Funktionelle MRT (fMRT): Funktionsweise, Anwendungsgebiete & Ablauf
Als bildgebendes Verfahren der Radiologie hat sich die Magnetresonanztomographie (MRT) fest im klinischen Alltag etabliert. Zu ihren Vorteilen gehören die strahlungsfreie Durchführung und die hochauflösende Darstellung der untersuchten Strukturen. Das Verfahren lässt sich zudem um einen funktionellen Aspekt erweitern und wird dann als funktionelle MRT (fMRT) bezeichnet. Von Bedeutung ist diese Erweiterung vor allem bei der Befundung des Gehirns, denn sie ermöglicht die Beurteilung, welche Hirnareale bei einer Aufgabe oder im Ruhezustand zusammenarbeiten.
Mit der fMRT lassen sich Informationen darüber gewinnen, welche Hirnregionen in bestimmten Situationen besonders aktiv sind. Die wichtigste klinische Anwendung des Verfahrens liegt in der Vorbereitung neurochirurgischer Eingriffe, etwa im Zuge der Behandlung von Hirntumoren oder in der erweiterten Epilepsiediagnostik. Dabei hilft die fMRT, wichtige Areale wie Sprach- oder Bewegungszentren zu lokalisieren, damit diese während der Operation geschont werden.
Was ist der Unterschied zwischen der herkömmlichen MRT und der fMRT? – Beide Varianten im Vergleich
Wichtige Fakten auf einen Blick:
- Mit der herkömmlichen MRT lässt sich nur die Anatomie darstellen.
- Mit der fMRT lassen sich auch die aktiven Areale im Gehirn abbilden.
- Bei der aufgabenbasierten fMRT muss der Patient während der Untersuchung Aufgaben lösen bzw. ausführen.
Die technische Funktionsweise der fMRT unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der der herkömmlichen MRT. Die Bildakquisition basiert demnach auch bei der fMRT auf dem Einsatz starker Magnetfelder und Hochfrequenzimpulse. Aus den dadurch erzeugten Signalen werden anschließend Schnittbilder berechnet.
Der entscheidende Unterschied liegt in der Art der erfassten Informationen. Eine MRT-Untersuchung des Kopfes dient zur Darstellung des Gehirns, der Blutgefäße und des umliegenden Gewebes, um krankhafte Veränderungen präzise zu identifizieren. Mit hoher räumlicher Auflösung lassen sich beispielsweise Tumore, Entzündungen, Durchblutungsstörungen, Narben und Gewebeschäden sowie Fehlbildungen erkennen. Die fMRT ergänzt diese strukturelle Betrachtung um eine funktionelle Ebene: Sie beantwortet die Frage, welche Hirnregionen bei einer bestimmten Aufgabe oder in Ruhe gemeinsam aktiv werden.
So lässt sich unter anderem feststellen, ob ein Tumor unmittelbar neben einem Areal sitzt, das für die Bewegung einer Hand oder für bestimmte Sprachfunktionen eine wichtige Rolle spielt.
Die Bedeutung des BOLD-Effekts für die fMRT
Grundlage der häufig verwendeten fMRT-Technik ist der sogenannte BOLD-Effekt. Die Bezeichnung steht für „Blood Oxygen Level Dependent“ und bezieht sich auf ein Messsignal, das von der Sauerstoffsättigung des Blutes abhängt. Werden Nervenzellen in einem bestimmten Bereich des Gehirns stärker aktiv, steigt der Energie- und Sauerstoffbedarf. Als Reaktion nimmt die lokale Durchblutung zu, um mehr sauerstoffreiches Blut bereitzustellen.
Für die fMRT ist dabei der Unterschied zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Hämoglobin von Bedeutung. Sauerstoffarmes Hämoglobin hat andere magnetische Eigenschaften als die oxygenierte Variante. Verändert sich die Konzentration des sauerstoffarmen Hämoglobins im Blut, beeinflusst dies das MRT-Signal. Mit der Untersuchung wird somit nicht unmittelbar die elektrische Aktivität der Nervenzellen gemessen, sondern die ausgelöste hämodynamische Reaktion, wodurch der BOLD-Effekt zu einem indirekten Maß für die neuronale Aktivität wird.
Damit aus den vergleichsweise geringen Veränderungen des BOLD-Signals eine funktionelle Karte des Gehirns entstehen kann, reicht eine Aufnahme meist nicht aus, sondern es bedarf mehrerer Aufnahmen über einen bestimmten Zeitraum hinweg. Um dabei die Hirnareale zu identifizieren, die wichtige Körperfunktionen steuern, wird eine aufgabenbasierte Untersuchungsdurchführung genutzt.
