Wie funktionieren CT, MRT und PET?

Bei der CT handelt es sich um eine Art dreidimensionales Röntgen, allerdings liefert die CT einen deutlich besseren Kontrast zwischen Gewebearten von nur gering unterschiedlicher Dichte. Auf einem CT-Bild wird in schwarz-weiß die Abschwächung von Röntgenstrahlung dargestellt.

Die Physik: Erzeugung von Röntgenstrahlung und Absorption von elektromagnetischer Strahlung

Die Röntgenstrahlung wird bei der CT genauso erzeugt, wie bei sonstigen Röntgenuntersuchungen: mit einer Röntgenröhre. Diese besteht im einfachsten Fall aus einer Kathode (Minuspol) und einer Anode (Pluspol). Aus der Kathode werden durch Erhitzen Elektronen ausgesandt, die durch Anlegen von Hochspannung zur Anode hin beschleunigt werden. Dort dringen sie in das Material, aus dem die Anode besteht, ein und werden in der Folge stark abgebremst. Diese Abbremsung der Elektronen führt wie jede Beschleunigung (und eine Abbremsung ist letztlich eine „negative Beschleunigung“) geladener Teilchen zur sogenannten Bremsstrahlung, bestehend aus Photonen. Die Bewegungsenergie der Elektronen wird an eines oder mehrere Photonen abgegeben. Die Energieverteilung dieser Photonen ist kontinuierlich, das heißt, es kommen alle Energien in einem gewissen Energiebereich vor, und kann durch die Wahl der angelegten Hochspannung gesteuert werden. Röntgenstrahlung, bestehend aus den Photonen aus der Bremsstrahlung, wird beim Durchgang durch den Körper teilweise absorbiert und somit abgeschwächt. Je weiter die Strahlen in den Körper eindringen, desto schwächer werden sie. Die Abschwächung wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben, nachdem die Intensität der Strahlung exponentiell mit dem Produkt aus Schwächungskoeffizient und Dicke des durchdrungenen Gewebes abhängt. Da der Schwächungskoeffizient vom Gewebe (Knochen absorbieren stärker als zum Beispiel das Lungengewebe) abhängt, handelt es sich um eine Funktion des Ortes. Somit nimmt die Intensität der Strahlung exponentiell mit dem Integral des Schwächungskoeffizienten über den Ort ab.

Medizinische Anwendung

Röntgenröhre und Detektor befinden sich in der sogenannten Gantry, einem kurzen Ringtunnel, und kreisen während eines Scanvorgangs um den Patienten, der entweder nach jeder Umdrehung oder kontinuierlich der Länge nach durch die Gantry geschoben wird, sodass Schicht für Schicht Absorptionsprofile aus vielen Richtungen erstellt werden. Aus der Kombination all dieser Einzelmessungen kann dann mit einem Computer eine dreidimensionale Ansicht errechnet werden.
Ein CT-Scan wird in der Medizin vielseitig eingesetzt, unter anderem bei Blutergüssen und Knochenbrüchen. Darüber hinaus können auf einem CT prinzipiell auch Tumore dargestellt werden, jedoch liefern die anderen hier vorgestellten Verfahren meist bessere Informationen, sodass die CT höchstens in Kombination mit den anderen Verfahren genutzt wird. Darüber hinaus wird die CT auch außerhalb der Medizin zum Beispiel zur Materialprüfung und der nichtinvasiven Untersuchung von archäologischen Funden eingesetzt.

Im Gegensatz zu den anderen beiden vorgestellten Methoden wird für die MRT keine ionisierende (das heißt hochenergetische) Strahlung benötigt. Stattdessen werden starke Magnetfelder und schnelle elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt, um Wasserstoffkerne in den verschiedenen Gewebearten anzuregen. Schicht für Schicht können so die unterschiedlichen Gewebearten dargestellt werden.

Die Physik: Kernspinresonanz

Als Kernspin bezeichnet man den Gesamtdrehimpuls des Atomkerns. Mit diesem ist ein magnetisches Moment verbunden, sodass sich die einzelnen Atomkerne zum Beispiel des Wasserstoffs wie kleine Magneten verhalten. Wird von außen ein starkes magnetisches Feld angelegt, richten sich diese „atomaren Magnete“ in der Richtung dieses Magnetfeldes aus. Mit einem zusätzlichen hochfrequenten elektro- magnetischen Wechselfeld können die „atomaren Magnete“ gegenüber der Richtung des Magnetfeldes verkippt werden und beginnen dann um die Richtung des Magnetfeldes zu rotieren, was Präzession genannt wird. Da die einzelnen Atome dies simultan machen, kann eine sich verändernde Gesamt- magnetisierung gemessen werden, die in einer Spule Spannung induziert. Die Auslenkung der magnetischen Momente ist nicht dauerhaft, sondern nimmt nach der Ausschaltung des Wechselfeldes exponentiell ab (Relaxation). Die Zeitkonstante dieser Abnahme, die beschreibt, wie schnell sich die magnetischen Momente wieder in Richtung des externen Magnetfeldes ausrichten, hängt dabei von der chemischen Bindung des Wasserstoffatoms sowie dessen Umgebung ab. Die Amplitude des Spannungssignals hängt dagegen von der Menge der Wasserstoffatome ab. Aufgrund mehrerer sich überlagernder Effekte ist die Messung nicht ganz so einfach, daher wurden verschiedene Sequenzen von Wechselfeld-Pulsen erfunden, siehe dazu den Verweis in der rechten Spalte.

