Die Bildgebung des Gehirns ist ein Eckpfeiler der modernen medizinischen Diagnostik, insbesondere in der Psychiatrie und Neurologie. Sie ermöglicht es, die Struktur und Funktion des Gehirns detailliert zu untersuchen, was für die Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen unerlässlich ist. Es gibt verschiedene bildgebende Verfahren, die jeweils ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über diese Verfahren, einschließlich der Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT), Positronenemissionstomographie (PET), Hirnszintigraphie und Liquorszintigraphie.
Bildgebende Verfahren in der Psychiatrischen Diagnostik
In der psychiatrischen Diagnostik dienen bildgebende Verfahren in erster Linie dazu, das Gehirn darzustellen. Man unterscheidet Bildgebungsverfahren, die die Struktur des Gehirns darstellen, wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT), von Bildgebungsverfahren, die Funktionen des Gehirns darstellen können.
Computertomographie (CT)
Die Computertomographie ist eine computergestützte Röntgenuntersuchung, bei der mittels einer rotierenden Röntgenröhre Schnittbilder angefertigt werden können. Es entsteht eine schichtweise Darstellung des untersuchten Körperteils. In der psychiatrischen Diagnostik wird vorrangig der Kopf untersucht, um das Gehirn darzustellen. Bei der Untersuchung wird der Kopf des Patienten durch eine Art großen Ring bewegt, in dem sich diese Röhre befindet. Durch die unterschiedliche Durchlässigkeit der verschiedenen Gewebearten für Röntgenstrahlung kann die Hirnstruktur mit Hilfe von per Computer berechneten Bildern sichtbar gemacht werden. Selten kommt in der Psychiatrie bei bestimmten Fragestellungen zusätzlich Kontrastmittel zum Einsatz, welches intravenös verabreicht wird. Die Untersuchung dauert nur wenige Sekunden.
Die CT ist besonders geeignet zur Darstellung von Verletzungen oder krankhaften Veränderungen mit hoher Dichte, wie sie beispielsweise bei Blutungen und den Knochenstrukturen gemessen wird. Im Notfall spielt die CT-Perfusion eine wichtige Rolle bei der Schlaganfalldiagnostik. Hierbei erfolgen mehrere rasche Messungen nacheinander, um die Anflutung und Abflutung des Kontrastmittels im Gehirngewebe zu messen.
Die Strahlenbelastung einer Computer-Tomographie des Schädels liegt bei ungefähr 2 Millisievert.
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Magnetresonanztomographie (MRT)
Die Magnetresonanztomographie (MRT) erzeugt auf Basis der Nutzung starker Magnetfelder mittels Messung von erzeugten Strömen in wasserhaltigen Gewebestrukturen schichtweise Darstellungen. Es werden keine Röntgenstrahlen eingesetzt. Wichtig ist jedoch, dass der Untersuchte keine magnetisierbaren Gegenstände am oder im Körper trägt (z.B. Herzschrittmacher, Platten…). Auch hier wird der zu Untersuchende auf einer Trage liegend durch einen Ring gefahren, wobei er während der Untersuchung möglichst ruhig liegen sollte. Mittels dieser Untersuchung können insbesondere Strukturen im Weichteilgewebe gut dargestellt werden. Auch hier kann bei bestimmten Fragestellungen der Einsatz von intravenösem Kontrastmittel erforderlich sein. Nichtwasserhaltige Gewebe wie beispielsweise Knochen oder nichtmagnetisierbare Metalle geben kein Bildsignal oder können sogar zu starken Bildstörungen führen. Die Untersuchung des Kopfes dauert ca.
Die MRT nutzt die Tatsache, dass der menschliche Körper zu über 60 Prozent aus Wasser besteht. Die Wasserstoffatome reagieren auf das Magnetfeld und senden je nach Gewebeart unterschiedliche Signale aus, die in Schwarz-Weiß-Bilder umgerechnet werden. Ein Vorteil der MRT ist die echte dreidimensionale Darstellung. Krankhafte Veränderungen, die mit Wassereinlagerungen verbunden sind, sind mit der MRT gut darstellbar. Die MRT kann auch funktionelle Informationen liefern, indem sie die Zunahme der Gehirnaktivität in bestimmten Regionen über den Blutfluss misst. Mit der MR-Spektroskopie (MRS) können zudem bestimmte Stoffwechselvorgänge gemessen werden.
