D6 Erweiterte Bildgebung

Thema

Moderne Bildgebungsverfahren liefern strukturelle und funktionelle Informationen über das Innere des Bewegungsapparates mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung für eine quantitative Diagnose. Jedes dieser Verfahren nutzt ein spezifisches physikalisches Phänomen: Die Magnetresonanztomographie (MRT) nutzt die Präzession von Atomkernen um ein statisches Magnetfeld; die Computertomographie (CT) misst die Absorption eines Röntgenstrahls durch Gewebe; Hochfrequenz-Ultraschall misst die Laufzeit eines reflektierten Ultraschallimpulses im Körper; und die intravitale Mikroskopie nutzt optische Fluoreszenz zur direkten Darstellung von lebendem Gewebe.

Bei der MRT präzedieren die Wasserstoffkerne des Körpers, die sich wie winzige Magnete verhalten, mit einer für die jeweilige Feldstärke spezifischen Frequenz um das statische Magnetfeld des Scanners. Ein mit genau dieser Frequenz ausgesendeter Hochfrequenzimpuls kippt die Magnetisierung dieser Kerne aus ihrer Ruhelage. Das Signal, das die Kerne bei ihrer allmählichen Rückkehr in diese Ruhelage aussenden, wird während der Relaxation gemessen. Diese Rückkehr zum Gleichgewicht erfolgt gemäß zweier unterschiedlicher, gewebespezifischer Zeitkonstanten: Eine beschreibt, wie schnell die Magnetisierung in Feldrichtung wiederhergestellt wird, die andere, wie schnell sie senkrecht dazu abnimmt. Der Unterschied zwischen diesen beiden Zeitkonstanten erzeugt den Bildkontrast.

Eine Variante der Magnetresonanztomographie ermöglicht zudem die Messung der Wasserdiffusion im Gewebe in verschiedenen Raumrichtungen innerhalb jedes einzelnen Bildvolumenelements. Aus dieser Messung lassen sich sowohl die durchschnittliche Diffusionsrate des Wassers an diesem Punkt als auch der Grad der Vorzugsrichtung der Diffusion bestimmen. Dieser zweite Wert – die Vorzugsrichtung der Diffusion – quantifiziert die Integrität von Muskel- und Nervenfaserbündeln, da Wasser leichter entlang intakter, ausgerichteter Fasern diffundiert als durch beschädigte oder desorganisierte Fasern.

Im eingangs erwähnten Hochfrequenz-Ultraschall reflektiert jede Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Geweben einen Teil des durchdringenden Ultraschallimpulses. Dieser Anteil hängt davon ab, wie stark sich die akustische Impedanz der Gewebe beidseits der Grenzfläche unterscheidet. Die Auflösung, mit der das System Strukturen in verschiedenen Tiefen unterscheiden kann, ist umgekehrt proportional zur Frequenz des Ultraschallwandlers: Ein höherfrequenter Wandler liefert eine bessere Auflösung, dringt aber mit derselben höheren Frequenz weniger tief in das Gewebe ein.

Derselbe Ultraschall kann auch zur Messung der Gewebesteifigkeit mittels Elastographie eingesetzt werden: Dabei wird im Gewebe mechanisch eine Scherwelle erzeugt, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit mit Ultraschall gemessen wird. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Quadratwurzel der Schersteifigkeit des Gewebes, d. h. steifere Gewebe leiten die Scherwelle schneller weiter als weichere.

Das erwartete Verhalten während der gesamten Bildgebung bestätigt, dass jede Modalität reale Veränderungen im Gewebe erfasst: Bei der faseroptischen MRT-Variante nimmt die Richtungsabhängigkeit der Wasserdiffusion in von Neuropathie betroffenen peripheren Nerven ab; in der Elastographie ist die Schersteifigkeit einer gesunden Sehne zehn- bis hundertmal höher als die von entzündetem Gewebe; und die Computertomographie, dynamisch während der Fortbewegung und nicht in Ruhe durchgeführt, zeigt Gelenkbelastungsmuster, die in derselben Untersuchung in Ruhe nicht sichtbar sind. Zusammengenommen erklären diese drei Beobachtungen, warum die moderne Bildgebung die quantitativen strukturellen und funktionellen Informationen liefert, mit denen diese Beschreibung begann.

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