Neue MRI-Forschung in Zürich: Die perfekte Welle

Forschenden der ETH und Universität Zürich ist eine Entdeckung gelungen, welche die Magnetresonanztomographie revolutionieren könnte. Das Verfahren wird heute im Fachmagazin Nature vorgestellt.

Ein Kollege wollte eine Hand mit dem Magnetresonanztomographie-Verfahren (MRI) abbilden, aber leider war das Bild undeutlich. Es zeigte nicht nur Signale aus nächster Nähe sondern auch solche, die aus einiger Entfernung stammen mussten. Das brachte den Doktoranden David Brunner auf die Idee, MRI-Signale gezielt durch sich ausbreitende Wellen anzuregen und zu empfangen.

Wellen, die sich ausbreiten
Nach dem Lehrbuch werden MRI-Signale am besten durch sogenannte Nah-feldkopplung gemessen. Dies hat den Nachteil, dass die Detektoren eng am Körper angebracht werden müssen, was oft als unangenehm empfunden wird. Die Nahfeldmethode entspricht dem Stand der Technik bei klinischen MRI-Geräten, die heute meist eine Feldstärke von 1,5 Tesla und eine Resonanzfre-quenz von 64 Megahertz (MHz) haben. Stärkere Magnete und damit höhere Frequenzen liefern zwar im Prinzip kontrastreichere und höher aufgelöste Bil-der, aber Anregung und Detektion werden problematisch. Zum einen werden die Detektoren bei höheren Frequenzen vermehrt durch den Körper gestört. (Man kennt das Problem von Radioantennen: Objekte in der Nähe von Anten-nen verändern den Empfang.) Zum andern neigen traditionelle Detektoren dazu, bei hohen Frequenzen stehende Wellen auszubilden. Das Resultat sind Kno-tenpunkte, in deren Umgebung das Bild ausgelöscht wird. Da bei höherer Fre-quenz und damit kürzerer Wellenlänge mehr Knotenpunkte entstehen, konnten grössere Strukturen bis jetzt bei hohen Feldstärken nicht vollständig abgebildet werden.

Klaas Prüssmann, Professor am Institut für Biomedizinische Technik der ETH und UZH und sein Doktorand David Brunner sind zusammen mit weiteren For-schern ganz neue Wege gegangen. Sie nutzten für das bildgebende Verfahren eine 35 Tonnen schwere Magnetröhre, die MRI-Signalen genügend Raum gibt, um sich in Form elektromagnetischer Wellen auszubreiten. Sich ausbreitende – oder propagierende – Wellen verhalten sich grundsätzlich anders als stehende Wellen. Sie kommen ohne Knotenpunkte aus und erlauben dadurch eine gleichmässigere Ausleuchtung. Und sie haben die Fähigkeit, Energie und In-formation über grosse Distanzen zu transportieren. Um von diesen Vorteilen zu profitieren, mussten die Forscher einen neuartigen Detektor bauen, der wie eine Antenne dafür ausgelegt ist, Signale fernab ihrer Quelle zu empfangen.

Ideale Bedingungen in Zürich
Die Wissenschaftler gingen ausserdem daran, die idealen Bedingungen für pro-pagierende Wellen zu schaffen und hatten dafür die besten Voraussetzungen. In ihrem stärksten Forschungssystem, einer MRI-Anlage mit 7 Tesla Feldstärke am Institut für Biomedizinische Technik, erreichen die Resonanzsignale eine Frequenz von 300 MHz. Dank der entsprechend geringen Wellenlänge ist die Patientenöffnung mit einem Durchmesser von knapp 60 cm gerade gross ge-nug, um als Wellenleiter zu funktionieren. So gelang es den Wissenschaftlern, im MRI-Experiment propagierende Wellen zu erzeugen, die Objekte durchdran-gen und die ganze Röhre nahezu verlustfrei durchliefen. Mit ihren neu entwor-fenen Detektoren konnten die Wissenschaftler die Signale der Atomkerne bis zu einem Abstand von drei Metern empfangen.

Vollständig abbilden
Es ist auch bereits gelungen, Körperteile von Versuchspersonen aus einer Dis-tanz von fast einem Meter abzubilden. Wie erhofft haben die ersten Aufnahmen von Unterschenkel und Fuss eines Probanden eine wesentlich bessere Abde-ckung als bisher. Jüngste Resultate deuten zudem an, dass auch der menschli-che Kopf durch propagierende Wellen vollständig ausgeleuchtet werden kann. Die Vorteile hoher Feldstärken – höhere Auflösung und stärkere Kontraste – werden dadurch besser nutzbar.

«Dass man MRI-Signale mit einer Antenne und in so grossem Abstand vom Körper empfängt, war bis anhin undenkbar», sagt Prof. Prüssmann. Da Sender und Empfänger in einiger Entfernung platziert werden können, engen sie den Patienten weniger ein. Die propagierenden Wellen sind aber nicht nur für medi-zinische Bildgebung interessant sondern könnten auch ganz neue Anwendun-gen ermöglichen. Denkbar wäre zum Beispiel, dass damit viele Materialproben oder Versuchstiere auf einmal untersucht werden können.

Originalbeitrag: Brunner DO, De Zanche N, Fröhlich J, Paska J & Pruessmann KP: Travelling-wave nuclear magnetic resonance, Nature (2009), 457, 944-998, doi:10.1038/nature07752.