Positronenemissionstomographie (PET)
Während in der Computer- und Magnetresonanztomographie die Struktur des Gehirns dargestellt wird, zielt die Positronenemissionstomographie darauf ab, die Funktion des Gehirns und etwaige Veränderungen darin darzustellen. Hierfür wird dem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz (Glucose) intravenös verabreicht. Da diese an den Stoffwechselvorgängen des Gehirns beteiligt ist, kann man nach einer bestimmten Wartezeit (ca. 30 Minuten, während der der Patient mit einer Schlafmaske ruhig liegen muss) mittels eines Detektors abbilden, wo sich diese Substanz in welcher Konzentration anreichert. Die Untersuchung selbst dauert etwa 10 min, wobei der Patient liegend durch eine Röhre gefahren wird und möglichst ruhig liegen sollte. Auf diesem Weg ist es möglich, bestimmte Erkrankungen bereits sehr frühzeitig festzustellen, noch bevor ein in der strukturellen Bildgebung zu sehender Schaden eingetreten ist.
Beim PET wird ein schwach radioaktives Kontrastmittel verabreicht, welches bei Zerfall zwei Photonen in genau entgegengesetzte Richtungen aussendet. Ein Ring von Detektoren fängt diese Photonen auf und kann dadurch exakt feststellen, wo im Gehirn der Zerfall stattgefunden hat. Da das Kontrastmittel über das Blut vor allem dorthin transportiert wird, wo ein erhöhter Stoffwechsel stattfindet, erhält man eine Karte der Aktivität des Gehirns. Der am meisten eingesetzte molekulare Baustein ist ein Stoff, der dem Traubenzucker ähnelt (Fluordeoxyglukose, FDG).
Hirnszintigraphie
Auch in der Hirnszintigraphie ist es möglich, funktionelle Störungen des Gehirns zu diagnostizieren. Hierbei sind es insbesondere Störungen eines bestimmten Botenstoffes im Gehirn, des Dopamins, die mit dieser Methode dargestellt werden können. Diese treten bei verschiedenen Erkrankungen auf, die mit dem Untergang von Nervenzellen und damit einhergehenden Bewegungsstörungen und Störungen des Gedächtnisses und Verhaltens verbunden sind. Auch bei dieser Untersuchung wird ein radioaktiv markiertes Pharmakon verabreicht, dessen Verteilung nach einer Wartezeit von 3 Stunden mittels einer speziellen Kamera aufgezeichnet wird. Diese Aufzeichnung dauert etwa 45 Minuten, während der der Untersuchte ruhig auf dem Rücken liegt und sich die Kamera mit zwei Detektorplatten um seinen Kopf dreht.
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Liquorszintigraphie
Die Liquorszintigraphie macht das Nervenwasser (Liquor) sichtbar, sodass die Verteilung und das Fließverhalten des Nervenwassers über die Zeit beurteilt werden können. Dies ist wichtig, da diesbezügliche Störungen zu Funktionsstörungen des Gehirns führen können. Hierbei wird am ersten Tag über eine Nervenwasserpunktion eine geringe Menge Liquor entnommen und ein Radiopharmakon in den Rückenmarkskanal gegeben. Es erfolgt direkt im Anschluss eine Aufnahme (dauert ca. 10 Minuten) sowie eine weitere am nächsten Tag (dauert ca. 30 - 40 Minuten), während der der Untersuchte ruhig auf dem Rücken liegt und sich die Kamera mit zwei Detektorplatten um seinen Kopf dreht.