Bei dieser fMRT wechseln sich Phasen mit einer bestimmten Aufgabe und Ruhephasen ab. Der Patient kann beispielsweise aufgefordert werden, wiederholt einen Finger oder eine Hand zu bewegen, bestimmte Wörter zu bilden oder über Begriffe nachzudenken, Bilder zu betrachten oder einfache sprachliche Aufgaben zu lösen.
Dabei wird kontinuierlich die Veränderung des MRT-Signals gemessen, um mithilfe statistischer Verfahren die Hirnregionen zu identifizieren, deren BOLD-Signal bei der jeweiligen Aufgabe schwankt. Derart erstellte Aktivierungskarten lassen sich mit anatomischen MRT-Aufnahmen kombinieren. Auf diese Weise ist eine Lokalisation der aktivierten Bereiche im Gehirn möglich sowie eine Einschätzung, in welcher Verbindung diese zu einer kritischen Läsion stehen. So entsteht eine räumliche Verbindung zwischen einer anatomischen Veränderung und den funktionell relevanten Bereichen des Gehirns.
Eine weitere Variante des Verfahrens ist die sogenannte Resting-State-fMRT, mit der spontane Schwankungen des BOLD-Effekts analysiert werden. So lassen sich unter anderem neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Demenz, aber auch psychiatrische Erkrankungen wie Depressionen oder die Folgen eines Schlaganfalls besser beurteilen, da die Zusammenarbeit verschiedener Hirnregionen in diesen Fällen gestört sein kann.
Neben der BOLD-fMRT finden weitere Verfahren zur Untersuchung des Gehirns Anwendung, wie die ASL-fMRT und die Multi-Echo-fMRT.
Wann kommt die fMRT zum Einsatz? – Anwendungsgebiete und Indikationen
Wichtige Fakten auf einen Blick:
- Eine der wichtigsten klinischen Anwendungen der fMRT ist die Vorbereitung von neurochirurgischen Eingriffen.
- Untersucht werden mit dem Verfahren vor allem das Sprachzentrum und die Hirnbereiche der motorischen Steuerung im Hinblick auf Läsionen.
- Durch die Aufnahmen der fMRT entstehen Aktivitätskarten zur Beurteilung kritischer Hirnregionen.
Eine der bedeutendsten klinischen Anwendungen der fMRT ist die Vorbereitung neurochirurgischer Eingriffe. Die Untersuchung kann zeigen, wo sich die funktionell relevanten Regionen im Gehirn befinden. Besonders kritische Bereiche sind das Sprachzentrum sowie die Areale, die für Bewegung und für Sinneswahrnehmung zuständig sind. Ziel ist es, diese wichtigen Bereiche bei einem operativen Eingriff zu schonen und ihre Funktionen zu erhalten. Gleichwohl ist zu betonen, dass die fMRT die ärztliche Operationsplanung nicht ersetzen, sondern nur durch zusätzliche Informationen ergänzen kann.
Die Abgrenzung zentraler Hirnregionen ist auch für die Vorbereitung epilepsiechirurgischer Eingriffe von Bedeutung. In diesem Zusammenhang kann die fMRT eingesetzt werden, um die Sprachdominanz zu untersuchen und zu klären, welche Gehirnhälfte überwiegend für die Sprache zuständig ist. Darüber hinaus liefert das Verfahren Hinweise zur räumlichen Nähe zwischen einem epileptischen Herd und den funktionell wichtigen Hirnarealen.
Die Lokalisation des Sprachzentrums spielt nicht nur bei der Planung von Eingriffen eine Rolle. Im Zusammenhang mit Sprachstörungen oder nach einem Schlaganfall ist die Bestimmung der funktionellen Bereiche eine wichtige Aufgabe, da sich unter anderem Reorganisationsprozesse im Gehirn aus den Aufnahmen ableiten lassen.
Neben dem Einsatz im präoperativen Kontext hat die fMRT auch in der Forschung eine Bedeutung, etwa im Hinblick auf den Schlaganfall, neurodegenerative und psychiatrische Erkrankungen oder chronische Schmerzen.
Wie läuft die fMRT ab? – Die einzelnen Schritte erklärt
Wichtige Fakten auf einen Blick:
- Der Ablauf einer fMRT orientiert sich weitgehend an der herkömmlichen MRT.
- Während der Untersuchung werden dem Patienten über Kopfhörer oder einen Bildschirm Aufgaben gestellt.
- Mit den funktionellen Aufnahmen kann ein normaler, struktureller MRT-Scan gekoppelt werden.