Medizinische Anwendung

Aus der Kombination von Relaxationszeit und Signalstärke können verschiedene Gewebetypen unterschieden und somit sichtbar gemacht werden. Für medizinisch verwendbare Daten ist es natürlich nötig, auch die Quelle des jeweiligen Signals einem Ort im Körper zuordnen zu können. Dafür werden mehrere Gradientenfelder zum statischen Magnetfeld hinzugefügt, sodass das Magnetfeld zum Beispiel von links nach rechts und von unten nach oben abnimmt. Die MRT wird eingesetzt, wenn weiches Gewebe untersucht wird und der mit CT mögliche Kontrast nicht für eine eindeutige Diagnose reicht. Häufige Anwendungsgebiete sind Krebserkrankungen, Veränderungen des Herzens und die Untersuchung des Gehirns.

Die PET nutzt schwach radioaktive Substanzen, um Stoffwechselvorgänge sichtbar zu machen. Da viele Tumorarten schneller wachsen als gesunde Zellen in ihrer Umgebung, benötigen sie auch mehr Nährstoffe, sodass eine übermäßige Nährstoffaufnahme ein Indiz für Tumorzellen ist.

Die Physik: Radioaktiver Beta-Zerfall und Antimaterie

Die Zahl der Protonen im Atomkern Z (auch Kernladungszahl) entscheidet, um welches Element es sich handelt. Für ein gegebenes Z bestimmt die Zahl der Neutronen N einerseits die Masse des Kerns, andererseits dessen Zerfallseigenschaften. Bei Kernen mit gleichem Z, aber unterschiedlichem N spricht man von verschiedenen Isotopen desselben Elements. Die chemischen Eigenschaften sind für alle Isotope gleich. Für die meisten Kerne gibt es eines oder wenige Isotope, die stabil sind. Diese entsprechen dann auch den typischen Massen, die man aus dem Periodensystem der Elemente kennt, zum Beispiel 16O oder 19F, wobei die hochgestellte Ziffer die Zahl der Nukleonen (Protonen plus Neutronen) bezeichnet. Protonenreiche Isotope, also solche, die weniger Neutronen besitzen als die stabilen Isotope mit derselben Protonenzahl, zerfallen radioaktiv durch β+-Zerfall. Dabei wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Außerdem entstehen ein Neutrino und ein Positron. Das Positron ist der Antimaterie-Partner des Elektrons: Es besitzt dieselbe Masse, jedoch die entgegengesetzte Ladung. Trifft ein Positron auf ein Elektron, so annihilieren sie, das heißt, beide werden vernichtet und die Masse nach Einsteins Gleichung E=mc2 in Energie umgewandelt. Bei diesem Annihilationsprozess werden zwei Photonen mit jeweils 511 keV (Kiloelektronenvolt) Energie in nahezu entgegengesetzte Richtung abgestrahlt. Aufgrund dieser großen Energie (etwa 200.000 Mal so viel wie Photonen des sichtbaren Lichts) handelt es sich um Gammastrahlung, sodass diese aus dem Medium, in dem der Zerfall stattfindet, entkommen kann.

Medizinische Anwendung

Die PET macht sich den β+-Zerfall zunutze, indem protonenreiche Isotope in ein Molekül eingelagert werden, das am Stoffwechsel beteiligt ist. Man spricht dann von einem Radiopharmakum bzw. von einem Tracer. Da die chemischen Eigenschaften identisch sind, wird das markierte Molekül vom Körper genauso behandelt wie ein nicht markiertes. Das am häufigsten verwendete Radiopharmakum ist 18F-Fluordesoxyglucose (FDG), ein mit der Glucose eng verwandtes Molekül, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers durch 18F ersetzt wurde. Das FDG gelangt so in den Stoffwechsel und das 18F sammelt sich dort, wo FDG verarbeitet wird. Das 18F zerfällt gemäß dem β+-Zerfall, das Positron annihiliert mit einem Elektron und die entweichende Gammastrahlung kann gemessen werden.
Um den Patienten herum finden sich ringförmig angeordnete Detektoren. Treffen zwei Gamma-Photonen nahezu gleichzeitig den Detektor, kann davon ausgegangen werden, dass auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Auftreffpunkten ein β+-Zerfall stattgefunden hat. Solange keine sehr genaue Zeitmessung möglich ist, kann der Flugzeitunterschied nicht gemessen werden, es besteht also keine Möglichkeit zu bestimmen, wo auf der Verbindungslinie der Zerfall stattgefunden hat. Da die Bilder des PET jedoch nicht auf Basis eines einzelnen, sondern sehr vieler Zerfälle generiert werden, kann aus der Überlagerung der Verbindungslinien auf die Ansammlungen des 18F und damit auf die Position möglicher Tumore geschlossen werden. Die PET wird – häufig in Kombination mit CT – angewendet, wenn Stoffwechselvorgänge nachgewiesen werden sollen. Im Vergleich zu CT und MRT ist die Auflösung eher schlecht (siehe Bild), aber da die Ansammlung des Tracers auf Stoffwechselvorgängen beruht, kann mit der PET zum Beispiel zuverlässig lebendes von totem Gewebe unterschieden werden, sodass zum Beispiel der Erfolg einer nichtoperativen Tumorbehandlung überprüft werden kann.

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