Wie funktioniert ein MRI? MRI steht für Magnetic Resonance Imaging und wird auf Deutsch als Magnetresonanztomografie bezeichnet. Anders als Röntgen oder CT erzeugt das Verfahren seine Bilder nicht mit Röntgenstrahlung. Es nutzt ein starkes Magnetfeld, Radiofrequenzimpulse und die magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffkernen im menschlichen Körper.
Das klingt zunächst kompliziert. Das Grundprinzip lässt sich jedoch gut verstehen: Das MRI bringt Wasserstoffkerne in eine bestimmte magnetische Ordnung, regt sie kurz mit Radiofrequenzimpulsen an und misst anschliessend Signale, die beim Zurückkehren des Systems in Richtung seines Ausgangszustands entstehen. Ein Computer berechnet daraus detaillierte Schnittbilder des Körpers.
Kurz gesagt: Wie entsteht ein MRI-Bild?
Der menschliche Körper enthält sehr viel Wasser und damit sehr viele Wasserstoffkerne. Im starken Magnetfeld des MRI entsteht aus deren magnetischen Eigenschaften eine messbare Gesamtmagnetisierung. Ein Radiofrequenzimpuls verändert diesen Zustand vorübergehend.
Nach dem Ende des Impulses entwickelt sich die Magnetisierung wieder in Richtung ihres Ausgangszustands. Dabei entstehen messbare Signale. Weil sich diese Signale je nach Gewebe unterscheiden, können daraus Bilder mit sehr unterschiedlichen Gewebekontrasten berechnet werden.
Warum spielt Wasserstoff beim MRI eine so grosse Rolle?
Wasserstoff ist im menschlichen Körper besonders häufig vorhanden. Er ist Bestandteil von Wasser und Fett und findet sich deshalb in nahezu allen Organen und Geweben.
Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aus einem einzelnen Proton. Dieses besitzt magnetische Eigenschaften, die für die Magnetresonanztomografie genutzt werden können.
Das MRI bildet deshalb nicht einfach „Wasser“ ab. Es misst vielmehr, wie sich Wasserstoffkerne in ihrer jeweiligen molekularen und geweblichen Umgebung unter bestimmten Messbedingungen verhalten.
Was macht das starke Magnetfeld?
Das wichtigste Bauteil eines MRI-Geräts ist ein sehr starker Magnet. Klinische MRI-Systeme arbeiten häufig mit einer Magnetfeldstärke von 1,5 oder 3 Tesla. Tesla (Einheit zur Angabe der Stärke eines Magnetfelds) beschreibt dabei die Magnetfeldstärke des Systems.
Ohne äusseres Magnetfeld sind die magnetischen Momente der Wasserstoffkerne unterschiedlich ausgerichtet. Im starken Magnetfeld des MRI entsteht eine geringe bevorzugte Ausrichtung entlang des äusseren Magnetfelds. Daraus ergibt sich eine messbare Gesamtmagnetisierung.
Die Wasserstoffkerne stehen dabei nicht einfach unbeweglich in einer Richtung. Ihre magnetischen Momente führen eine charakteristische kreiselförmige Bewegung um die Richtung des Hauptmagnetfelds aus. Diese Bewegung wird als Präzession (kreiselförmige Bewegung eines magnetischen Moments um die Richtung des äusseren Magnetfelds) bezeichnet.
Was machen die Radiofrequenzimpulse?
Nun kommt ein zweiter Bestandteil des MRI ins Spiel: Radiofrequenzimpulse (kurze elektromagnetische Impulse im Radiofrequenzbereich).
Ihre Frequenz wird so gewählt, dass sie zur Präzessionsfrequenz der Wasserstoffkerne im vorhandenen Magnetfeld passt. Unter diesen Bedingungen kann Energie besonders wirksam auf das Spinsystem übertragen werden.
Dieses Phänomen wird als Resonanz (besonders wirksame Energieübertragung bei einer passenden Frequenz) bezeichnet – daher stammt der Name Magnetresonanztomografie.
Der Radiofrequenzimpuls verändert die Richtung beziehungsweise den Zustand der messbaren Magnetisierung. Wird der Impuls beendet, entwickelt sich das System wieder in Richtung seines Ausgangszustands.
Woher kommt das messbare MRI-Signal?
Nach dem Radiofrequenzimpuls kehrt die Magnetisierung nicht schlagartig in ihren Ausgangszustand zurück. Die zeitliche Entwicklung hängt unter anderem von der molekularen Umgebung des Gewebes ab.
Dabei spielen zwei grundlegende Prozesse eine wichtige Rolle: die T1-Relaxation und die T2-Relaxation (unterschiedliche zeitliche Vorgänge, mit denen sich die Magnetisierung nach der Anregung verändert).
