Magnetresonanztomographie verwendet extrem starke Magnete

Ein Magnetresonanztomographie-Scanner, wie man ihn aus einer radiologischen Praxis kennt, benötigt ein starkes, gleichförmiges Magnetfeld. In der Medizin benutzt man MRT-Geräte mit einer Feldstärke von bis zu 3 Tesla – das ist etwa 100.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld. Am MPI für biologische Kybernetik gibt es daneben auch zwei MRT-Geräte mit 9,4 bzw. 14,1 Tesla. Solche starken Magnetfelder zu erzeugen erfordert einiges an Aufwand; deswegen sind MRT-Geräte meist sehr groß, schwer und teuer. Wieso muss das sein? Werfen wir dazu einen Blick auf die Prinzipien von MRT.

MRT nutzt die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen, vor allem von Wasserstoff. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aus einem Proton, das sich ähnlich wie eine Kompassnadel am starken Magnetfeld des MRT-Scanners ausrichtet. Durch hochfrequente elektromagnetische Impulse werden diese Protonen kurzzeitig aus ihrer Ausrichtung gebracht. Wie ein Kreisel taumeln sie dann um ihre eigene Achse und richten sich allmählich wieder am Magnetfeld des Scanners aus.
Dabei senden die Protonen magnetische Signale aus, die vom Scanner erfasst werden. Wenn am Ende wieder alle in die Richtung des Magnetfelds zeigen, kann man ein starkes Signal in diese Richtung messen. Bis es soweit ist, dauert es je nach Gewebetyp unterschiedlich lange. So kann man zum Beispiel graue und weiße Substanz im Gehirn gut voneinander unterscheiden.

Je stärker der Magnet, desto besser das Bild

Aber es gibt auch noch einen anderen Trick: Während direkt nach der Auslenkung die „Protonenkreisel“ noch alle im Gleichtakt taumeln, werden mit der Zeit manche schneller, andere langsamer. Das liegt zum Beispiel daran, dass sie sich gegenseitig beeinflussen. Dadurch löschen sich die Signale zum Teil gegenseitig aus; das Signal, das quer zum Magnetfeld gemessen wird, wird immer schwächer. Bei Knochen geht das sehr schnell, bei Wasser oder Blut dauert es länger.
Der Clou bei beiden Methoden: Je stärker das Magnetfeld des Scanners, um so stärker ist das Signal, das die Atomkerne aussenden. Ein doppelt so starkes Magnetfeld sorgt für eine vierfache Signalstärke, ein dreimal so starkes sogar für die neunfache Stärke. Daher liefern Hochfeld-MRT-Geräte wie die am MPI für biologische Kybernetik besonders präzise Bilder.
Forschende in der Abteilung Hochfeld-Magnetresonanz unter Leitung von Klaus Scheffler arbeiten daran, MRT schneller und präziser zu machen. Eine Aufgabe ist zum Beispiel, das starke Magnetfeld noch gleichmäßiger zu machen. Daneben entwickeln sie hochspezialisierten Sende- und Empfangsvorrichtungen für die magnetischen Signale. Und wie geht man mit Bildfehlern um, die zum Beispiel durch Bewegungen der Patient*innen entstehen? Auch Künstliche Intelligenz kommt bei der Erforschung solcher Fragen zum Einsatz.

Günstigere, transportable Alternativen am Horizont

Übrigens: Auch Niederfeld-MRT wird am MPI für biologische Kybernetik entwickelt. Dieses Verfahren kommt mit viel schwächeren Magnetfeldern aus, deren Feldstärke oft vergleichbar mit dem Erdmagnetfeld ist. Möglich ist das dank sogenannter Hyperpolarisation: Während üblicherweise ungefähr die Hälfte der Atomkerne zum Nord- und die andere zum Südpol des Magnetfelds zeigt, entscheidet sich in einer hyperpolarisierten Materialprobe die Mehrheit der Kerne für denselben Pol. Dadurch wird das messbare MRT-Signal viel stärker.
Ohne die starken Magneten können MRT-Scanner so viel kostengünstiger und transportabler werden. So könnten sie eines Tages mobil eingesetzt werden, zum Beispiel bereits im Krankenwagen. Niederfeld-MRT-Scanner haben auch das Potential, eine kostengünstige Diagnostikmethode zu werden.