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und "Schlaue" Kontrastmittel (SCA)
In der Kognitiven Neurowissenschaft gehört die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) zur gängigsten nicht-invasiven Methode für die Darstellung von Hirnaktivität. Die funktionelle Magnetresonanztomographie basiert auf dem sogenannten BOLD-Signal (Blood Oxygen Level Dependend), das die neuronale Aktivität jedoch nur indirekt misst. Durch die Kopplung neurovaskulärer und hämodynamischer Effekte ist die Interpretation des BOLD-Signals schwierig. Trotz großer Fortschritte im Verständnis der neurophysiologischen Grundlagen des fMRT-Signals bleibt die exakte Beziehung zwischen dem gemessenen BOLD-Signals und dessen zugrundeliegender neuronalen Aktivität unklar.
Eine notwendige Weiterentwicklung der fMRT ist daher die Herstellung von Kontrastmitteln, die neurophysiologische Änderungen direkt anzeigen. Diese „schlauen“ Kontrastmittel (SCA) reagieren auf Änderungen im Gehirn, die in direktem Zusammenhang mit neuronalen Prozessen stehen. Es wurden bereits verschiedene Sensormoleküle vorgestellt, die in der Lage sind, bestimmte Ionen oder Neurotransmitter anzuzeigen. Die Forschung konzentriert sich auf das Design und die Herstellung von Molekülen, die auf paramagnetischen Metallkomplexen basieren. Diese Stoffe können Kalziumfluktuationen und Änderungen der pH- oder Neurotransmitterkonzentrationen anzeigen. Einige dieser Kontrastmittel arbeiten lokal in bestimmten Hirnstrukturen und helfen so, deren Funktion aufzuklären.
Kalzium ist ein unverzichtbares Metallion für die neuronale Signalweiterleitung. Die Möglichkeit, Kalziumfluktuationen mit Hilfe von MRT verfolgen zu können, ist von großer Bedeutung für die biomedizinische Forschung. Daher werden MRT-Sensoren mit integrierten Kalzium-Chelatbildern entwickelt, deren Aktivität im MRT verfolgt werden können. In Folge der selektiven Wechselwirkung dieser Moleküle mit Kalzium-Ionen kommt es zu Änderungen ihrer magnetischen Eigenschaften, die im MR-Kontrast sichtbar werden.
Kontrastmittel in der MRT: Gadolinium und seine Rolle
Gadolinium-haltige MR-Kontrastmittel (KM) sind seit 30 Jahren aus der Diagnostik nicht wegzudenken. Allerdings gab es Bedenken hinsichtlich erhöhter Signalintensitäten (SI) in bestimmten Hirnarealen nach wiederholter Gabe von Gd-haltigen KM. Die Europäische Kommission hat daraufhin den Einsatz einiger linearer Gd-haltiger KM innerhalb der EU untersagt. Im Gegensatz dazu haben die Zulassungen des linearen leberspezifischen KM Gadoxetsäure (Primovist®) sowie aller makrozyklischen KM (Gadotersäure [Dotarem®], Gadobutrol [Gadovist®] und Gadoteridol [ProHance®]) weiterhin uneingeschränkt Bestand.
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Es gibt Hinweise darauf, dass Unterschiede in der Stabilität der Gd-haltigen KM die erhöhten SI im Gehirn erklären könnten. Makrozyklische KM sind unter physiologischen Bedingungen kinetisch inert, d. h. keine messbaren Gd-Mengen werden freigesetzt. Lineare KM sind deutlich instabiler als makrozyklische KM.
Neue Entwicklungen in der MRT-Technologie
Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat enormes Potenzial für Diagnostik und Forschung. Nicht nur grobe Strukturen lassen sich damit bildlich darstellen, sondern prinzipiell auch biochemische Prozesse. In der Klinik eingesetzte MRTs eignen sich hervorragend, um zum Beispiel anatomische Strukturen im Gehirn darzustellen, einen Bandscheibenvorfall abzuklären oder Tumore zu vermessen. Bei der Darstellung von medizinisch interessanten Stoffwechselprozessen stoßen sie aber an ihre Grenzen.
