Kernspintomographie

Quantenmechanik mag einem als sehr abstrakte Theorie erscheinen, die uns im Alltag nur wenig berührt, bis man sich in einem Krankenhaus in einem Kernspintomographen wiederfindet. Kernspintomographen nutzen die quantenmechanischen magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffkernen, um Bilder des Körperinneren zu erzeugen. Dieses Verfahren wird als Magnet-resonanztomographie bezeichnet..

In der Quantenmechanik besitzen alle Atomkerne, Elementarteilchen und bekannte Teilchen wie Protonen und Neutronen eine Eigenschaft, die als Eigendrehimpuls (Spin) bezeichnet wird. Diesen Spin kann man sich als Rotation eines Teilchens oder Kerns um die eigene Achse vorstellen. Bei Elementarteilchen (wie Quarks) ist er eine immanente Eigenschaft (genau wie die elektrische Ladung oder die Masse).

Der Spin ist vom Drehimpuls des Teilchens abhängig, und weil ein einzelner Drehimpuls in der Quantenmechanik nur bei bestimmten diskreten (quantifizierten) Werten auftreten kann, kann man ihm eine Spinquantenzahl zuordnen. Ein Photon hat die Spinquantenzahl 1 (abgekürzt Spin-1), ein Elektron einen Spin von 1/2 (wie Quarks) und das Higgs-Boson (siehe „Hochenergiephysik“) hat überhaupt keinen Spin.

Der Spin weist auch eine Richtung auf, Up oder Down (oder positiv bzw. negativ), je nachdem, ob die Drehung um die Achse mit oder gegen den Uhrzeigersinn verläuft.

Protonen und Neutronen haben beide einen Spin von 1/2. Der Spin eines Atomkerns hängt vom Verhältnis der Protonen und Neutronen ab. Beispielsweise besitzt das am häufigsten vorkommende Wasserstoffisotop (1H) einen Kern mit einem einzelnen Proton und keine Neutronen. Dadurch hat es einen Gesamtspin von 1/2.

Weil 1H einen Spin ungleich null aufweist, besitzt es auch ein magnetisches Moment und damit ein sich veränderndes Magnetfeld (die Analogie in der klassischen Physik wäre, dass der rotierende geladene Körper ein Magnetfeld erzeugt). Es ist eben dieser Magnetismus, den der Kernspintomograph nutzt.

Der menschliche Körper ist voller Wasser und dieses Wasser besteht zum Teil aus Wasserstoff (insbesondere 1H). Wird dieser Wasserstoff einem sehr starken Magnetfeld ausgesetzt (zum Beispiel dem riesigen Magneten eines Kernspintomographen), nehmen die Protonen unterschiedliche Energien auf, und zwar je nachdem, ob ihr 1/2-Spin negativ oder positiv ist. (Man kann sich das so vorstellen, dass sich die Protonen mit oder gegen das Magnetfeld ausrichten.)

Dieser Gesamtunterschied im Energieniveau ist der Schlüssel zum Bild. Wird elektromagnetische Strahlung mit der richtigen Frequenz (also in Form eines Radiosignals) auf einen 1H-Kern angewandt, wird diese absorbiert. Diese Frequenz wird Resonanzfrequenz genannt.

Um ein Bild des Körpers zu erzeugen, verwendet ein Kernspintomograph einen zweiten Satz von Magneten, die so aktiviert werden, dass sie ein weiteres Magnetfeld als Schnitt durch den Körper erzeugen. Dieser »Schnitt« wird durch das elektromagnetische Feld angeregt. Die Kombination aus der verwendeten Radiofrequenz, der Stärke des Magnetfelds und der Beschaffenheit des abzubildenden Gewebes wird dabei berücksichtigt.

Durch das pulsierende zweite Magnetfeld kann elektromagnetische Strahlung von bestimmten Kernen absorbiert werden. Wird das Magnetfeld abgeschaltet, kehren die Kerne zu dem Energieniveau zurück, das dem großen Magnetfeld des Hauptmagneten entspricht, wobei elektromagnetische Strahlung in Form von Radiowellen abgegeben wird.

Das Radiosignal, dass vom Kern zurückgegeben wird, wenn er in seinen normalen Zustand im festen Magnetfeld zurückkehrt, wird vom Kernspintomographen erfasst und in ein Bild umgewandelt, das die Dichte des Materials im Körper wiedergibt.