Medizin Unser Körper scheibchenweise

Vieles glaubt der Mensch nur, wenn er es sieht. Und vieles versteht er erst dann, wenn er ein anschauliches Bild davon hat. Oft sagt eben ein Bild mehr als tausend Worte. Auch die moderne Medizin ist zum großen Teil eine Bildermedizin. Längst staunt niemand mehr darüber, daß man in den Körper hineinschauen kann, ohne ihn aufschneiden zu müssen. Schließlich hat Wilhelm Conrad Röntgen schon 1895 diese Möglichkeit aufgezeigt. Aber die Bilder aus dem Körperinneren, die heute gewonnen werden, haben praktisch nichts mehr mit den frühen Röntgenaufnahmen gemein. Sogar auf die Röntgenstrahlen selbst läßt sich immer öfter verzichten. Die größte Konkurrenz ist dem Röntgen und seiner modernen Variante, der Computertomographie, aber durch eine andere Technik erwachsen - die Kernspintomographie. Zu den Pionieren dieser Technik gehören Paul Lauterbur aus den Vereinigten Staaten und Sir Peter Mansfield aus England. Die beiden Forscher erhalten für ihre bahnbrechenden Leistungen den diesjährigen Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Anders als bei der Röntgentechnik benötigt man für die Kernspintomographie keine ionisierende Strahlung. Vielmehr nutzt man Magnetfelder dazu, das Körperinnere abzubilden. Während die Anwendung ionisierender Strahlung stets mit einem, wenn auch kleinen, Risiko einhergeht, ist die Kernspintomographie zumindest nach heutigem Wissen unbedenklich. Vor allem hat sie aber ungeahnte Möglichkeiten eröffnet, was die Abbildung von weichem Gewebe betrifft. Im Gegensatz zu den Röntgenverfahren, die sich besonders zur Darstellung harter Strukturen wie Knochen eignen, erzeugt der Kernspintomograph außerordentlich kontrastreiche Bilder von praktisch allen "weichen" Organen. Insbesondere bei Untersuchungen des Gehirns und des Rückenmarks hat sich diese schonende Technik als segensreich erwiesen.

Bei der Kernspintomographie macht man sich eine physikalische Eigenheit von Elementarteilchen zunutze, den sogenannten Spin. Der Spin verleiht Neutronen, Protonen und Elektronen ein magnetisches Moment. Dieses kann durch ein von außen wirkendes Magnetfeld verändert werden und auch seinerseits das äußere Magnetfeld beeinflussen. Zusammengesetzte Objekte wie Atomkerne besitzen ebenfalls ein solches magnetisches Moment. Bei der Kernspintomographie geht es darum, die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen zunächst zu beeinflussen, dann die Wechselwirkung mit dem äußeren Magnetfeld zu ermitteln und daraus die Verteilung der entsprechenden Atome im Körper zu berechnen. Als Meßobjekt bietet sich das Wasserstoffatom an. Es ist nicht nur einfach aufgebaut, sondern kommt auch im Körper in größerer Zahl vor als jede andere Atomart. Der Körper besteht schließlich größtenteils aus Wasser, und ein Milliliter Wasser enthält etwa 30 Trillionen Wasserstoffatome.

Gewöhnlich weisen die Kernspins der Wasserstoffatome im Körper in alle erdenklichen Richtungen. Erzeugt man aber ein starkes äußeres Magnetfeld, ordnen sich etliche Wasserstoffkerne entsprechend dessen Richtung an. Daraus ließe sich noch kein Bild vom Körperinneren gewinnen. Vielmehr muß noch ein weiteres Magnetfeld einwirken, und zwar ein Wechselfeld mit hoher Frequenz. Die Frequenz wird so gewählt, daß die zum ersten Magnetfeld parallel ausgerichteten Spins teilweise in die entgegengesetzte Richtung klappen, es also zu einer Resonanz kommt. Springen sie anschließend in ihre ursprüngliche Position zurück, entsteht ein elektromagnetisches Signal. Es wird von empfindlichen Detektoren aufgenommen und eignet sich prinzipiell zur Berechnung eines Bildes von der Verteilung der Wasserstoffatome.

