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Unfallopfer lassen sich mit der MRT schnell auf Schäden an inneren Organen untersuchen, und auch das Auftreten beziehungsweise der Fortschritt von Erkrankungen lässt sich ohne zusätzliche chirurgische Eingriffe überwachen. Bei diesem diagnostischen Verfahren wird der Patient keiner Röntgenstrahlung ausgesetzt; das grundlegende Prinzip in der MRT ist die Verwendung starker Magnetfelder in Kombination mit Hochfrequenz-Wechselfeldern. Bekanntermaßen eignet sich die MRT gut zur Abbildung von Strukturen im weichen Gewebe des menschlichen Körpers. Möglich wird das, weil das Verfahren die Verteilung der Wassermoleküle aufzeichnet. Die verschiedenen Abschnitte eines jeden Organs weisen eine charakteristische Dichte des in ihnen enthaltenen Wassers auf. Wird nun ein Bild aus den unterschiedlichen charakteristischen Wasserdichte-Werten zusammenstellt, so lassen sich damit Abbilder der Organe realisieren, die dieses Wasser enthalten. Wasser ist aber kein magnetisches Material, und die in der MRT gemessenen Parameter sind abhängig von einem sehr kleinen Effekt auf atomarer oder molekularer Ebene.

Dabei handelt es sich um ein schwaches Signal, das sich nur nach einer starken und zugleich genauen Anregung ermitteln lässt. Die ersten MRT-Scanner nutzten in ihren Regelsystemen meist Strom-Sensoren auf der Basis des Halleffekts. „Diese Technik erwies sich aber im Laufe der Zeit als eine Einschränkung für die Genauigkeit und damit für die Qualität der Ergebnisse“, blickt Claude Gudel, leitender Ingenieur für F&E bei LEM, zurück. „Heute ermöglicht eine neue Stromsensor-Generation erhebliche Verbesserungen bei der Detailgenauigkeit von MRT-Bildern“, verweist er auf LEMs moderne Strommesswandler.

MRT – die Grundlagen betrachten

Der große Ring, der den Patienten in einem MRT-Scanner umgibt, enthält die Anregungs- und die Detektor-Elemente. Das sind Spulen, um hohe statischen magnetische und hochfrequente elektromagnetische Felder zu erzeugen, die von präzisen Verstärkern angesteuert werden, sowie Sensoren zur Erkennung spezieller, kleiner Signale. Die Signalverarbeitung zeichnet die in diesem Signal für jedes gescannte Volumen-Element enthaltene Energie auf, bekannt unter der Bezeichnung Voxel. Das empfangene Signal zeigt das Resonanzverhalten der Protonen, die in den Wasserstoff-Atomkernen des im Körper gebundenen Wassers enthalten sind. Bei Anregung durch ein Magnetfeld verhalten sich die Atomkerne wie magnetische Dipole oder Magnete. Denn die Atomkerne besitzen durch Eigenrotation einen Spin, der in der Regel als Vektor längs der zugehörigen Drehachse dargestellt wird.

Unter dem Einfluss eines konstanten und homogenen statischen Magnetfelds H0 richtet sich der Dipol in einer von zwei Richtungen auf H0 aus: parallel oder anti-parallel zum Feld. Das magnetische Drehmoment des Kerns ist niedrig und benötigt ein starkes Feld zur Anregung, damit die Ausrichtung erzielt wird. Die dazu nötige magnetische Induktion B0 liegt normalerweise zwischen 0,2 und 3 Tesla. MRT-Scanner verwenden supraleitende Spulen, um mit den dazu notwendigen großen elektrischen Strömen homogene Felder dieser Stärke über eine Fläche, die für das Abbild des menschlichen Körpers erforderlich ist, zu erzeugen.

Die Atomkerne richten sich nicht genau entlang der Achse des angelegten Feldes aus. Ihre Spin-Achse präzediert oder rotiert um die Achse des angelegten Feldes auf einer Kegelschale mit einer Winkelgeschwindigkeit ω0. Die damit verbundene Frequenz nennt man Larmor-Frequenz. Zwischen der Larmor-Frequenz und der Stärke des statischen Feldes gibt es eine einfache Beziehung (mit γ = gyromagnetisches Verhältnis):

ω0 = γB0

So ergibt sich zum Beispiel bei einem Feld B0 = 1 Tesla eine Frequenz f0 = 42,5 MHz. Um ein nachweisbares Signal zu erhalten, müssen die Kerne mittels Resonanzeffekt auf einen höheren Energiezustand gebracht werden. Das lässt sich durch Anlegen eines weiteren, hochfrequenten externen Feldes H1 erzielen, das über eine Frequenz verfügt, die der Larmor-Frequenz entspricht. Während H1 angelegt wird, sind die Spin-Achsen der Atomkerne nicht mehr auf H0 ausgerichtet, sondern verschieben sich in die X/Y-Ebene. Nach Abschalten des Erregerfelds H1 richten sich die Spin-Achsen wieder auf H0 aus und die zusätzliche, bei der Erregung durch H1 aufgenommene Energie wird wieder in Form einer gedämpften elektromagnetischen Welle abgestrahlt. Eine Antenne nimmt die gedämpfte Welle auf, was zu einer induzierten FID-Spannung führt. Der Computer des MRT-Systems verarbeitet dieses Signal zu einem dreidimensionalen oder einem Schnittbild.