Der grundsätzliche Ablauf entspricht dem einer herkömmlichen MRT des Kopfes. Vor Beginn der Untersuchung erfolgt die Sicherheitsabfrage zu Metallgegenständen und medizinischen Implantaten – beispielsweise einem Herzschrittmacher – und früheren Operationen. Schmuck, Piercings, Hörgeräte und andere metallische Gegenstände müssen abgelegt werden. Besondere Vorbereitungsmaßnahmen wie die Einhaltung einer Nahrungsmittelkarenz und Nüchternheit sind in der Regel nicht erforderlich. Vor einer aufgabenbasierten fMRT werden die später durchzuführenden Aufgaben normalerweise ausführlich erklärt und gegebenenfalls außerhalb des Gerätes geübt. Entscheidend ist, dass die Aufgaben während der Untersuchung möglichst zuverlässig ausgeführt bzw. gelöst werden.
Während der Untersuchung liegt der Patient auf dem Untersuchungstisch und der Kopf wird in einer speziellen Empfangsspule gelagert. Anschließend fährt der Tisch in den MRT-Scanner. Zunächst werden meist konventionelle anatomische MRT-Aufnahmen erstellt, bevor die funktionellen Messungen durchgeführt werden. Je nach Fragestellung erfolgen die Anweisungen an den Patienten über Kopfhörer oder einen Bildschirm. Antworten kann der Patient beispielsweise durch das Drücken einer Taste. Oft besteht die fMRT aus mehreren Messabschnitten mit wechselnden Aktivitäts- und Ruhephasen.
Im Vergleich zu einer rein strukturellen MRT erfordert die funktionelle Untersuchung eine aktive Mitarbeit des Patienten. Zugleich sind Bewegungen während der MRT aber problematisch, da sie die Aktivierungsmuster verfälschen können. Die Dauer richtet sich immer nach der konkreten Fragestellung. Der eigentliche Aufgabenteil kann etwa 20 Minuten in Anspruch nehmen, während für die gesamte Untersuchung inklusive anatomischer Sequenzen mehr Zeit benötigt wird. Eine Kontrastmittelgabe ist für die fMRT selbst nicht zwingend erforderlich, kann jedoch für ergänzende anatomische oder tumorbezogene Sequenzen relevant werden.
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Fazit: Die fMRT kommt vor allem zur Operationsplanung und Epilepsiebeobachtung zum Einsatz
Mithilfe der MRT lassen sich im Gehirn strukturelle Veränderungen darstellen, bei denen es sich auch um Tumorläsionen handeln kann. Ist die Diagnose sicher, besteht eine mögliche Behandlung – neben der Bestrahlung – in der chirurgischen Entfernung. Bei der Planung des Eingriffs besteht die Herausforderung darin, wichtige funktionelle Areale des Gehirns zu identifizieren. Dies ermöglicht die fMRT durch die Abbildung von Aktivitätsmustern. Durch Veränderungen in der Durchblutung zeigt das Verfahren beispielsweise, wo das Sprachzentrum liegt. Auf dieser Basis lässt sich dann beurteilen, ob ein Tumor möglicherweise bereits in die kritische Zone eingedrungen ist und bei einem Eingriff folglich ein erhöhtes Risiko besteht. Gleichzeitig spielt die Methode auch bei der Planung epilepsiechirurgischer Eingriffe eine Rolle, wenn die Epilepsie nicht auf herkömmliche Therapieversuche anspricht.
FAQ zur fMRT: Die wichtigsten Fragen und Antworten
Ist für die fMRT die Gabe eines Kontrastmittels erforderlich?
Ein Kontrastmittel wird zur Durchführung der eigentlichen fMRT in den meisten Fällen nicht benötigt. Im Rahmen der aufgenommenen strukturellen Sequenzen kann sein Einsatz in Abhängigkeit von der zugrunde liegenden Erkrankung jedoch relevant werden. Dies gilt beispielsweise für die Abbildung eines Tumors im Gehirn. Durch die Kontrastmittelverwendung gestaltet sich die Vorbereitung – gerade im Hinblick auf das Einhalten einer Nahrungskarenz – mitunter etwas anders.
Wie lange dauert eine fMRT?
Wie viel Zeit die Untersuchung im konkreten Fall in Anspruch nimmt, wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Ein zentraler Aspekt ist die zu klärende medizinische Fragestellung. Auch das verwendete Untersuchungsprotokoll hat Einfluss auf die Dauer der fMRT. Schließlich hängt der zeitliche Rahmen auch von dem Aufgabenteil und der Notwendigkeit einer anatomischen MRT-Aufnahme ab.
Löst eine fMRT Schmerzen aus?
Die Durchführung der Untersuchung selbst ist nicht schmerzhaft. Mitunter können vom Patienten aber die Lagerung des Kopfes in der Spule und die Geräuschkulisse als störend empfunden werden. Da eine aktive Mitarbeit erforderlich ist, kommt eine Sedierung des Patienten im Fall der fMRT nicht infrage. Dies kann die Durchführung der Untersuchung bei Angstpatienten schwieriger machen.