Fett, Flüssigkeit, Muskelgewebe, Gehirngewebe und krankhaft veränderte Gewebe besitzen unterschiedliche Relaxationseigenschaften. Genau diese Unterschiede tragen wesentlich zum hohen Weichteilkontrast des MRI bei.
Was bedeuten T1- und T2-gewichtete Bilder?
Radiolog:innen können durch die Wahl der Messparameter beeinflussen, welche Gewebeeigenschaften im Bild besonders hervorgehoben werden. Dadurch entstehen unterschiedliche sogenannte Wichtungen (gezielte Hervorhebungen bestimmter Gewebeeigenschaften im MRI-Bild).
Bei einer T1-gewichteten Aufnahme trägt der T1-Kontrast besonders stark zum Bild bei. Bei einer T2-gewichteten Aufnahme werden Unterschiede im T2-Verhalten stärker hervorgehoben. Flüssigkeit erscheint beispielsweise in vielen T2-gewichteten Aufnahmen signalreich und damit hell.
Das ist ein wesentlicher Unterschied zum CT: Aus einer MRI-Untersuchung entstehen nicht lediglich mehrere Ansichten mit demselben Bildkontrast. Unterschiedliche Messsequenzen können verschiedene Eigenschaften desselben Gewebes hervorheben.
Was ist eine MRI-Sequenz?
Eine MRI-Sequenz (genau festgelegte Abfolge von Radiofrequenzimpulsen, Magnetfeldgradienten und Signalmessungen) bestimmt wesentlich, welche Gewebeeigenschaften im Bild hervorgehoben oder unterdrückt werden.
Neben T1- und T2-gewichteten Aufnahmen gibt es zahlreiche weitere Techniken. Beispielsweise kann das Signal von Fett gezielt reduziert werden.
Die Diffusionsbildgebung (MRI-Technik zur Untersuchung der mikroskopischen Bewegung von Wassermolekülen im Gewebe) liefert zusätzliche Informationen und spielt beispielsweise bei der Untersuchung des Gehirns eine wichtige Rolle.
Welche Sequenzen benötigt werden, hängt von Körperregion und medizinischer Fragestellung ab. Deshalb besteht eine MRI-Untersuchung normalerweise aus mehreren aufeinanderfolgenden Messungen.
Woher weiss das MRI, woher ein Signal kommt?
Damit aus den gemessenen Signalen ein räumliches Bild entstehen kann, muss das System bestimmen können, aus welcher Körperregion ein Signal stammt. Dafür besitzt das MRI neben dem Hauptmagneten sogenannte Gradientenspulen (Spulensysteme, die das Magnetfeld während der Messung gezielt und geringfügig verändern).
Diese Magnetfeldänderungen erfolgen in unterschiedlichen Raumrichtungen. Dadurch hängen bestimmte magnetische Eigenschaften der Wasserstoffkerne von ihrer Position im Körper ab.
Mit mathematischen Rekonstruktionsverfahren kann der Computer aus diesen räumlich kodierten Signalen berechnen, wo sie entstanden sind, und daraus Schnittbilder zusammensetzen.
Warum ist ein MRI so laut?
Das starke Hauptmagnetfeld selbst verursacht nicht die typischen Klopf- und Brummgeräusche einer MRI-Untersuchung. Verantwortlich sind vor allem die Gradientenspulen.
Während einer Messsequenz werden die Gradienten sehr schnell verändert. Im starken Magnetfeld wirken dabei mechanische Kräfte auf das Gradientensystem. Dadurch entstehen Vibrationen und die charakteristischen Geräusche.
Deshalb erhalten Patient:innen während der Untersuchung einen Gehörschutz. Warum unterschiedliche Sequenzen verschieden klingen und weshalb diese Geräusche entstehen, erklären wir ausführlich im Beitrag „Warum ist das MRI so laut?“.
Was sind die Spulen auf oder um den Körper?
Bei vielen MRI-Untersuchungen wird eine sogenannte Empfangsspule (spezielles Spulensystem zum möglichst empfindlichen Empfang der MRI-Signale) unmittelbar an oder um die untersuchte Körperregion positioniert.
Für Kopf, Knie, Schulter oder Wirbelsäule gibt es beispielsweise speziell angepasste Spulensysteme. Je näher und besser die Empfangsspule an die untersuchte Region angepasst ist, desto günstiger kann das Signal-Rausch-Verhältnis (Verhältnis zwischen nutzbarem MRI-Signal und störendem Hintergrundrauschen) sein.
Je nach MRI-System und Untersuchung können Spulenelemente ausschliesslich Signale empfangen oder technisch auch an der Aussendung von Radiofrequenzimpulsen beteiligt sein. Sie erzeugen keine Röntgenstrahlung.
