Entwicklungen in der Magnetresonanztomographie

Für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie ging der Nobelpreis für Physiologie/Medizin im Jahr 2003 an zwei Pioniere der MR-Technologie: Paul Lauterbur (University of Illinois) und Sir Peter Mansfield (University of Nottingham). Die der Ehrung zugrunde liegenden Arbeiten lagen zu dem Zeitpunkt allerdings bereits Jahrzehnte zurück.

Rund um die Jahrtausendwende erweiterten erstmals auch volloffene MRT-Geräte – „Stand-up-MRT“, heute „Upright-MRT“ genannt – das Angebot der Untersuchungen per Magnetresonanztomographie. Die Untersuchungen finden dabei in aufrechter Haltung statt (stehend, sitzend oder gebeugt) statt, was eine Diagnostik unter natürlicher Gewichtsbelastung des Körpers ermöglicht. Außerdem bietet dieses Verfahren eine Alternative für Patient:innen und Patienten mit Platzangst, für die eine leichte Sedierung nicht in Frage kommt im Zusammenhang mit einer klassischen MRT.  

Rund um die Jahrtausendwende gab es auch Neuerungen bei der Gefäßdarstellung mit Magnetresonanz-Verfahren. Zum einen etablierten sich periphere MRA mit nur einer einzigen Kontrastmittel-Injektion. Hinzu kam die zeitaufgelöste „4D“-MR-Angiographie. Dabei werden in ausgesprochen kurzen Abständen mehrfach wiederholte sehr schnelle MRA-Sequenzen entwickelt. Daraus folgen nicht nur morphologische Informationen (beispielsweise zum Blutfluss durch Gefäße), sondern auch funktionelle Informationen wie zum Beispiel zur Flussgeschwindigkeit und Strömungsrichtung des Blutes.

Die „Moving-Table-Technik“ lieferte einen weiteren Fortschritt in der Magnetresonanz-Technologie. Ein sich bewegende Behandlungstisch macht es ohne manuelles Verschieben der Spule möglich, Bildvolumina zu erfassen, die das Field-of-View (FOV) überschreiten. So lassen sich – wie in der Computertomographie – größere Bereiche darstellen. Die periphere MRA mit einer einzigen Kontrastmittelinjektion wird möglich. 

Die ersten offenen MRT-Geräte kamen auf den Markt und etablierten sich auch in den radiologischen Praxen. Diese Geräte ermöglichen sensiblen Patient:innen sich nicht mehr in ein enges röhrenförmiges Gerät zu legen, sondern sich alternativ von kreisförmigen Magneten unter und über dem Untersuchungstisch untersuchen zu lassen. Von dieser neuen Technik profitieren seitdem vor allem Menschen mit Platzangst oder auch Kinder.
Allerdings – und das gilt bis heute: Offene MRT-Geräte liefern nicht die gleiche Bildqualität wie hochmoderne geschlossene MRT-Klassiker, doch für viele Untersuchungen reichen diese Geräte absolut aus!

Die kontrastmittel-verstärkte MRA (Magnetresonanz-Angiographie/MRA) löste seit den 90er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts zunehmend die bislang üblichen kontrastmittelfreien Gefäßuntersuchungen ab, um bessere Ergebnisse zu erzielen.

Die MR-Mammographie entwickelte sich in den 90er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts zu einem klinisch sehr nützlichen Verfahren, um Tumoren der weiblichen Brust aufzuspüren.

Die ersten MR-Angiographien (MRA) arbeiteten mit Sequenzen, bei denen das strömende Blut deutlich mehr Signale als das umgebende Gewebe aufwies.

Neue Techniken ermöglichten inzwischen den Einsatz der MRT für die Bildgebung des Herzens. Dahinter steckten enorme technische Anstrengungen, um das Herz in der sehr kurzen Phase ohne Bewegung (Enddiastole) darzustellen. Voraussetzung dafür: Eine Kopplung Herzrhythmus-Messungen durch die Verbindung an ein kontinuierlich im Gerät abgeleitetes EKG.

Erster Todesfall durch ein MRT-Gerät. Der betroffene Patient trug einen Herzschrittmacher, der im MRT-Gerät beschädigt wurde und aussetzte.

Eine Mobilisierung eines Eisensplitters durch das statische Magnetfeld eines MR-Tomographen führte zur Erblindung eines Patienten und damit dem ersten bekanntgewordenen schweren Unfall in der medizinischen MRT. Im selben Jahr trafen zwei fast 50 kg schwere Eisenplatten eine MTA und verletzten sie schwer. Hintergrund: Die Platten waren zu nah an der MRT-Einheit abgestellt worden, die durch den Magneten beschleunigt wurden.