Mit dieser Technik könnte man allerdings nur ein ungenaues Bild vom ganzen Körper gewinnen. Gewünscht sind aber Schnittbilder, auf denen der Körper und die Organe gewissermaßen Scheibchen für Scheibchen mit großem Kontrast erscheinen. Daß diese Hürde überwunden werden konnte, ist maßgeblich das Verdienst der beiden Nobelpreisträger. So hat Lauterbur im Jahr 1973 herausgefunden, daß man durch Anlegen eines "Gradienten" zu den begehrten Schnittbildern kommen kann. Hierbei geht es darum, das statische Feld des starken Magneten mit einem weiteren Magneten entlang des Körpers zu verändern. Ziel ist es, die Spins schichtweise in jene Position zu bringen, in der sie mit dem anschließend eingestrahlten Hochfrequenzfeld in Resonanz treten. Legt man Gradientenfelder in allen drei Raumrichtungen an, erhält man Schnittbilder, die sich zu einer dreidimensionalen Darstellung des untersuchten Organs zusammenfügen lassen.

Hatte sich Lauterbur zunächst noch auf Laborversuche beschränken müssen, bei denen zwischen Schichten aus normalem und schwerem Wasser unterschieden werden konnte, gelang Mansfield ein weiterer Fortschritt in Richtung medizinischer Praxis. Er verfeinerte ebenfalls in den siebziger Jahren die Gradiententechnik entscheidend. Er fand eine Möglichkeit, die schwachen aus dem Gewebe eintreffenden Signale blitzschnell zu registrieren und als Bildinformation zu nutzen. Außerdem entwickelte er ein Verfahren, die Gradienten außerordentlich schnell zu verändern, die sogenannte Echo-Planar-Technik. Die ersten Kernspintomographen für medizinische Anwendung waren Anfang der achtziger Jahre verfügbar. Im Jahr 2002 dürften weltweit ungefähr 22000 solcher Geräte in Betrieb gewesen sein.

Die Kernspintomographie wird heute unter anderem dazu genutzt, sich schon vor einer Operation ein genaues Bild von der betreffenden Struktur im Körper zu machen. Beispielsweise kann der Neurochirurg anhand der Bilder planen, wie er bei einer Gehirnoperation am besten vorgeht. Auch bei der Plazierung von Elektroden im Gehirn, etwa zur Behandlung der Parkinsonschen Krankheit, ist die Kernspintomographie außerordentlich hilfreich, ebenso bei der Diagnostik von Epilepsien. Der Nutzen wurde durch die Entwicklung der sogenannten funktionellen Kernspintomographie nochmals erheblich gesteigert. Dieses Verfahren benötigt nur extrem kurze Aufnahmezeiten. Dadurch lassen sich Veränderungen der Hirnaktivität mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung ermitteln.

Die mit der Kernspintomographie gewonnenen Bilder aus dem Körperinneren haben schon ungezählten Patienten das Leben gerettet. Freilich bergen die immer perfekteren Bilder auch eine Gefahr: Allzu leicht verführen sie zu einer Bildergläubigkeit, die mit einer gewissen medizinischen Blindheit einhergehen kann.

Der Chemiker Paul C. Lauterbur, geboren am 6.Mai 1929 in Sidney (Ohio), war von 1969 bis 1985 an der University at Stony Brook in New York tätig. Dann wechselte er an die University of Illinois, zunächst in Chicago, dann in Urbana-Champain. Zu seinen zahlreichen Auszeichnungen gehört der 1984 verliehene Lasker-Preis.

Sir Peter Mansfield, geboren am 9. Oktober 1933, ist britischer Staatsbürger. Der 1993 geadelte Physiker ist seit 1964 an der University of Nottingham tätig. Von 1972 bis 1973 war er Senior Visitor am Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung in Heidelberg.