Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 15.05.17


NMR als bildgebendes Verfahren (Tomographie)

Vortrag von Edith Funk im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 04


Gliederung:


1 Einleitung

Die moderne Medizin verfügt über zahlreiche diagnostische Methoden, um einen Blick in das Innere des menschlichen Körpers zu erhalten. Dazu gehören auch radiologische Schnittbildverfahren bzw. Tomographie-Methoden (Tomographie: allg.: Methode, mit der man Bilder einer spezifischen Ebene eines Objekts erhält; griech. tomo = schneiden).

Die bisher attraktivste und eleganteste diagnostische Methode ist die Magnetresonanz-Tomographie (MRT), da sie ohne Anwendung ionisierender Strahlung hervorragende Weichteilkontraste auf Schnittbildern beliebiger Orientierung praktisch des ganzen Körpers liefert. Sie fand Anfang der 80er Jahre Eingang in die medizinische Routine. Im Jahr 2003 wurden weltweit rund 60 Millionen MRT-Untersuchungen durchgeführt.

2003 ging auch der Nobelpreis für Medizin und Physiologie an den amerikanischen Chemiker Paul C. Lauterbur (75) und den Briten Sir Peter Mansfield (70, Physiker) für ihre Entdeckungen und Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Magnetresonanz-Tomographie.

Die Erkennung verschiedener Gewebe erfolgt auf Grund des unterschiedlichen Wassergehalts der verschiedenen Gewebesorten im menschlichen Körper (siehe Tabelle).

Gewebe Wassergehalt in %
Graues Gehirngewebe 83
Weißes Gehirngewebe 72
Niere 81
Herz 80
Lunge, Milz 79
Leber 71
Haut 69
Knochen 13

Tabelle: Wassergehalt (%) verschiedener Gewebesorten des menschlichen Körpers [3]

Die Möglichkeit, wasserhaltige Organe kontrastreich abzubilden ist einerseits der große Vorteil des NMR-Imaging, gleichzeitig hängt mit dem Wasser auch die Funktionsweise dieses bildgebenden Verfahrens zusammen. Denn der Hauptbestandteil des Wassers ist Wasserstoff. Gemessen wird nun die Protonendichte der Gewebe, die dann in Form eines Bildes übersetzt wird.


2 Grundlagen der NMR-Spektroskopie

Zu Beginn fand die NMR-Technik Verwendung in der Spektroskopie, d. h. zur Strukturaufklärung von Molekülen. Bald darauf kam man auf die Idee diese Kenntnisse umzusetzen, um Bilder von Gegenständen und später auch von lebenden Organismen zu erhalten.

Protonen-Kernresonanz (1H-NMR)

Viele Atomkerne besitzen einen Kernspin I, d.h. sie verhalten sich so, als ob sie sich um ihre eigene Achse drehen.
Das 1H-Proton ist positiv geladen (Spinquantenzahl ½). Seine Rotation erzeugt - wie alle geladenen Teilchen in Bewegung - ein magnetisches Moment µ, d.h. man kann das Proton vereinfacht als kleinen Stabmagneten betrachten, der sich frei bewegt.
Bei einem äußeren Magnetfeld B0 kann es zwei Orientierungen annehmen:

  • parallel zu B0 d.h. energiearme Orientierung
  • antiparallel zu B0 d.h. energiereichere Orientierung (energetisch weniger günstig)

Man spricht dabei von alpha- und beta-Spins.

Abb. 1: Modellhafte Darstellung der unterschiedlichen Spinzustände alpha und beta [1]

 

Abb. 2: Energetische Darstellung der unterschiedlichen Spinzustände alpha und beta [1]

Modellversuch: kleine Magnetnadeln richten sich bei Anlegen eines Magnetfeldes mit Hilfe eines Hufeisenmagneten in dem Magnetfeld aus. Es handelt sich hier um ein Analogmodell.

