Wie funktioniert die Kernspintomographie?

Wenn unsere Skifahrer mit schmerzendem Knie von der Piste humpeln, ist oftmals eine Kernspin-Tomographie zur Beurteilung von Meniskus- und Kreuzbandschäden angesagt. Wie kommen diese sogenannten "Kernspinbilder" aus dem Körperinneren ohne Hilfe von Röntgenstrahlen zustande?

Die meisten Seemänner wenden sich vom Sturm ab

(R. Klepper) Es ist ein Zusammenspiel der größten von Menschenhand geschaffenen Magnete mit den allerkleinsten natürlichen Magneten, den Atomkernen des Wasserstoffs. Als weitere Zutat wird ein starker Radiosender und Empfänger im UKW-Bereich gebraucht.

Aber der Reihe nach: Die Kerne der Wasserstoffatome drehen sich um sich selber (drehen heißt auf Englisch: to spin) und erzeugen damit winzige kleine "Kernspin"-Magnete, die für alle Wasserstoffatome gleich sind. Streckt unser Skifahrer sein Kniegelenk in die Röhre des extrem starken künstlichen Magneten, erfahren die winzigen Kernspinmagnete seines Knies eine Kraft, die sie entweder in oder gegen die Richtung des starken Magnetfeldes dreht.

Die Situation lässt sich mit der eines Seemannes bei Sturm vergleichen, der entweder dem Sturm entgegen blickt, oder sich umdreht, um seinen Körper vor dem Sturm zu schützen. Wie die meisten Seemänner sich vom Sturm abwenden, so machen das auch die meisten Kernspinmagnete: Sie nehmen die bequemere Stellung "mit dem Sturm" ein. Man kann sie aber in die Stellung "gegen den Sturm" zwingen, indem man ihnen über Radio-Strahlungsteilchen die nötige Energie gibt, sich gegen den Sturm zu stellen.

Mit "nötige Energie" ist gemeint: Nicht zu wenig und nicht zu viel, sondern genau die richtige Energie, um einen Kernspinmagneten umzudrehen. Beendet man die Radioteilchen-Einstrahlung, drehen sich die Kernspinmagnete in den nächsten Bruchteilen von Sekunden wieder zurück in die bequeme Lage "mit dem Sturm". Jeder zurückkehrende Kernspinmagnet strahlt dabei die zuvor aufgenommene Energie in Form eines Radio-Strahlteilchens wieder ab. In diesem "Echo" stecken Informationen über die Dichte der Wasserstoffkerne im Gewebe und über ihre chemische Umgebung.

Das eben beschriebene Prinzip des "Einstrahl+Echo"-Verfahrens bedarf noch eines Tricks, um für jeden einzelnen Punkt des Skifahrerknies einen eigenen Bildpunkt zu erzeugen: Das superstarke und gleichmäßige künstliche Magnetfeld wird mit schwächeren Zusatz-Magnetfeldern so moduliert, dass nacheinander jeder Punkt des Kniegelenks mit der oben beschriebenen "nötigen" oder "richtigen" Energie bedient wird und ein eigenes Echo produziert. Wer schon einmal in der Kernspin-Röhre lag, wird sich bestimmt an das regelmäßige Tak-Tak-Tak-Geräusch erinnern. Es entsteht beim schnellen Umschalten der Zusatzmagnete.