Magnetfelder erzeugen

Heutige MRT-Geräte erzeugen in der Regel das statische Feld mit einer Magnetspule, die aus Niob-Titan-Draht (NbTi) besteht, und die bei einer Temperatur von 4 K mit flüssigem Helium gekühlt wird. Zusätzliche Gradienten-Spulen prägen dem statischen Feld H0 einen magnetischen Ortsverlauf auf. Diese Gradienten liefern die räumlichen Informationen, aus denen die Bild-Geometrie abgeleitet wird. Die Bilderfassung erfolgt jeweils in einer Ebene oder Schicht. Um sicherzustellen, dass nur Signale von den Atomkernen in dieser Ebene empfangen werden, dürfen lediglich diese bestimmten Atomkerne im Resonanzzustand angesiedelt sein.

„Das Auftreten der Resonanz ist stark abhängig vom Wert des Magnetfelds H0 – mit anderen Worten ausgedrückt ist die Resonanzspitze sehr ausgeprägt“, erklärt Claude Gudel. „Die Gradientenspulen überlagern dieses Magnetfeld derart, dass das endgültige Magnetfeld genau gleich H0 ist, und zwar nur genau in der interessierenden Ebene.“ Das Gradientenfeld lässt sich mit zwei Spulen erzeugen, durch die gegenläufige Ströme fließen. Diese Spulen sind so angeordnet, dass sie an einem Ende der interessierenden Region das Feld verstärken, und es am anderen Ende abschwächen.

Drei Paar Gradienten-Spulen sind um den Zylinder des MRT-Scanners angeordnet und erzeugen drei orthogonale magnetische Felder. Damit lässt sich das magnetische Feld an jedem beliebigen Punkt im Volumen des Zylinders einstellen. Die Ansteuerung der Gradienten-Spulen erfolgt über Gradienten-Verstärker, die in einem geschlossenen Regelkreis arbeiten. Jeder MRT-Scanner braucht daher drei Stromregelungen. „Und genau in diesen Regelkreisen leistet die neue Stromsensor-Technologie einen wichtigen Beitrag“, unterstreicht Claude Gudel.

Die Gesamtgenauigkeit im Blick

Klarheit und Auflösung des Bildes sind direkt mit dem angelegten Magnetfeld verknüpft und so mit der Regelung des in die Gradienten-Spulen injizierten Stroms. Einer der wichtigsten Faktoren im Stromregelkreis ist die Gesamt-Genauigkeit des Stromsensors. Dieser Sensor muss einen Linearitäts-Fehler von < 3 ppm des Messbereiches, ein Rauschen im Niederfrequenzbereich zwischen 0,1 Hz und 1 kHz, eine Offset-Drift mit < 0,3 ppm/K über den gesamten Temperaturbereich sowie einen niedrigen Empfindlichkeitsfehler aufweisen. Darüber hinaus muss er über eine sehr hohe Stabilität des Offset-Werts über die Zeit, einen Messbereich von 900 App und eine Bandbreite mit einem -3 dB Punkt bei 200 kHz verfügen.

So genau wie möglich

Um die Detailgenauigkeit von Magnetresonanztomographie-Bildern zu verbessern, kommt mit dem Double-Fluxgate-Closed-Loop Stromwandler ITL 900  ein Baustein zum Einsatz, der im Gegensatz zur herkömmlichen Halleffekt-Technik mit Vorteilen, wie eine hohe Gesamtgenauigkeit oder niedrige Empfindlichkeitsfehler, punktet. Zwar hakt es noch im Betriebstemperaturbereich, aber Patienten dürften für detailgetreuere MRT-Bilder nicht ganz undankbar sein.

„Ein Stromsensor, wie unser Double-Fluxgate-Closed-Loop Stromwandler ITL 900, hat zwar oberflächlich betrachtet eine gewisse Ähnlichkeit mit der herkömmlichen Halleffekt-Technik, bietet ihr aber gegenüber wichtige Vorteile“, unterstreicht Claude Gudel und fasst die Vorteile kurz zusammen: „Der Baustein erfüllt alle oben genannten Anforderungen und eignet sich neben dem Einsatz in MRT-Gradientenverstärkern auch für viele andere hochgenaue Strommessungen.“ Bis jetzt ist die Technologie zwar auf einen Betriebstemperaturbereich von +10 bis +50 °C beschränkt. „Die Technik wird aber mit dem Ziel einer noch genaueren Hochstrom-Messung weiterentwickelt“, so Claude Gudel. Damit dürfte der ITL 900 Strommesswandler für die Zukunft des MRT-Scanners eine ähnliche Bedeutung erlangen, wie der Halleffekt-Strommesswandler bei seiner Einführung.

Der Beitrag basiert auf Textmaterial von LEM.

(eck)

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