Warum dauert ein MRI länger als ein CT?
Ein CT kann grosse Körperbereiche innerhalb weniger Sekunden erfassen. Beim MRI werden dagegen meist mehrere unterschiedliche Sequenzen nacheinander aufgenommen. Jede dieser Messungen liefert andere Informationen über das untersuchte Gewebe.
Zusätzlich müssen zahlreiche Signale angeregt, räumlich kodiert und gemessen werden. Je nach Körperregion und Fragestellung kann eine MRI-Untersuchung deshalb deutlich länger dauern als eine CT.
Warum die Messzeit nicht beliebig verkürzt werden kann und welche modernen Verfahren die Untersuchung beschleunigen, erklären wir ausführlich im Beitrag „MRI-Untersuchung: Wie lange dauert sie?“.
Warum muss man während der Untersuchung möglichst ruhig liegen?
Viele MRI-Sequenzen sammeln über einen bestimmten Zeitraum Bildinformationen. Bewegungen können dabei die räumliche Zuordnung der nacheinander gemessenen Signale beeinträchtigen.
Dadurch entstehen Bewegungsartefakte (durch Bewegung verursachte Bildstörungen). Bilder können beispielsweise unscharf werden oder Veränderungen schlechter erkennen lassen.
Bei Untersuchungen von Brustkorb oder Bauchraum werden deshalb teilweise kurze Atemkommandos gegeben. Andere Sequenzen können mit der Atmung oder dem Herzschlag synchronisiert werden.
Warum kann das MRI Weichteile so gut unterscheiden?
Eine besondere Stärke des MRI ist sein hoher Weichteilkontrast. Das liegt daran, dass der Bildkontrast nicht nur von einer einzigen physikalischen Eigenschaft abhängt.
Durch unterschiedliche Sequenzen können unter anderem Relaxationseigenschaften, Fett- und Wasseranteile sowie die Beweglichkeit von Wassermolekülen unterschiedlich hervorgehoben werden.
Dadurch können sich Gewebe, die in anderen bildgebenden Verfahren ähnlich aussehen, im MRI deutlich voneinander unterscheiden.
Das ist beispielsweise bei vielen Untersuchungen von Gehirn, Rückenmark, Gelenken, Muskeln, Sehnen, Knochenmark, Beckenorganen und zahlreichen anderen Weichteilstrukturen von Vorteil.
Warum erscheinen MRI-Bilder derselben Körperregion unterschiedlich?
Wer verschiedene MRI-Bilder derselben Körperregion betrachtet, kann feststellen, dass ein Gewebe auf einem Bild hell und auf einem anderen dunkel erscheint.
Das ist normalerweise kein Widerspruch, sondern eine grundlegende Eigenschaft der Magnetresonanztomografie.
Durch unterschiedliche Sequenzen wird derselbe Körperbereich unter verschiedenen physikalischen Gesichtspunkten dargestellt. Radiolog:innen beurteilen deshalb mehrere Bildserien gemeinsam und vergleichen die Signaleigenschaften einer Veränderung zwischen den Sequenzen.
Verwendet ein MRI Röntgenstrahlung?
Nein. Die Magnetresonanztomografie verwendet keine ionisierende Röntgenstrahlung. Ihre Bilder entstehen durch das Zusammenspiel von Magnetfeld, Radiofrequenzimpulsen, Magnetfeldgradienten und den daraus gemessenen Signalen.
Das bedeutet allerdings nicht, dass bei einer MRI keine Sicherheitsregeln notwendig wären. Das starke Magnetfeld stellt besondere Anforderungen an Implantate, medizinische Geräte und metallische Gegenstände.
Deshalb werden Patient:innen vor der Untersuchung gezielt danach gefragt. Weitere Informationen finden Sie im Beitrag „MRI und Metall: Implantate, Herzschrittmacher und Schmuck“.
Bleibt das Magnetfeld nur während der Aufnahme eingeschaltet?
Bei den meisten klinischen MRI-Systemen ist das starke statische Magnetfeld dauerhaft vorhanden – auch dann, wenn gerade keine Untersuchung durchgeführt wird.
Das ist ein wichtiger Unterschied zur Röntgenstrahlung eines CT-Geräts, die nur während der eigentlichen Aufnahme erzeugt wird.
Deshalb gelten die Sicherheitsregeln im MRI-Bereich jederzeit. Bestimmte ferromagnetische Gegenstände (Gegenstände aus Materialien, die von einem Magnetfeld besonders stark angezogen werden können) dürfen beispielsweise nicht unkontrolliert in die Nähe des Magneten gelangen.
Was kann man mit MRI besonders gut untersuchen?