Mit der Existenz dieser beiden energetisch unterschiedlichen Zustände ist die Voraussetzung für Spektroskopie erfüllt. Das besondere an der Kernresonanz ist, dass die energetisch unterschiedlichen Zustände der Protonen (alpha und beta) erst durch den Einfluss eines äußeren Magnetfeldes erzeugt werden.

Werden H-Atome in einem äußeren Magnetfeld mit Photonen der Energie dE bestrahlt, so können Kerne durch Absorption dieser Photonen von dem niedrigeren (alpha) in das höhere Niveau (beta) übergehen. Man nennt dies das Umklappen des Spins. Dabei kommt es zur Resonanz, d.h. die zum Übergang vom Spinzustand alpha zum Spinzustand beta erforderliche Energie wird von der Probe aufgenommen, was sich spektroskopisch als Energieabsorption beobachten lässt.

Nach der Anregung fallen die Spins wieder in ihren energieärmeren Zustand zurück, die absorbierte Energie wird als Wärme frei. Die Rückkehr in den energieärmeren Zustand bezeichnet man als Relaxation.

dE zwischen den Spinzuständen alpha und beta hängt direkt von der stärke B0 des externen Magnetfeldes ab (je stärker das Magnetfeld, desto größer dE). Es gilt:

Den Zusammenhang zwischen der Energiedifferenz und der Magnetfeldstärke kann auch graphisch dargestellt werden (Abb. 3).

Abb. 3: Abhängigkeit der Energiezufuhr von der Magnetfeldstärke B0 [4]

Typische Magnetfeldstärken bei NMR-Geräten liegen bei 1,4 und 15 Tesla (T). Diese werden meist durch supraleitende Magneten erzeugt. (Die maximale Stärke des Erdmagnetfeldes an der Erdoberfläche beträgt ca. 7 * 10 –4 T).
Die Werte von dE bewegen sich entsprechend zwischen 3,8 * 10-5 und 1,3 * 10-4 kJ/mol.
Die Resonanzfrequenz beträgt somit zwischen 60 und 600 MHz (1MHz = 106 Hz = 106 s-1), woraus sich eine Wellenlänge von ca. 5m bis 0,5 m ergibt. Dies entspricht der Wellenlänge von Radiowellen.
Entsprechend der Resonanzfrequenz  n0 werden die verschiedenen Geräte bezeichnet (z.B. 600 MHz NMR).


3 NMR-Tomographie (oder Magnetic Resonance Tomography MRT)

Bestimmung der Protonendichte in Geweben durch ein inhomogenes Magnetfeld

Angenommen es befindet sich ein Objekt (z.B. ein mit Wasser gefülltes, ovales Rohr) in einem homogenen Magnetfeld, d.h. die Magnetfeldstärke ist an allen Orten des Messbereichs gleich groß. Durch Einstrahlen von Energie mit der Resonanzfrequenz des Wassers, kommen gleichzeitig alle Wasserstoffatome in Resonanz. Das daraus resultierende Spektrum enthält daher ein scharfes Wassersignal, unabhängig von der räumlichen Verteilung der Protonen oder der Gestalt des Objekts (siehe Abb. 4a).

Befindet sich nun das Objekt in einem nicht homogenen Magnetfeld, das sich linear mit einer Raumrichtung ändert, so befinden sich die verschiedenen Teile der Messebene in unterschiedlich starken Magnetfeldern. Somit erfolgt eine Verknüpfung zwischen Ort des Atomkerns und der dort herrschenden Magnetfeldstärke. Dies führt zu einer Verbreiterung der Signale. Die Signalintensität bei einer bestimmten Frequenz n0 im Spektrum ergibt sich aus der Summe aller Wasserstoffatome der Messebene, deren Resonanzfrequenz mit n0 gerade erfüllt wird (siehe Abb. 4b). Auf diesem Prinzip beruht die NMR-Tomographie.

