BRAIN IMAGING CENTER

BIC

Zentrum für Bildgebung in den Neurowissenschaften


Typische Untersuchungen mit der Magnet Resonanz Tomographie (MRT) oder Magnet Resonanz Angiographie (MRA) konzentrieren sich auf die Darstellung von Anatomien und Pathologien der unterschiedlichen Körperregionen. Die Forscher des BIC demonstrieren darüber hinaus, wie die MRT für die Darstellung und Auswerten von Gewebefunktion verwendet werden kann. Techniken wie z.B. die funktionelle MRT (fMRI), Arterial Spin Labeling (ASL), Diffusions- (DWI) und Perfusionsbildgebung (PWI), Diffusions Tensor Bildgebung (DTI), Single-Voxel Spektroskopie (SVS) oder Chemical-Shift Imaging (CSI) sind einige Methoden für diese Aufgaben.

[MRT]     [MRA]     [fMRI]     [ASL]     [DWI]     [PWI]     [DTI]     [SVS]     [CSI]


Die MRT ist ein bildgebendes medizinisches Untersuchungsverfahren, das die Eigenrotation und den resultierenden Drehimpuls der Atomkernteilchen (Protonen und Neutronen), den Kernspin, ausnutzt. Mittels großer Magneten werden die natürlicherweise zufällig ausgerichteten Kernspins aller Wasserstoffatome zunächst in eine Ebene ausgerichtet. Ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal (eine Art Radiowelle) lässt die Atome dann in eine einheitliche Richtung umklappen. Anschließend wird das Magnetfeld so eingestellt, dass die Atome in ihre natürliche Position zurückfallen. Dabei senden sie die während des Ausrichtungsvorgangs aufgenommene Energie in Form von Radiowellen aus. Je mehr Wasserstoffatome sich in einer Region befinden, desto größer ist die nun abgegebene und aufaddierte Radiowelle. Gemessen wird so die Dichte der im untersuchten Gewebe vorhandenen Wasserstoffatome. Die bildliche Darstellung der Messwerte erfolgt über Verrechnung der Daten in einem Computer und ermöglicht eine zwei- (Tomogramm, Schichtbild) oder sogar dreidimensionale Abbildung. Die sehr kostspielige Kernspintomographie belastet den Organismus nicht mit radioaktiven oder Röntgenstrahlen und ist nach wissenschaftlicher Einsicht frei von Nebenwirkungen. Sie ermöglicht diagnostische Erkenntnisse insbesondere über die mit anderen Methoden schwer darstellbaren Weichteile, die besonders viele Wasserstoffatome enthalten, und wird deshalb vor allem zur Untersuchung von Nervensystem, Knochenmark, Blutgefäßen, Gelenken, Tumoren und Zysten eingesetzt.

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Mit der Magnetresonanztomographie ist es möglich, Bilder vom Gefäßsystem zu erstellen. Dazu macht man sich den Blutfluss in den Gefäßen zu Nutze, in dem das stationäre Gewebe abgesättigt wird und die Signale nur vom fließenden Blut kommen. So ist es möglich, z. B. Gefäßaussackungen (Aneurysmen) oder -verengungen (Stenosen) nicht nur darzustellen, sondern auch die daraus entstandenen Veränderungen des Blutstromes abzubilden. Diese Technik ist im Gegensatz zur konventionellen Katheterangiographie nichtinvasiv, d.h. sie kommt ohne den Einsatz von Kontrastmitteln aus. In vielen Gebieten, z. B. der Verlaufs- oder Therapiekontrolle von Aneurysmen, Stenosen oder Angiomen hat die MRA daher die Röntgen-Katheterangiographie weitgehend verdrängt. Für die Darstellung von Gefäßsystemen ohne Kontrastmittel stehen je nach Anwendungsbereich 2 Techniken zur Verfügung: Bei der "Time-of-Flight"-MRA (ToF) sind die Abstände zwischen den Anregungsimpulsen sehr gering, so dass das stationäre Gewebe nicht genügend Zeit zum Relaxieren hat und deshalb kein Signal abgeben kann ("Steady State"). Zur Bildgebung trägt lediglich das Signal des Blutes bei, das zwischen Anregung und Echogenerierung in die Schicht einströmt. Die "Phasenkontrast-Angiographie" (PCA) verwendet noch ein zusätzlich geschaltetes Magnetfeld, den sog. "Phasengradient". Dieser Gradient bewirkt eine Phasenverschiebung des Gewebes in einer Schicht. Unmittelbar danach wird dieses Gradientenfeld dann genau entgegengesetzt geschaltet, so dass die Änderungen in der Phasenlage wieder zurückgeführt werden. Das stationäre Gewebe kehrt daher wieder zum Ausgangspunkt zurück und trägt nicht zur Signalgewinnung bei. Da aber das Blut in der Zwischenzeit weiter geflossen ist, hat es nun eine andere Phasenlage und stellt sich anders dar. Eine grundsätzlich andere Methode stellen Kontrastmittelverfahren dar. Hierbei werden die Aufnahmen während der Passage eines Kontrastmittelschusses ("Bolus") gemacht, so dass sich nur die mit Kontrastmittel gefüllten Gefäße abbilden.
 

