Klaus Roth NMR- Tomographie und -Spektroskopie in der Medizin Eine Einführung Mit 122, zum Teil farbigen Abbildungen und 12 Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1984 Priv.-Doz. Dr. Klaus Roth Fachbereich Chemie, Institut für Organische Chemie der Freien Universität Berlin, Takustraße 3, 1000 Berlin 33 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Roth, Klaus: NMR-Tomographie und -Spektroskopie in der Medizin: e. Einf.! Klaus Roth. - Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer 1984 ISBN 978-3-540-13076-5 ISBN 978-3-662-00120-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-00120-2 Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, ins besondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildun gen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des § 54, Abs.2 UrhG werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", München, wahrgenommen. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1984 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetz gebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikations formen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Anga ben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literatur stellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. 2121/3140-543210 Für Brigitte, die mich beim Schreiben dieses Buches hilfreich unterstützte und Timmy, der mich glücklicherweise des öfteren davon abhielt Vorwort Bereits die ersten Anwendungen der Kernspin(NMR)-Spektrosko pie und -Tomographie auf medizinische Fragestellungen unter Ver wendung noch sehr unvollkommener Versuchs apparaturen ließen das außergewöhnliche Potential dieser Methode erahnen. Die folge richtig daraufhin einsetzende stürmische Entwicklung auf diesem Gebiet wurde v. a. von den Herstellerfirmen vorangetrieben, denen es gelang, durch Verbesserungen der Magnet- und Computertech nologie serienreife Geräte mit einer bereits erstaunlichen Bildquali tät herzustellen. Experimentelles Material aus ersten systematischen klinisch-diagnostischen Untersuchungen läßt klar erkennen, daß insbesondere die Kernspin(NMR)-Tomographie in Zukunft einen festen Platz in der klinischen Diagnostik einnehmen wird. Somit wird der klinische Mediziner mit einer völlig neuen Untersuchungstechnik konfrontiert, die es zunächst in ihren Grund lagen zu verstehen gilt. Da die NMR-Technik bereits seit langem in der Chemie und Physik vielseitig eingesetzt wird, liegen eine ganze Anzahl von Lehrbüchern vor, die sich jedoch meist an einen natur wissenschaftlichen Leserkreis wenden. Die darin vorausgesetzten physikalischen und mathematischen Kenntnisse, die sich auch im benutzten Vokabular ausdrücken, sind nicht Lehrinhalt eines Medi zin- oder Biochemiestudiums. Ziel dieser Einführung ist daher eine für den Mediziner verständliche Darstellung der Grundlagen der NMR-Techniken. Unter diesem Gesichtspunkt wurden an vielen Stellen des Bu ches drastische Vereinfachungen vorgenommen, die häufig mit ei nem gewissen - allerdings nach Meinung des Autors vertretbaren - Verlust an physikalischer Detailgenauigkeit verbunden sind. Insbe sondere bei der Darstellung der Messung von Relaxationszeiten und der Bildrekonstruktion auf der Basis der zweidimensionalen NMR-Spektroskopie wurde die Kompromißbereitschaft des Autors in dieser Hinsicht stark belastet. Wenn in den meisten Fällen die Entscheidung zugunsten der besseren Verständlichkeit gefallen ist, dann allein mit dem Ziel, dem Leser den ersten Einstieg in dieses physikalisch recht komplizierte Meßverfahren zu erleichtern. Um dem interessierten Leser den Übergang zur Originalliteratur zu er möglichen, sind im Anhang eine Darstellung des rotierenden Ko ordinatensystems und ein Glossar der gebräuchlichsten Fachaus drücke enthalten. Zur weiteren Erleichterung wird jedes Kapitel mit einer