Der Begriff MRT (für Magnetresonanztomographie) löste mehr und mehr die fälschliche Bezeichnung NMR für „Nuclear Magnetic Resonance“ ab, da diese Bezeichnung eine radioaktive Strahlenbelastung assoziierte.

Die Schering AG in Berlin hinterlegte das erste Patent für ein durch MRT-Kontrastmittel. Ende der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts kam dieses Gd-DTPA (Magnevist® = weltweit erstes zugelassenes Gadolinium-haltige Kontrastmittel) auf den Markt. Die Verteilung ähnelte jener der jodhaltigen Röntgenkontrastmittel bei jedoch deutlich besserer Verträglichkeit. Zunächst hatte man geglaubt, die MRT als „Hochkontrastverfahren“ würde keine Kontrastmittel benötigen.

Die Methode gewann immer mehr klinische Akzeptanz etablierte sich zunehmend in der Diagnostik des Zentralen Nervensystems (ZNS). Seinerzeit geschätzte Vorteile neben dem hohen Weichteilkontrast: Fehlende Strahlenbelastung, die Möglichkeit, Bilder in allen Schichtorientierungen anzufertigen, sowie die fehlende Beeinträchtigung der Bildqualität durch die Knochendichte.

Die ersten MRT-Geräte enthielten einen zirkulären Permanentmagneten. Diese bestanden aber aus ferromagnetischem Material und wogen leicht über 100 Tonnen (übrigens einer der Gründe, warum bis heute manche MRT-Abteilung im Keller einer Klinik zu finden ist!). Als Alternative wurden Widerstandsmagneten eingesetzt. Nachteile: Hoher Kühlbedarf für die sich erwärmende Spule bei maximal erreichbarer Feldstärke von 0,3 Tesla (T).

Veröffentlichungen von ersten klinische MRT-Anwendungen aus dem Nordsee-Inselstaat: Eine Unterscheidung zwischen malignen Tumoren und gesundem Gewebe. Ferner gab es erste Vergleiche zur CT, zum Beispiel bei Demyelinisierungen bei der Multiplen Sklerose. Der ermittelte Vorteil der MRT: Deutlich höherer Weichteilkontrast.

Der britische Physiker Peter Mansfield (1933-2017) beschleunigte die Bildakquisition deutlich: Es wurden nunmehr eine ganze Bildzeile gleichzeitig statt eines einzigen Bildpunktes ausgelesen.
Parallel gelangen Ian Robert Young (1932-2019) und Hugh Clow (Geburts- und Todesdatum nicht verzeichnet) – zwei Mitarbeitern der englischen Firma EMI, die die ersten Computertomographen entwickelt hatte –, die ersten Schichtbilder des menschlichen Gehirns per Magnetresonanztomographie.

Raymond Damadian zeigt die erste Abbildung eines Tumors an einem lebenden Tier. Im Folgejahr beschrieb der Schweizer Chemiker Richard Ernst (1933-2021) aus Zürich die Datenakquisition mit der „NMR Fourier-Zeugmatographie“. Diese Grundlagen fließen bis heute in die Technologie der Magnetresonanztomographie (MRT) ein.

Der Mediziner Raymond Damadian (1936-2022) entdeckte anhand von In-vitro-Versuchen, dass sich die Protonenrelaxationszeiten von malignen Tumoren und normalem Gewebe unterscheiden. Er erzeugte allerdings noch keine Schichtbilder, sondern maß mit seiner sogenannten „FONAR“-Technik eindimensionale Relaxationszeiten in unterschiedlichen Geweben.

Bloch und Purcell erhielten für Ihre Magnetfeld-Forschungen den Physik-Nobelpreis.

Der Schweizer Felix Bloch (1905-1983) und der US-Amerikaner Edward Purcell (1912-1997) – beide Physiker – entdeckten unabhängig voneinander, dass bestimmte Atomkerne in einem externen Magnetfeld in der Lage sind, hochfrequente Radiowellen zu absorbieren und legten damit den Grundstein der Kernspintomographie; heute Magnetresonanztomographie (MRT) genannt.

Nikola Tesla (1856-1943), ein außergewöhnlicher Visionär, entwickelt das Radio und den Wechselstrom. Neben seiner im Laufe seines bewegten Lebens über 700 angemeldeten Patenten beschrieb er die Entstehung und die Wirkung von Magnetfeldern. Die heutige international verwendete Einheit für die Stärke eines Magnetfeldes (Tesla) geht auf ihn zurück.

Jean-Baptiste Fourier (1768-1830), ein enger Vertrauter von Napoleon Bonaparte und einer der bedeutendsten Mathematiker seiner Zeit, beschrieb die nach ihm benannte Fourier-Transformation und damit die Basis einer späteren Bildgebung per MRT.