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Wann immer wir unsere Gehirne benutzen, erfordern Neuronen und die versorgenden Strukturen Sauerstoff und Nährstoffe, um Energie für optimale Gehirnfunktion zur Verfügung zu stellen. Veränderungen im cerebralen Blutfluss sind korreliert  mit Gehirnaktivierung  und können mit speziellen MRT Techniken gemessen werden. Wann immer wir eine Tätigkeit ausführen wie z.B. die Bewegung unserer Finger oder das Öffnen und Schließen unserer Hände, gibt es einen erhöhten Blutfluss in dem entsprechenden Hirnareal. Tatsächlich übersteigt diese Flusszunahme die tatsächliche Nachfrage nach Sauerstoff. Diese Zunahme des oxygenierten Blutes relativ zu dem deoxygenierten Blut resultiert in einer kleinen Änderungen im MRT Signal entsprechend der Phasen bei der Aktivierung oder der Ruhe. Diese kleine Änderung im MRT Signal kann mittels ultraschnellen Aufnahmentechniken der Echo-Planaren-Bildgebung (EPI) ermittelt werden. Der Signalunterschied zwischen dem Ruhezustand und dem aktivem Zustand wird einem hoch aufgelöstem anatomisches Bild zur besseren Darstellung und Lokalisation der Aktivierung überlagert. fMRI erlaubt die Darstellung der Aktivierung des Gehirns in einem weiten Bereich von motorischen-, sensorischen- und kognitiven Aufgaben. Indem sich diese Muster der Gehirnaktivierung abbilden lassen, hoffen die Forscher, ein besseres Verständnis des neurologischen und psychologischen Defizits wie z.B. Krankheit vom Typ Alzheimers, Schizophrenie, Autismus sowie Patienten mit Gehirntumoren zu gewinnen.

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Die fMRI Technik bildet Muster der Aktivierung im menschlichen Gehirn ab, welche auf der Änderungen der Blutoxygenierung basiert. Darüber hinaus ermöglichen sogenannten "Arterial Spin Labeling" Techniken (ASL) die direkte Darstellung des Blutflusses bzw. der Perfusion des Gehirns. Mit dieser Methode wird das arterielle Blut z.B. im Halsbereich des Patienten magnetisch etikettiert (gelabelt), bevor es einen bestimmten Abschnitt des Gehirns erreicht. Nach einer gewissen Zeit, in der sich das markierte Blut im Gehirn verteilt hat wird ein Bild aufgenommen. Durch Subtraktion zwei Bilder, eins mit markierten Blut und eins ohne Markierung, lässt sich die Blutversorgung in jede beliebigen Region des Gehirns berechnen. Ähnlich wie die fMRI Methode kann die ASL Technik  dazu verwendet werden, um z.B. Aktivierungen abzubilden. Jedoch ermöglicht die ASL Technik auch eine Aufdeckung von Veränderung des Blutflusses in pathologischen Fällen , wie z.B. bei Schlaganfällen (stroke).

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