Auswahl von Literaturstellen ergänzt. VIII Vorwort Der Weg von der Idee zur Fertigstellung des Buchs konnte nur durch die Förderung und tätige Mithilfe vieler Kollegen und Freun de geschafft werden. Herrn Dr. J. Mittner danke ich für seine Hilfe stellung bei der Einarbeitung in die für mich ungewohnten medizi nischen Aspekte, wobei seine Geduld bei der Übersetzung der medizinischen Fachsprache besonders hervorgehoben werden muß. Herrn Priv. Doz. Dr. W. Fiegler danke ich für die Interpretation der abgebildeten Tomogramme und die kritische Durchsicht der aus gewählten Anwendungsbeispiele. Herrn Dr. H. Bauer, Dortmund, danke ich für die Durchsicht des Manuskripts und seine wertvollen Ratschläge. Herrn Dr. G. Holzmann danke ich für die künstlerische Darstellung des rotierenden Koordinatensystems. Besonders her vorheben möchte ich die Mithilfe von Dr. N.Ott, Berlin. Erst durch seine konstruktive Mitarbiet bei der Durchsicht des Manuskripts und seinen vielen Ideen zur verständlichen Darstellung komplizier ter Sachverhalte hat das Buch seine endgültige Form angenommen. Für die Überlassung von reproduktionsreifen Bildvorlagen möchte ich mich herzlich bei den folgenden Kollegen bedanken: Prof. B. Chance (University of Philadelphia) Dr. H. Friedburg (Universität Freiburg) Dr. D. G. Gadian (University of Oxford) Dr. A. Ganssen (Siemens, Erlangen) Dr. R. E. Gordon (Oxford Research Systems, Oxford) Priv. Doz. Dr. W. Huk (Universität Erlangen) Prof. L. Kaufman (Diasonics, San Francisco) Prof. J. R. Mallard (M&D Technology, Aberdeen) Dr. P. Morris (National Institute for Medical Research, London) Dr. H. Post (Bruker, Karlsruhe) Prof. R. E. Steiner (Hammersmith Hospital, London) Dr. H.J. Weinmann (Schering, Berlin) Dr. I. R. Young (Picker, Wembley) Dipl. Phys. M. Zabel (Bruker, Karlsruhe) Dr. Ziedses des Plantes (Kliniken Leyden) Dr. B. H. Zimmermann (Siemens, Erlangen) Herrn B. Lewerich und den Mitarbeitern vom Springer Verlag danke ich für die verständnisvolle Zusammenarbeit. Berlin, im Dezember 1983 Klaus Roth Inhaltsverzeichnis 1 Potentielle Anwendungen der NMR-Technik in der Medizin ................... . 1 2 Grundlagen der NMR-Spektroskopie. 5 2.1 Das NMR-Experiment .... 5 2.2 Die chemische Verschiebung . 10 2.3 Linienbreite und Relaxation 15 2.4 Messung des NMR-Signals. . 20 2.5 Aufbau eines Ganzkörper-NMR-Meßsystems 23 3 NMR-Spektroskopie intakter biologischer Systeme . ............ . 31 3.1 In-vivo-1H-NMR-Spektroskopie. 32 3.2 In-vivo-13C-NMR-Spektroskopie 33 3.3 In-vivo-31 p-NMR-Spektroskopie 34 4 NMR-Tomographie ........... . 54 4.1 Grundlagen des bildgebenden Verfahrens. 54 4.2 Bildrekonstruktion . . . . . . . . . 57 4.2.1 Auswahl der Bildebene . . . . . . . . 58 4.2.2 Bildaufbau durch Rückprojektion . . 59 4.2.3 Bildaufbau durch zweidimensionale Fourier-Transformation. . . . . 61 4.3 Messung der Relaxationszeiten 63 4.3.1 Spin-Gitter-Relaxationszeit Tl 67 4.3.2 Spin-Spin-Relaxationszeit T2 •• 69 4.4 Die verschiedenen Meßstrategien in der NMR-Tomographie ........... . 72 4.5 Das NMR-Tomogramm ........ . 76 4.5.1 Bildbestimmende Gewebeeigenschaften 76 4.5.2 Bildbestimmende Aufnahmeparameter . 81 4.5.3 Einfluß von Strömungen 85 4.5.4 NMR-Kontrastmittel .......... . 87 4.5.5 Meßzeit ................. . 90 4.5.6 NMR-Tomographie anderer Atomkerne 90 X Inhaltsverzeichnis 4.6 Beispiele erster Anwendungen der NMR-Tomographie. 93 4.6.1 Kopf. . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.6.2 Körperstamm . . . . . . . . . . . . 95 4.7 Gesundheitliche Risiken der NMR-Tomographie 102 4.7.1 Wirkung der physikalischen Größen auf den Organismus . . . . . . . . . . . 102 4.7.2 Risiko durch Metallimplantate . 103 4.7.3 Sicherheitsempfehlungen . 104 5 Ausblick ......... . 