Den Knoten gelöst

Findige Wissenschaftler am Institut für Biomedizinische Technik in Zürich propagieren propagierende Wellen und stoßen damit ein völlig neues Tor für die Bildgebung in der MRI-Diagnostik auf.

Hersteller und Anwender von Magnetresonanz-Imaging-Systemen (MRI) mussten sich bislang mit folgender Einschränkung abfinden: Ab einer Feldstärke von mehr als drei Tesla lieferten die MRI-Geräte nur Abbildungen von deutlich begrenzter Qualität. Doch kürzlich hatte David Brunner, Doktorand am Institut für Biomedizinische Technologie in Zürich, die zündende Idee, wie dieses Ärgernis zu überwinden ist. Als er bei einem Kollegen undeutliche MRI-Bilder von Händen sah, nahm er so genannte „Rückfaltungsartefakte” wahr, die von Objekten außerhalb des Detektors herrühren mussten. Er beschloss, dem Phänomen auf den Grund zu gehen. Offenbar wurden nicht nur Signale aus der Nähe erfasst, sondern auch solche aus einiger Entfernung vom Detektor aufgezeichnet. „Das ist nur möglich, wenn sich die Signale fortbewegen, die Wellen also propagieren” lautete der Reim, den sich Brunner auf die Sache machte.

Zusammen mit Professor Klaas Prüssmann und weiteren Kollegen an der Universität und der ETH Zürich begann Brunner daraufhin, nach den idealen Bedingungen für eine MRI-Anwendung auf Basis propagierender Wellen zu suchen. Dazu bedurfte es eines geeigneten Wellenleiters mit einem ausreichend großen Durchmesser, der die gewünschte Fortpflanzung der Wellen gestattet. Für die notwendigen Experimente musste das Wissenschaftlerteam keine langen Wege machen, denn am eigenen Institut befindet sich eine MRI-Anlage mit einer Feldstärke von sieben Tesla. Die 35-Tonnen-Magnetröhre liefert Resonanzsignale mit einer Frequenz von 300 Megahertz (MHz). Die elektrisch leitende Schicht im Inneren der Röhre erlaubt es, kurze, zehn Zentimeter lange Wellen zu erzeugen (siehe Kasten). Die Öffnung für die Patienten hat einen Durchmesser von 58 Zentimetern und bietet den Wellen daher genügend Raum zur Ausbreitung. Die propagierenden Wellen durchlaufen diesen Wellenleiter praktisch verlustfrei und durchdringen das zu untersuchende Objekt. Die Signale werden dann von einer speziellen Antenne aufgezeichnet und in hoch aufgelöste und ungewöhnlich gut ausgeleuchtete MRI-Bilder umgewandelt.

Vom Nahfeld zur Antenne
Beim Magnetresonanz-Imaging (MRI) werden die Wellen durch Anregung von Wasserstoffkernen im Gewebe eines Organismus erzeugt. Die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden klinischen MRI-Geräte arbeiten dabei mit stehenden Wellen. Die Feldstärke dieser Systeme liegt meist im Bereich von 1,5 Tesla und die Resonanzfrequenz beträgt 64 Megahertz (MHz). Zur Bilderzeugung wird die so genannte Nahfeldkopplung eingesetzt. Für den zu untersuchenden Patienten bedeutet das: Der Detektor muss so nah wie möglich am Körper platziert werden. Das empfinden die meisten Menschen als unangenehm.

Um auf größeren Abstand gehen zu können, muss man die Feldstärke hochfahren. Stärkere Magnete und damit höhere Frequenzen liefern im Prinzip auch kontrastreichere und höher aufgelöste Bilder, aber Anregung und Detektion werden problematisch. Im Bereich von sieben Tesla beispielsweise ist die Wellenlänge mit etwa zehn Zentimetern so kurz, dass alle fünf Zentimeter ein Knoten entsteht. An diesen Knotenpunkten erhält man keine Bildinformation. Das bedeutet für Strukturen, die größer als diese Wellenlänge sind, wie der Kopf, Fuß oder die Hand eines Menschen, dass sie nicht voll ausgeleuchtet werden. Bei der Verwendung stehender Wellen und hoher Feldstärken blieb das Problem der Ausleuchtung folglich aus physikalischen Gründen unlösbar. Die Forscher in Zürich haben nun die Lösung des Problems gefunden: Anders als bei stehenden treten bei sich fortpflanzenden Wellen keine Knotenpunkte auf. Dadurch lassen sich Körperstrukturen kontrastreich und gleichmäßig ausleuchten. Um die Signale der schwingenden Atomkerne bis zu einer Entfernung von drei Metern empfangen zu können, musste allerdings ein neuartiger Detektor gebaut werden, der die Signale wie eine Antenne auffangen kann.

Von Kopf bis Fuß
„Dass man MRI-Signale mit einer Antenne und in so großem Abstand vom Körper empfängt, war bis anhin undenkbar”, verdeutlicht Professor Prüssmann den erreichten Fortschritt. Mit den neu entworfenen Detektoren ist es bereits gelungen, Körperteile von Versuchspersonen aus einer Distanz von fast einem Meter abzubilden. Wie erhofft, haben die ersten Aufnahmen von Unterschenkel und Fuß eines Probanden eine wesentlich bessere Abdeckung als bisher.

Im Übrigen sind propagierende Wellen nicht nur für medizinische Anwendungen interessant. Man könnte mit ihnen auch zahlreiche Materialproben oder Versuchtiere synchron untersuchen. Bis die innovativen Bildgebungs-Geräte allerdings reif für den Routineeinsatz an Krankenhäusern sind, wird noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig sein. Mit der Feststellung „noch sind die Kosten der starken Magnete zu hoch und der klinische Nutzen muss zuerst in Vorstudien bewiesen werden” dämpft der Bioimaging-Spezialist Prüssmann vorschnelle Erwartungen. Doch wenn diese Hürden überwunden sind, dann heißt es: Ausgezeichnete MRI-Bilder sind machbar – ohne Beengungsgefühle und von Kopf bis Fuß. – Dr. Helmut Bruckner -

Wellenspiel
Zur Verdeutlichung: In Luft sind die Wellen hundert, im wasserreichen Gewebe dagegen nur die im Text angegebenen zehn Zentimeter lang. Der Unterschied erklärt sich aus der hohen dielektrischen Konstante des Wassers. Die Verkürzung der Wellenlänge ist nicht durch die leitfähige Schicht bedingt, sondern durch die Materialeigenschaft. Das Problem ist aber, dass die Welle innerhalb der leitfähigen Schicht propagieren muss. Das passiert nur, wenn der Durchmesser der Röhre groß genug und die Frequenz hoch genug ist. Das ist absolut neu, denn auf 1,5 Tesla und 3 Tesla oder chemischen NMR-Systemen mit kleinen Bohrungen ist eben diese Propagation nicht möglich, da die Frequenz zu tief und der Wellenleiter zu klein ist.