Um die Empfindlichkeit des MRT zu erhöhen und biochemische Analysen zu ermöglichen, werden sogenannte Hyperpolarisierungsmethoden angewendet. Das sind physikalische Methoden, die dazu führen, dass sich die Spins - eine Art Kompassnadel - von Atomkernen vermehrt in eine Richtung ausrichten, so dass sie im MRT besser sichtbar sind. Ein vielversprechender Ansatz für die Bildgebung von Stoffwechselprozessen ist die Verwendung von hyperpolarisierten Kontrastmitteln. Hierbei werden körpereigene Substanzen wie Glukose (Traubenzucker) vor ihrer Anwendung quantenmechanisch bearbeitet, so dass sie im MRT ‚leuchten‘.
Eine neue Methode, die para-Wasserstoff-induzierte Polarisation (PHIP-X), ermöglicht eine breite Anwendung, da sie die MR-Signale von vielen Biomolekülen verstärkt. Damit könnten neuartige Kontrastmittel für die Präzisionsmedizin schneller und billiger hergestellt werden als bisher.
Untersuchung der Mikroskopischen Eigenschaften von Gewebe mittels MRT
NMR-Parameter, so z.B. Relaxationszeiten, spiegeln die mikroskopische Struktur der Umgebung wieder. Beispiele für Mechanismen, welche die Eigenschaften der mittels MR detektierbaren Wassermoleküle lokal verändern, sind: elektrische Feldgradienten (bei Kernen mit Quadrupolmoment), lokale magnetische Feldstörungen, welche durch die Verteilung verschiedener Elemente verursacht werden, Bewegungsbegrenzungen durch z.B. Membranen sowie die Konzentration bestimmter Substanzen (Proteine, Myelin, Ferritin).
Ein Teil der Forschung konzentriert sich auf die Messung „traditioneller” NMR-Parameter (Relaxationszeiten, Protonendichte) mit hoher Präzision und Genauigkeit unter Verwendung optimierter Methoden/Protokolle und Nachbearbeitungstechniken. Einen weiteren Fokus stellt die Entwicklung von Methoden für quantitative Bildgebung bei sehr hohen magnetischen Feldern dar. Phasen-, Suszeptibilitäts- und T2*-Kontrast bei hoher Auflösung und sehr hohen Feldern geben schon jetzt einen tieferen Einblick in die Gehirnstruktur, als es bei niedrigen Feldern möglich ist.
Ultraschall in der Neurologie
Beim Ultraschall genutzt wird der vom Physiker und Mathematiker Christian Doppler im 19. Jahrhundert entdeckte Doppler-Effekt. Dank dem Ultraschall können wir uns nicht nur den Blutfluss anhören, sondern auch das Gewebe und die Gefäße sehr gut anschauen (visualisieren). Damit lassen sich Verengungen (Stenosen) und Verschlüsse, aber auch Umgehungskreisläufe der Hals- und Kopfgefäße des Hirnkreislaufs erkennen. Die neurologische Gefäßultraschalldiagnostik ist heutzutage eine Standardmethode in der Ursachenklärung von Schlaganfällen. Dank der technischen Weiterentwicklung der Ultraschallsonden und Ultraschallgeräte wird auch die Anwendung zur Untersuchung des peripheren Nervensystems immer besser.
Angiographie
Bei der Angiographie (auch Arteriographie genannt) wird in der Regel nach einer örtlichen Betäubungsspritze in der Leiste das Kontrastmittel mit einer feinen dünnen Nadel direkt in die Leistenarterie gespritzt. Mit einer gleichzeitig durchgeführten Röntgenaufnahme lässt sich die Ader dann sichtbar machen. Über die Schlagader kann dann ein ganz dünner Schlauch (Katheter) bis in die hirnversorgenden Gefäße vorgeschoben werden. Mit der Angiographie können die Gefäße mit Hilfe eines Kontrastmittels dargestellt werden.
Klinische Relevanz und Zukunftsperspektiven
Die bildgebenden Verfahren haben die Neurologie revolutioniert und ermöglichen heute genauere Einblicke und eine zielgenauere Behandlung. Die MRT-Bilder von heute sind kaum mehr vergleichbar mit denen von vor 15 oder 20 Jahren. Abgesehen von dem technischen Fortschritt tun sich auch bislang unbekannte neue Anwendungsgebiete auf.