Eine Revolution in der Diagnostik

Die Magnetresonanztomografie (MRT) ist ein seit Jahrzehnten etabliertes bildgebendes Verfahren in der Medizin. In der Zahnmedizin wurde sie bislang vergleichsweise zurückhaltend eingesetzt – primär wegen der hohen Kosten, der längeren Untersuchungszeiten und der geringeren Eignung für die Darstellung knöcherner und mineralisierter Strukturen. Aber Fortschritte in der KI-gestützten Bildverarbeitung und der Sensorik haben die Entwicklung von MRT-Niedrigfeldgeräten möglich gemacht, die mit erheblich geringerem apparativem Aufwand – und somit vergleichsweise effizienter als bisher – arbeiten können.

So stellte die Firma Siemens Healthineers im Juni 2024 gemeinsam mit dem Dentalpartner Dentsply Sirona das weltweit erste speziell für die Zahnmedizin entwickelte „dental dedizierte MRT“ (ddMRT) vor: das MAGNETOM Free.Max Dental Edition. Im Zentrum der Neuentwicklung steht eine von den Herstellern entwickelte Empfangsspule, die dicht an den dentofazialen Bereich des Patienten herangeführt werden kann und als hochempfindliches Empfangsgerät für die Magnetresonanzsignale aus dem Gewebe dient. Die ansonsten mit dem für medizinische Anwendungen vertriebenen Niedrigfeld-MRT-Gerät MAGNETOM Free.Max baugleiche Dentalversion ermöglicht in Kombination mit der dental dedizierten Empfangsspule einen unkomplizierten und weitgehend automatisierten MRT-Scan der zahnmedizinisch interessanten Areale. Das Procedere dauert je nach den gewählten Untersuchungssequenzen etwa 10 bis 20 Minuten.

Mit dem standardisierten Scan-Vorgang, der Verfügbarkeit spezieller, auf dentale Fragestellungen optimierter Untersuchungssequenzen und dem Einsatz eines MRT-Geräts mit im Vergleich zur vorherigen Generation stark reduzierten Anschaffungs- und Betriebskosten steht damit heute ein Technologiepaket zur Verfügung, das – beispielsweise über Universitätskliniken und Diagnostikzentren – die MRT für viele dentale Anwendungsbereiche zugänglich macht.

Hinzu kommt, dass die MRT zwei wichtige Vorteile gegenüber den röntgenbasierten Verfahren bietet: Zum einen arbeitet sie ohne ionisierende Strahlung – damit entfallen die Limitierungen der Anwendung aus Strahlenschutzgründen, beliebig viele Verlaufskontrollen werden möglich. Zum anderen liefert die MRT eine exzellente Weichteilkontrastierung. Für zahlreiche Fragestellungen in der Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde – etwa im Bereich der Tumor- und Kiefergelenksdiagnostik – besitzt das MRT bereits eine dominante Stellung, zudem gewinnt es in weiteren Bereichen zunehmend an Bedeutung.

Beim Röntgen wird das untersuchte Areal durchleuchtet und die Bildgebung entsteht, indem die Energie des auf den Sensor auftreffenden Röntgenstrahls gemessen wird. Die Messung gibt darüber Aufschluss, wieviel Röntgenstrahlung im Gewebe absorbiert wurde und wie viel zum Sensor durchdringt. Während Hartgewebe wie Knochen und Zähne hohe Absorptionsraten aufweisen (erscheinen hell), lässt Weichgewebe wesentlich mehr Strahlung durch (erscheint dunkel).

Die MRT basiert auf einem völlig anderen Prinzip. Hier werden Hochfrequenzimpulse in das Untersuchungsareal gesendet und das Gewebe „antwortet“ mit einem spezifischen Signal. Dieses Signal wird mit Sensoren registriert und der Bildverarbeitung zugeführt. Der Mechanismus macht deutlich, dass die MRT eine vielfach höhere diagnostische Vielseitigkeit als das Röntgen zulässt: Das Gewebe kann mit unterschiedlichen Hochfrequenzimpulsen angesprochen werden, worauf jeweils differenzierte und spezifische Antwortsignale ausgewertet werden können.

Der menschliche Körper besteht zu einem erheblichen Teil aus Wasser und Fett. In beiden steckt das chemische Element Wasserstoff mit einem Atomkern aus einem Proton. Damit befindet sich fast überall im menschlichen Gewebe eine sehr hohe Zahl von Wasserstoffprotonen. Genau das macht die Wasserstoffprotonen so wertvoll für die MRT: Sie sind überall, sie sind häufig und sie „antworten" auf Magnetfelder auf eine ganz besondere Weise.

Aber was ist ein Proton eigentlich? Das Proton ist zunächst einmal ein positiv geladenes Teilchen, doch zusätzlich besitzt es eine quantenmechanische Eigenschaft namens Spin. Den Spin kann man sich wie einen Drall vorstellen, wie einen winzigen Kreisel, der sich um seine eigene Achse dreht. Und dieser Drall macht jedes Proton zu einem kleinen Magneten.

Ohne äußeren Einfluss sind all diese­ Mini-Magnete völlig chaotisch im Gewebe angeordnet. Sie zeigen in alle möglichen Richtungen: Die Magnetfelder heben sich gegenseitig auf und das Gewebe wirkt nach außen hin völlig unmagnetisch. Legt man nun im MRT-Gerät ein Magnetfeld von außen an, können die Protonen zwei bevorzugte Zustände/Richtungen einnehmen: entweder „mit dem Feld“ (energieärmer) oder „gegen das Feld“ (energiereicher). Und jetzt passiert etwas Entscheidendes: Es gibt minimal mehr Protonen im energieärmeren Zustand. Dieser Überschuss richtet sich in Richtung des äußeren Magnetfeldes aus.

Bei einer Magnetfeldstärke von einem Tesla sind es nur wenige Protonen pro Million, die den energieärmeren Zustand einnehmen. Aber weil im Gewebe eine astronomische Zahl von Protonen steckt, wird aus „kaum messbar“ dann „eindeutig messbar“. Die MRT lebt von genau diesem Effekt: Sie nutzt ein extrem kleines Ungleichgewicht, das aber über Skalierung ein messbares Signal produziert.

Hier funktioniert die MRT anders als jede andere Bildgebung. Die Protonen stehen nämlich nicht einfach still im Magnetfeld, sie präzedieren – ähnlich einem Spielzeugkreisel, der nicht umfällt, sondern um die Schwerkraftrichtung einen kleinen Kegel beschreibt. Genauso beschreiben die Protonen einen Kegel um die Richtung des ­Magnetfeldes.

Diese Präzessionsbewegung hat eine definierte Frequenz — die sogenannte Larmorfrequenz. Und sie hängt direkt von der Stärke des Magnetfeldes ab: je stärker das Feld, desto schneller die Präzession. Für Wasserstoff liegt sie im Bereich der Radiowellen, bei 1,0 Tesla etwa bei 42 MHz, bei 1,5 Tesla etwa bei 63 MHz. Im Ruhezustand präzedieren die Spins zwar alle, aber völlig unkoordiniert — ihre Phasen sind zufällig, sie „reden durcheinander“. Das Signal, das sie gemeinsam aussenden, ist null.