Das MRI eignet sich besonders für viele Fragestellungen an Weichteilen. Dazu gehören unter anderem Gehirn und Rückenmark, Gelenke, Bänder, Muskeln, Sehnen, Knochenmark und zahlreiche innere Organe.
Es kann jedoch nicht grundsätzlich „mehr“ sehen als andere bildgebende Verfahren. Für bestimmte Fragestellungen sind CT, Ultraschall oder Projektionsradiografie besser geeignet.
Welche Strukturen das MRI besonders gut darstellt und wo seine Grenzen liegen, erklären wir ausführlich im Beitrag „Was sieht man im MRI?“.
Welche Bildgebung sinnvoll ist, hängt deshalb immer von der konkreten medizinischen Fragestellung ab.
Warum wird manchmal MRI-Kontrastmittel benötigt?
Viele MRI-Untersuchungen liefern bereits ohne Kontrastmittel umfangreiche diagnostische Informationen.
Bei bestimmten Fragestellungen kann ein MRI-Kontrastmittel jedoch zusätzliche Informationen liefern, beispielsweise über die Durchblutung von Gewebe, Blutgefässe oder die Kontrastmittelaufnahme krankhafter Veränderungen.
Kontrastmittel wird deshalb nicht routinemässig bei jeder Untersuchung eingesetzt. Nutzen und mögliche Risiken erklären wir ausführlich im Beitrag „MRI-Kontrastmittel: Nutzen und Risiken“.
Häufige Missverständnisse über MRI
„Das MRI arbeitet mit Röntgenstrahlung.“
Nein. MRI verwendet keine Röntgenstrahlung und damit keine ionisierende Strahlung zur Bilderzeugung.
„Der Magnet macht direkt das Bild.“
Nicht allein. Das starke Magnetfeld schafft eine wesentliche Voraussetzung für die Messung. Für die eigentliche Bildgebung werden zusätzlich Radiofrequenzimpulse, Magnetfeldgradienten, Empfangssysteme und mathematische Rekonstruktionsverfahren benötigt.
„Ein MRI-Bild zeigt einfach die Menge an Wasser im Gewebe.“
Das wäre zu stark vereinfacht. Wasserstoff spielt zwar eine zentrale Rolle, das gemessene Signal hängt jedoch von mehreren physikalischen Eigenschaften des Gewebes und von der verwendeten Sequenz ab.
„Hell bedeutet im MRI krank.“
Nein. Ob ein Gewebe hell oder dunkel erscheint, hängt wesentlich von der verwendeten Sequenz ab. Eine Veränderung wird deshalb nicht allein anhand ihrer Helligkeit auf einem einzelnen Bild beurteilt.
„MRI ist immer besser als CT.“
Nein. Beide Verfahren besitzen unterschiedliche Stärken. MRI bietet bei vielen Weichteilfragestellungen Vorteile, während CT beispielsweise Lunge, Verkalkungen und zahlreiche knöcherne Details besonders gut darstellen kann und sehr schnelle Untersuchungen ermöglicht.
Fazit
Wie funktioniert ein MRI? Die Magnetresonanztomografie nutzt ein starkes Magnetfeld, Radiofrequenzimpulse und die magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffkernen, um Signale aus dem menschlichen Körper zu messen. Magnetfeldgradienten ermöglichen anschliessend die räumliche Zuordnung dieser Signale, aus denen ein Computer Schnittbilder berechnet.
Die besondere Stärke des MRI besteht darin, dass unterschiedliche Sequenzen verschiedene Eigenschaften desselben Gewebes hervorheben können. Dadurch entsteht der hohe Weichteilkontrast, der die Magnetresonanztomografie für zahlreiche medizinische Fragestellungen besonders wertvoll macht.
Das MRI ist deshalb nicht einfach eine andere Form von CT oder Röntgen, sondern ein bildgebendes Verfahren mit einem grundlegend anderen physikalischen Prinzip und eigenen diagnostischen Stärken.
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Literatur und weiterführende Informationen
- International Electrotechnical Commission (IEC): Medical electrical equipment – Part 2-33: Particular requirements for the basic safety and essential performance of magnetic resonance equipment for medical diagnosis. IEC 60601-2-33.
- American College of Radiology (ACR): ACR Manual on MR Safety. Aktuelle Fassung.
- International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Guidelines on limits of exposure to static magnetic fields. Health Physics. 2009;96:504–514.
- McRobbie DW, Moore EA, Graves MJ, Prince MR: MRI from Picture to Proton. Cambridge University Press.
- Westbrook C, Talbot J: MRI in Practice. Wiley-Blackwell.
- Brown RW, Cheng YCN, Haacke EM, Thompson MR, Venkatesan R: Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design. Wiley-Blackwell.
