Die perfekte Welle

   
Forschenden der ETH und Universität Zürich ist eine Entdeckung gelungen, welche die Magnetresonanztomographie revolutionieren könnte. Die Magnetresonanz im menschlichen Körper konnte durch propagierende Wellen angeregt und abgebildet werden. Das neue Verfahren, das kontrastreichere und höher aufgelöste Bilder liefert, wird demnächst 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.

Abb.: Aufbau der NMR/MRI Experimente mit propagierenden Wellen: Das magnetische Wechselfeld (B) einer propagierenden Welle vermag die nukleare Magnetisierung (M) über grosse Distanzen von der Antenne anzuregen und zu detektieren. Dazu muss die Frequenz der Welle aber hoch genug und der Durchmesser der Röhre gross genug sein. Unten: Innerhalb des Wellenleiters können grosse Objekte, z.B. ein ganzer menschlicher Körper, auch bei höchsten Feldstärken ausgeleuchtet werden. Dabei kann die Antenne sogar in einiger Entfernung zum Körper angebracht werden. Dies ist im Vergleich zu herkömmlichen Nahfeld basierten NMR Detektoren nicht nur robuster und sicherer, sondern schafft auch noch Platz in der Röhre rundum den Patienten. (Bild: ETH Zürich)

Nach dem Lehrbuch werden MRI-Signale am besten durch sogenannte Nahfeldkopplung 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 Resonanzfrequenz von 64 Megahertz (MHz) haben. Stärkere Magnete und damit höhere Frequenzen liefern zwar im Prinzip kontrastreichere und höher aufgelöste Bilder, 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 Antennen verändern den Empfang.) Zum andern neigen traditionelle Detektoren dazu, bei hohen Frequenzen stehende Wellen auszubilden. Das Resultat sind Knotenpunkte, 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 Forschern 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 Information 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.

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 genug, um als Wellenleiter zu funktionieren. So gelang es den Wissenschaftlern, im MRI-Experiment propagierende Wellen zu erzeugen, die Objekte durchdrangen und die ganze Röhre nahezu verlustfrei durchliefen. Mit ihren neu entworfenen Detektoren konnten die Wissenschaftler die Signale der Atomkerne bis zu einem Abstand von drei Metern empfangen.

Es ist auch 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. Jüngste Resultate deuten zudem an, dass auch der menschliche 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 dahin undenkbar", sagt 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 medizinische Bildgebung interessant sondern könnten auch ganz neue Anwendungen ermöglichen. Denkbar wäre zum Beispiel, dass damit viele Materialproben oder Versuchstiere auf einmal untersucht werden können.

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Brunner DO, De Zanche N, Fröhlich J, Paska J & Pruessmann KP: Travelling-wave nuclear magnetic resonance. Nature 457, 944-998 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature07752
• Institut für Biomedizinische Technik (ETH Zürich)
  http://www.biomed.ee.ethz.ch/
  

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