108 Anhang A Das NMR-Experiment im rotierenden Koordinatensystem 109 Anhang B Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6 Sachverzeichnis 116 1 Potentielle Anwendungen der NMR-Technik in der Medizin Im Jahre 1946 haben F. Bloch und E. M. Purcell das erste kernmagnetische Reso nanzexperiment (NMR = "nuclear magnetic resonance")1 durchgeführt, wofür Ihnen 1952 der Nobelpreis verliehen wurde. Seitdem hat sich diese physikalische Technik von einer Meßmethode der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen zu einem leistungsfähigen Instrument des Chemikers zur Struktur-und Konzentra tionsbestimmung von Molekülen entwickelt. Durch den Einsatz moderner Rech nersysteme, verbunden mit dem technischen Fortschritt der letzten Jahre in der Herstellung leistungsfähiger Magnetsysteme, gelang die Verbesserung der NMR Meßempfindlichkeit um mehrere Größenordnungen. Dadurch konnte mit dieser Methode erst in jüngster Zeit der biologisch-medizinisch relevante Konzentrations bereich erschlossen werden, wobei Messungen an intakten biologischen Systemen von besonderem Interesse sind. Aufgrund der in den letzten Jahren mit Hilfe der NMR-Technik gewonnenen Erkenntnisse über den Stoffwechsel gesunder und kranker Zellen lassen sich für diese experimentelle Technik große Möglichkeiten im klinisch-diagnostischen Bereich der Medizin vorhersagen. Bisher wurden v. a. in 2 Richtungen umfangreiche Untersuchungen durchge führt. Auf der Basis eines von P. C. Lauterbur 1973 entwickelten Verfahrens läßt sich aus geeignet gemessenen NMR-Daten ein Schnittbild der Gewebswasservertei lung berechnen. In Anlehnung an die Röntgencomputertomographie (CT) wird diese Methode als NMR-Tomographiebezeichnet. Abbildung 1 und 2 zeigen typische NMR-Tomogramme eines gesunden Men schen, aufgenommen mit ersten Prototypen von NMR-Tomographen. Die bereits ausgezeichnete Bildqualität ist besonders hervorzuheben. Auf diesem Gebiet, das insbesondere von industrieller Seite dynamisch vorangetrieben wird, liegt bereits eine größere Anzahl von detaillierten Studien am gesunden und kranken Menschen vor. Eine zweite, die NMR-Tomographie ergänzende Untersuchungsmethode stellt die von der Firma Oxford Instruments, Ud. in Zusammenarbeit mit der Arbeits gruppe von Prof. G. K. Radda von der Universität Oxford entwickelte Topical magnetic resonance (TMR)-Technik dar. Durch eine geschickte experimentelle An ordnung können NMR-Spektren einzelner Körperteile und Organe in situ selek tiv untersucht werden. Insbesondere sog. Phosphor-NMR-Untersuchungen sind von größtem medizinischen Wert, da mit Hilfe eines Phosphor-NMR-Spektrums die wesentlichen Energieträger der Zelle Adenosintriphosphat, Kreatinphosphat 1 Für das kernmagnetische oder Kernspinresonanzexperiment hat sich im deutschsprachigen Raum die englische Abkürzung NMR durchgesetzt. Zur Vereinheitlichung wird auch der Begriff NMR-Tomographie für das bildgebende Verfahren benutzt, obwohl in einigen deutschsprachi gen Publikationen der Ausdruck Kernspintomographie verwendet wird 2 Potentielle Anwendungen der NMR-Technik in der Medizin Abb.l. Axiale Computer-und NMR-Tomogramme des menschlichen Kopfes. Die NMR-Tomo gramme (rechts) erlauben im Unterschied zu den Computertomogrammen eine deutlichere Diffe renzierung zwischen grauem und weißem Gehirngewebe. (Aufnahmen: R.E.Steiner und I.A. Young, London) Abb.2. Mediosagittales NMR-Tomogramm des Autors. Im Gegensatz zur Computertomographie ist die Bildebene in der NMR-Tomographie nicht durch das Meßsystem vorgegeben, sondern kann ohne Umlagerung des Patienten elektronisch beliebig definiert werden. Im NMR-Tomogramm werden wasserhaltige Gewebe hell und luftgefüllte Hohlräume dunkel abgebildet. Das NMR Tomogramm enthält eine Vielzahl von anatomischen Detailinformationen und zeichnet sich durch den großen Bildumfang aus: Weichteile, Knochenstrukturen und intrakranielle Strukturen sind gleichzeitig erkennbar. (Aufnahme: Technicare)