Physikalische Grundlagen der MRT

Die physikalische Grundlage für die Magnetresonanztomographie bildet die sogenannte Kern-Spin-Resonanz (engl. Nuclear Magnetic Resonance, NMR),  für deren Erstbeschreibung Felix Bloch und Edward M. Purcell im Jahr 1952 den Nobelpreis für Physik erhielten. Die Bildgebung mittels Kern-Spin-Resonanz wurde 1973 erstmals beschrieben, ihre Entwickler erhielten im Jahr 2003 hierfür den Nobelpreis für Medizin.

Grundlage der Magnetresonanztomographie ist der hohe Anteil von Wasserstoffatomen in Form von Wasser im menschlichen Gewebe. Wasserstoffatome enthalten einen Kern aus einem einfach positiv geladenen Elementarteilchen (Proton). Atomkerne ungerader Nukleonenzahl verfügen über eine Eigendrehung, den sogenannten Netto-Drehimpuls (Spin= Eigenrotation eines Teilchens). Da bewegte Ladungen ein Magnetfeld induzieren, erzeugt auch der Spin des positiv geladenen Protons des Wasserstoffs ein Magnetfeld, das sogenannte magnetische Dipolmoment. Ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds sind die magnetischen Dipolmomente aller Protonen einer Gewebeeinheit gleichmäßig verteilt. Durch Anlegen eines starken äußeren Magnetfeldes können die Dipolmomente der Wasserstoffatome ausgerichtet werden; diese Auslenkung der magnetischen Dipolmomente kann parallel oder antiparallel zur Feldstärke sein. Da die parallele Ausrichtung energetisch geringfügig günstiger ist als die antiparallele und sich daher häufiger einstellt, weisen die Dipolmomente in der Summe eine Netto-Magnetisierung (M-Vektor) in paralleler Ausrichtung zum statischen Magnetfeld auf.

Um Atomkerne in einem Magnetfeld anzuregen, werden kurze Radioimpulse aus Radiofrequenz­spulen ausgestrahlt. Durch den elektromagnetischen Impuls wird der M-Vektor unter Aufnahme von Energie aus seiner parallelen Vorzugsrichtung ausgelenkt. Nach Abschalten der Impulseinstrahlung kehrt der M-Vektor wieder in seine parallele Ausrichtung zurück. Diese Entspannung in Richtung der energetisch bevorzugten Ausrichtung bezeichnet man als Relaxation. Dabei wird die zuvor zugeführte Energie wieder als Signal abgegeben, das von Radiofrequenzspulen des MR-Tomographen gemessen wird. Die Zeit, die vergeht, bis die Kernspins aus ihrer gestörten Lage in die Vorzugsrichtung zurückgekehrt sind, nennt man Relaxationszeit. Man unterscheidet die T1- (Spin-Gitter)- Relaxationszeit und die T2- (Spin-Spin)- Relaxationszeit. Die T1-Relaxationszeit hängt von der Zeitdauer des Wiederaufbaus des Gesamtmagnetisierungsvektors in longitudinaler Richtung ab (verglichen zum Hauptmagnetfeld); die T2-Relaxationszeit beschreibt die Abnahme des Gesamtmagnetisierungsvektors in der transversalen Richtung.

Zum einen verfügen die verschiedenen Gewebearten (z. B. Liquor, graue Substanz, weiße Substanz) aufgrund ihres verschiedenen Protonengehalts und der verschiedenartigen biochemischen Ein­bettung über verschiedene, typische T1- und T2-Zeiten. Zum anderen können durch die unter­schiedliche Einstellung der Zeit zwischen zwei Auslenkimpulsen (=time of repetition [TR], Repetitions­zeit) und der Zeit zwischen Auslenkimpuls und Signalmessung (=time of echo [TE], Echozeit) diese intrinsischen Gewebeeigenschaften (T1 und T2) verschieden stark gewichtet werden. Diese beiden Parameter bilden daher die Grundlage für die verschiedenen Bildkontraste der MRT.