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News: Im Bilde

Der Blick in den Körper - diesen Traum hat schon der erste Physik-Nobelpreisträger, Wilhelm Conrad Röntgen, Wirklichkeit werden lassen. Doch erst die Magnetresonanztomographie erlaubt, ohne gefährliche Strahlung, hoch aufgelöste Bilder des gesamten Körpers. Für die Entwicklung dieser in der Medizin heute selbstverständlichen Technik erhielten zwei Pioniere, Paul Lauterbur und Peter Mansfield, den diesjährigen Medizin-Nobelpreis.
Auf den ersten Blick wirkt sie schon beängstigend: eine enge, tunnelförmige Röhre, etwa 1,60 Meter lang und nur 60 Zentimeter breit. Hier zwängt sich der Patient hinein und wird anschließend von riesigen Magnetspulen umkreist. Die ganze Prozedur kann bis zu 90 Minuten andauern.

Doch im Gegensatz zu anderen bildgebenden Verfahren kommt die Kernspin- oder Magnetresonanztomographie ohne ionisierende Strahlung aus und gilt daher als nebenwirkungsfrei. Seit den achtziger Jahren wird die Methode routinemäßig in der medizinischen Diagnostik angewendet, bunte Bilder arbeitender Hirne zieren zahlreiche Veröffentlichnungen. Kein Wunder, dass die Abbildung mit Magnetresonanz, nach dem englischen magnetic resonance imaging kurz auch MRI genannt, mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geehrt wird.

Dabei ist der Blick in den Körper bereits so alt wie die Nobelpreise selbst: 1901 erhielt Wilhelm Conrad Röntgen den ersten Physik-Nobelpreis für die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlung, die erstmalig Bilder vom Innern eines Menschen lieferte. Darauf beruht auch die Computertomographie, bei welcher der Körper Schicht für Schicht mit Röntgenstrahlung abgetastet wird, woraus ein Rechner ein dreidimensionales Bild rekonstruieren kann.

Die Grundlage für die Magnetresonanztomographie legten die beiden Physiker Felix Bloch und Edward Mills Purcell, Physik-Nobelpreisträger des Jahres 1952. Sie entdeckten, dass Wasserstoffkerne in Molekülen, die sich in einem starken Magnetfeld befinden, Radiowellen aussenden, sobald das Magnetfeld abgeschaltet wird. Ursache hierfür ist die Eigenrotation – der Spin – der Protonen. Dieser Spin erzeugt als bewegte elektrische Ladung ein kleines, atomares Magnetfeld, das mit den magnetischen Momenten der benachbarten Protonen wechselwirkt. Je nach Umgebung entsteht so ein charakteristisches magnetisches Moment des gesamten Moleküls.

Im menschlichen Körper sind nun Wasserstoffkerne genug vorhanden – gebunden an Sauerstoff im Wasser. Wird die zu untersuchende Person einem starken statischem Magnetfeld ausgesetzt, dann orientieren sich die Spins der Protonen im Körper nach diesem äußeren Magnetfeld. Senkrecht zum statischen Magnetfeld wird nun ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld angelegt. Bei einer bestimmten Frequenz, der Larmor-Frequenz, werden die Spins ausgelenkt, sie geraten in Resonanz. Daher kommt die Bezeichnung Magnet- oder Kernspinresonanz.

Wird dieser Anregungsimpuls nun abgeschaltet, klappen die Spins der Protonen in ihre Ursprungsrichtung zurück – und verlieren dabei Energie, die sie als Radiowellen abstrahlen. Der magnetische Anteil dieser Strahlung kann von einer Empfängerspule gemessen und schließlich am Computer ausgewertet werden.

Die Magnetresonanzspektroskopie wurde zunächst für die Strukturanalyse von Molekülen verwendet – und bescherte Richard Ernst 1991 sowie Kurt Wüthrich 2002 jeweils den Nobelpreis für Chemie. Doch bereits Ende der sechziger Jahre tauchten Ideen auf, das neue Verfahren auch für die Medizin zu nutzen.

So konnte der Mathematiker und Mediziner Raymond Damadian mit MRI Tumoren an Ratten nachweisen. Seine Veröffentlichung aus dem Jahr 1971 stieß in der Fachwelt jedoch noch auf große Skepsis. Im Jahr 1977 gelang ihm dann das erste MRI-Bild eines menschlichen Körpers.

Damadian ging jedoch – aus welchen Gründen auch immer – dieses Jahr leer aus. Eine Hälfte des Medizin-Nobelpreises 2003 erhielt stattdessen der 1929 geborene amerikanische Chemiker Paul Lauterbur, der zuletzt an der University of Illinois tätig war. Im gelang 1973 der Durchbruch für die wichtige räumliche Auflösung der MRI-Bilder. Der Trick dabei: Durch das zeitlich genau definierte Einschalten eines zusätzlichen Gradienten-Magnetfeldes werden die Spins der Protonen schichtweise angeregt. Die zurückgesendeten Radiowellen sind genau lokalisierbar; es entstehen Bildpunkte, die zu einem zweidimensionalen Bild zusammengesetzt werden können.

Die Daten der Bildpunkte müssen jedoch noch ausgewertet werden, um das Bild zu interpretieren. Und das gelang dem 1933 geborenen britischen Physiker Peter Mansfield von der University of Nottingham, der für seine Arbeiten 1993 von Königin Elisabeth zum Ritter geschlagen wurde. Sir Peter entwickelte 1977 das so genannte echo planar imaging, eine mathematische Operation, welche die schnelle Bildanalyse über Fourier-Transformationen ermöglicht. Ein Jahrzehnt später war seine Methode in der Medizin praktisch anwendbar – und bescherte ihm die zweite Hälfte des diesjährigen Medizin-Nobelpreises.

Heute ist die Magnetresonanztomographie in der Medizin gang und gäbe. Etwa 22 000 MRI-Apparaturen stehen in den Kliniken der Welt und erzeugen jährlich über 60 Millionen Bilder. Da fast alle Nerven- und Hirnerkrankungen sich in Veränderungen im Wassergehalt des Gewebes niederschlagen, liefern MRI-Untersuchungen wertvolle diagnostische Hinweise, wobei Unterschiede von weniger als einem Prozent für eine Analyse genügen. Auch in der Krebsdiagnose und -therapie spielt die MRI-Technik eine wichtige Rolle, lassen sich damit doch Tumoren auf nur wenige Millimeter aufgelöst exakt lokalisieren.

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