Physikalische Grundlagen

Die MR-Technik basiert auf dem Spin MR-aktiver Nuclei. Unter "Kernspin" versteht man einen Netto-Eigendrehimpuls von Atomkernen um ihre Längsachse (vergleichbar mit der Erde). Diese Eigenschaft besitzen Atomkerne mit einer ungeraden Zahl von Protonen. Der einfachste Atomkern mit Kernspin ist der Wasserstoffkern (H⁺) welcher auch im Körper am häufigsten vorkommt. Die MRT wird daher auch als "Protonenimaging" bezeichnet.

Für die Medizin weitere wichtige Elemente sind P³¹, C¹³, F¹⁹ und Na²³ die für Untersuchungen des Stoffwechsels und in der Infarkt- und Tumordiagnostik verwendet werden.

Abb. 1: die Drehung eines Protons ähnelt der der Erde und erzeugt dabei ein Magnetfeld

Ein Proton (Wasserstoffkern) dreht sich ähnlich der Weltkugel um eine Achse. Diese Eigenrotation der elektrischen Ladung erzeugt ein geringes Magnetfeld, d.h. der Atomkern stellt einen magnetischen Dipol dar (Abb. 1).

Die Drehachsen der magnetischen Dipole sind ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds zufällig im Raum orientiert (Abb. 2a), so dass sich die magnetischen. Momente ausgleichen. Werden nun die Atomkerne einem hohen statischen Magnetfeld ausgesetzt, so richten sich die Kernspins im Magnetfeld aus und beginnen sich wie Kreisel um die Feldachsen zu bewegen. Die Ausrichtung der Kerne kann parallel (energetisch günstig da niedrigeres Energieniveau) oder antiparallel (energetisch ungünstig da höheres Energieniveau) erfolgen. (Abb. 2b)

		parallele Ausrichtung antiparalle Ausrichtung

Abb. 2a Abb. 2b

Die transversalen Vektorkomponenten der Spins heben sich gegenseitig auf. Nur die longitudinalen Komponenten kompensieren sich nicht vollständig, wobei der Anteil der energetisch günstigeren parallel ausgerichteten Kerne überwiegt. Daraus ergibt sich ein Nettomagnetisierungsvektor M₀, der allerdings einer Messung nicht ohne weiteres zugänglich ist. (Abb.3,4)

Abb. 3 : Einzelspins Abb. 4 : Gesamtmagnetisierungsvektor

Die Wasserstoffkerne, die den “Netto-Magnet-Vektor“ (NMV) bildet, dreht sich um die eigene Achse und zusätzlich um die Achse von B0. Diese Rotation des Protonenspins um die Achse des äußeren magnetischen Felds B0 nennt man Präzession, die Bahn, auf der sich der Wasserstoffkern bewegt Präzessions-Weg und die Geschwindigkeit, mit der er um B0 kreist, Präzessions-Frequenz oder Lamor-Frequenz. Die Präzessions-Frequenz hängt außer von kernspezifischen Faktoren zusätzlich auch noch von der örtlichen Feldstärke des angelegten Magnetfeldes ab. (Abb. 5)

Abb. 5 : Präzessions-Frequenz

Im rechten Winkel zu B0 wird nun elektromagnetische Strahlung im Radiofrequenzbereich (High Frequency oder HF-Impuls) eingestrahlt. Nur wenn die Frequenz des eingestrahlten HF-Impulses mit der der Lamor-Frequenz (Präzessions-Frequenz) übereinstimmt, kann von den präzedierenden Spins Energie aufgenommen werden. Durch den HF-Impuls präzedieren die magnetischen Momente nicht mehr ungeordnet sondern synchron (in Phase) und klappen je nach Dauer und Stärke des HF-Impulses zunehmend in den höherenergetischen, zu B0 antiparallelen Zustand um (Abb. 6).

Abb. 6 : Umklappen eines Einzelspins Abb. 7 : Umklappen des Gesamtmagnetisierungsvektors

Da das Umklappen zugleich mit der Präzessionsbewegung stattfindet, bewegt sich der Nettomagnetisierungsvektor M0 in einer Spirallinie in die Transversalebene (Abb. 7). Der Winkel zwischen M0 und der Hauptachse B0 wird als Flipwinkel bezeichnet. Sind genau die Hälfte der Spins in die antiparallele Lage umgeklappt, spricht man vom 90° Impuls. Auf Grund dessen verringert sich die Größe der Längsmagnetisierung auf Null. Die durch Aufbau der Phasierung entstandene Magnetisierung in der Mxy-Ebene wird als Quermagnetisierung bezeichnet. Das heißt: der NMV wird, abhängig von der Energie des eingestrahlten HF-Pulses, aus seiner zu B0 parallelen Richtung ausgelenkt. Dieses Phänomen der Phasenkohärenz wird als Magnetresonanz bezeichnet (Abb. 8).

Abb. 8b : durch die Einstrahlung eines 90°-Impulses reduziert sich die Längsmagnetisierung auf Null (Mz = 0) und die Quer-magnetisierung erreicht ihr Maximum
(Mxy = max)

Abb. 8a : die im Magnetfeld ausgerichteten Spins erzeugen eine Magnetisierung in der z-Ebene (Mz = max); die Quer-magnetisierung ist Null (Mxy = 0)

Betrachtet man nun die Quermagnetisierung Mxy eines kleinen Volumenelementes (Voxel), so rotiert sie in der xy-Ebene und strahlt dabei wie ein kleiner Sender elektromagnetische Energie ab (Abb. 9), die in einer in 90° zur Rotationsebene der Quermagnetisierung Mxy positionierten Empfangsspule eine Spannung und damit ein messbares Signal induziert .