Abb. 4: Das Messprinzip der NMR-Tomographie [3]

In einem Tomographen werden mehrere Magnetfelder überlagert:

  • ein homogenes Magnetfeld
  • ein lineares, inhomogenes Magnetfeld (zeitunabhängig)

Die einzelnen Spektren entsprechen einer Projektion der Protonendichte der Messebene auf die Frequenzachse des Spektrums.

Durch Drehen des Magnetfeldes um 90 ° erhält man die 2D-Ortsauflösung.

Die Intensität eines Bildpunktes wird von der Protonendichte am entsprechenden Messort bestimmt. Je nach Herkunft unterscheiden sich biologische Gewebe in ihrem Protonengehalt (bzw. Wassergehalt; siehe Tabelle), so dass auf diese Weise prinzipiell eine Gewebedifferenzierung möglich ist. Die Intensitäten werden in einer Grau- oder Farbskala dargestellt, wobei lufthaltige Räume (Nasennebenhöhlen, Lungen usw.) und die wenig wasserhaltigen Knochen als schwarz und stark wasserhaltige Gewebe weiß abgebildet werden.


Abb. 5: NMR-Aufnahmen des Gehirns [6]


4 Ausblick

In letzter Zeit gewinnt die MRT in der Hirnforschung zunehmend an Bedeutung. Dabei arbeitet man mit der sog. funktionellen MRT (fMRT). Gemessen wird der Sauerstoffgehalt im Blut, woraufhin auf die Aktivität bestimmter Nervenzellverbände geschlossen werden kann. Denn durch die Abgabe des Sauerstoffs durch Hämoglobin verändert dies seine magnetischen Eigenschaften, die mit der fMRT gemessen werden können.

Man erhofft sich dadurch ein genaueres Verständnis über die komplexe Funktion des menschlichen Gehirns sowie zahlreicher Gehirnkrankheiten, wie z.B. Epilepsie, Multiple Sklerose, Parkinson, Schizophrenie u.a.

Manche Forscher hoffen sogar, dem menschlichen „Bewusstsein“ auf die Spur zu kommen.


Zusammenfassung

  • Bei der MRT handelt es sich um ein schnittbildgebendes Verfahren
  • NMR basiert auf der Anregung von H-Kernen des Wassers durch Radiowellen in einem magnetischen Feld
  • Das Prinzip der Bildgebung beruht auf der unterschiedlichen Protonendichte verschiedener Gewebe
  • Die 2-D-Ortsauflösung erfolgt durch das Einschalten eines linearen Magnetfeldes
  • MRT bietet große Vorteile gegenüber anderen Methoden:
  1. keine ionisierende Strahlung und keine radioaktiven Präparate nötig
  2. Sichtbarmachen von wasserhaltigem Gewebe
  3. Schnittbilder in jeder beliebigen Ebene möglich
  • Ausblick: fMRT in der Gehirnforschung

Literatur:

  1. Vollhardt, K., P., C., Schore, N., E., Organische Chemie, 3. Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2000.
  2. Tipler, A., Paul, Physik, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg-Berlin-Oxford, 1998.
  3.  Roth, K., Gronenborn, A., M., NMR-Tomographie, Chemie in unserer Zeit 16, 1982, 35.
  4. Skript: Hauptvorlesung Physikalische Chemie für Lehramt, Dr. Wolfgang Häfner, 2004.
  5. www.m-ww.de/enzyklopaedie/diagnosen_therapien/index.html (12.06.04)
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging#/media/File:T1t2PD.jpg, 16.02.2015
  7. www.klinik.uni-mainz.de/Neuroradio/Patient.html (19.06.04)
  8. www.rad-ro.de/Kernspintomographie.htm (19.06.04)
  9. www.filiblu.de/knie.htm (19.06.04)
  10. www.weltderphysik.de (19.06.04)
  11. P.M. Welt des Wissens, Mai 2004
  12. Radiologie-Praxis, Bayreuth.

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