltg: Prof. W. Semmler) und Radiologie (Ltg.: Prof. S. Delorme) gemeinsam betrieben. Darüber hinaus sind an dem Projekt die Universitäten Heidelberg, Freiburg und Würzburg beteiligt. Zurzeit werden in ersten Studien Hirntumorpatienten untersucht. Parallel werden neue Bildgebungsverfahren entwickelt, die an die besonderen Eigenschaften der hohen Magnetfelder angepasst sind, um die 7 Tesla-MR-Tomographie auf den gleichen technischen Stand zu bringen, wie man ihn von herkömmlichen MR-Tomographen gewohnt ist. Die ersten vielversprechenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass in Zukunft die MRT bei hohen Magnetfeldern mehr und mehr Einzug in die Klinik nehmen wird.

Autor

_{PD Dr. rer. nat. Michael Bock, Deutsches Krebsforschungszentrum (dkfz), Abt. Medizinische Physik in der Radiologie (E020), AG Interventionelle Verfahren & 7 Tesla, Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg}