MR-Bildgebung und -Spektroskopie an hyperpolarisierten Edelgasen

Der Einsatz von hyperpolarisierten Edelgasen (³He und ¹²⁹Xe) in der Kernspintomographie ist ein breit gefächertes Arbeitsgebiet. Anfänglich wurden an der PTB die Erzeugung und der Einsatz von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe vorangetrieben, um Spektroskopie an gelöstem ¹²⁹Xe im menschlichen Kopf in vivo durchzuführen. Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Absolutmessung der Flussgeschwindigkeit des Atemgases in den menschlichen Atemwegen.

In neueren Arbeiten wurde ein auf ¹²⁹Xe basierender Biosensor zur Untersuchung von Fragestellungen aus der Immunologie entwickelt und im Rahmen des BMBF Innovationswettbewerb Medizintechnik 2009 ausgezeichnet. Aktuell wird die Kinetik der Wirt-Gast Beziehung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe mit Trägersubstanzen untersucht.

In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Biosignale (8.2) wird intensiv am Forschungsfeld der SQUID-Detektion von frei präzedierenden Kernspins in extrem kleinen Magnetfeldern gearbeitet. Hier erlaubt die simultane Detektion der Spinpräzession zweier Spezies (³He und ¹²⁹Xe) ein „Uhrenvergleichs-Experiment“, so dass Einflüsse vom äußeren Magnetfeld eliminiert werden können und Grenzen für die Standardmodellerweiterungen bestimmt werden können.

Aktuelle Arbeitsgebiete

• Erzeugung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe und ³He
• Messung der freien Spinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen in extrem kleinen Magnetfeldern
• Hyperpolarisiertes Xenon-129 in der molekularen Bildgebung

Frühere Arbeitsgebiete

• Spektroskopie von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn
• Geschwindigkeitsmessung von strömenden Edelgasen
• Bildgebung hyperpolarisierter Edelgase in der Lunge
• Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Gläsern

• Erzeugung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe und ³He

  In der PTB wurden und werden für die unterschiedlichen Einsatzgebiete angepasste Apparaturen zur Erzeugung und Applikation von kernspinpolarisiertem ¹²⁹Xe und ³He aufgebaut [1,2], welche nach dem Prinzip des optischen Spinaustauschpumpens arbeiten. Die hiermit erreichbare Magnetisierung von ¹²⁹Xe oder ³He ist ca. 10000 mal größer als die Gleichgewichtsmagnetisierung desselben Gases im Hochfeld und erlaubt es, ortsaufgelöste MRT Aufnahmen im Hochfeld oder aber hochsensitive Messungen im Niedrigfeld durchzuführen.

• Freie Spinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen in extrem kleinen Magnetfeldern

  Die freie Spinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen zeigt in extrem kleinen Magnetfeldern (1 nT < B < 10 µT) hoher Homogenität, wie sie in den magnetisch geschirmten Kabinen der PTB vorliegen, sehr interessante Eigenschaften. So sind bei geringen Gasdrücken (p < 100 mbar) transversale Relaxationszeiten im Bereich mehrerer Stunden erzielbar [ 3]. Aufgrund des exzellenten Signal-Rausch-Verhältnisses sind diese Messungen auch geeignet, Magnetfelder zu charakterisieren [ 4].
  
  
  
  Aufbau und Messung der freien Spinpräzession in ultra niedrigen Magnetfeldern hier gezeigt von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe mit einer transversalen Relaxationszeit von 4560 Sekunden.
  
  Durch die gleichzeitige Messung der Spinpräzession von hyperpolarisiertem ³He und ¹²⁹Xe, gespeichert in einer Glaszelle, kann ein Komagnetometer realisiert werden, mit dem hoch sensitiv Kopplungseffekte mit den Kernspins von den Schwankungen des Magnetfeldes separiert werden können. Bei einer Messzeit von etwa zwei Stunden konnte eine Messunsicherheit der Differenzfrequenz der ³He und ¹²⁹Xe Spinpräzession von 0,2 nHz erzielt werden[ 5]. Somit konnten neue Obergrenzen für eine Verletzung der Lorentz-Invariantz [ 6,7], sowie für die Spin-abhängige kurzreichweitige Wechselwirkung zwischen Nukleonen [ 8] bestimmt werden. Aktuell sind Arbeiten zur Messung eines elektrischen Dipolmomentes des Xenon Kernspins (Xe-EDM) in Vorbereitung [ 9].

• Spektroskopie von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn

  Im Gegensatz zu Helium löst sich Xenon sehr gut in Blut und Gewebe und überwindet zudem die Blut-Hirn-Schranke. Somit kann mittels MR-Spektroskopie das ¹²⁹Xe nach dem Einatmen von hyperpolarisiertem Xenon-Gas im menschlichen Kopf nachgewiesen werden. Hierzu wurden Zeitreihenmessungen [ 10] unternommen, die mit Hilfe eines Perfusionsmodells analysiert werde konnten. Diese Untersuchungen ließen den Schluss zu, dass das in grauer Substanz gelöste Xenon von dem in weißer Substanz gelösten unterschieden werden kann.
  
   
  Messung der Signale von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn (Punkte) nach dem Einatmen des Gases zum Zeitpunkt t=0. Durch den Vergleich mit theoretisch berechneten Konzentrationen (Linien) kann die Herkunft der beiden Signale zugeordnet werden.
  
  In ortsaufgelösten spektroskopischen Messungen (so genannten CSI-Aufnahmen) war es zudem möglich, weitere Signale von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe zu detektieren, welche aus Bereichen außerhalb des Gehirns stammen [ 11].
  
   
  Ortsaufgelöste MR-Spektroskopie von ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn in einer sagittalen (oben), coronalen (mitte) und axialen (unten) Projektion. Das Signal bei 0 ppm (linke Spalte) rührt von gasförmigem Xenon im Vorratsbeutel, wohingegen die anderen vier Signale von im menschlichen Kopf gelöstem Xenon stammen. Die stärksten Signale bei 193 ppm und 196 ppm stammen aus dem Gehirn, wohingegen die Signale bei etwa 190 ppm und 201 ppm außerhalb des Gehirns detektiert werden.

• Geschwindigkeitsmessung von strömenden hyperpolarisierten Edelgasen

  Mittels der MR-Phasenkontrastmessung ist es möglich, die Geschwindigkeit von strömenden Medien absolut in m/s zu bestimmen. In Vorversuchen ergaben MR-Messungen mit hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe, welches in Rohrsystemen strömte, sehr gute Übereinstimmung mit theoretisch berechneten Strömungprofilen. Ebenfalls konnten erste Geschwindigkeitsmessungen von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe in vivo in der menschlichen Trachea durchgeführt werden [12].
  
   
  Koronales (links) und drei axiale (rechts) MR-Geschwindigkeitsbilder von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe in einem Flussphantom, welches die Verzweigung der menschlichen Hauptbronchien nachbildet.

• Bildgebung der Lunge mit ¹²⁹Xe und ³He

  Das bekannteste Anwendungsgebiet hyperpolarisierter Edelgase ist die MR-Bildgebung des inhalierten Gases in der Lunge. Hieraus lassen sich neue medizinische Aussagen gewinnen, da die gewöhnliche MR-Bildgebung, welche die im Gewebe befindlichen Protonen abbildet, nur sehr schwache Signale vom Lungengewebe detektieren kann.
  
   

  

  
  Im Protonenbild (links) sind kaum Signale aus der Lunge zu sehen. Im ¹²⁹Xe-Bild (rechts) ist das in die Lunge eingeatmete Gas sichtbar. Im mittleren Bild wurden beide Aufnahmen überlagert.
  
  
   

  

  
  Koronale (oben) und axiale (unten) MR-Bilder von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe (rot) und ³He (grün) in der menschlichen Lunge, gemessen an einem gesunden Probanden.  

• Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Gläsern

  Bei der Produktion und Speicherung von hyperpolarisierten Edelgasen spielt die Reinheit der verwendeten Gläser eine entscheidende Rolle. Insbesondere wären para- oder ferromagnetische Verunreinigungen extrem störend. Bei Messungen zusammen mit Mitarbeitern der AG von Prof. Heil aus der Uni Mainz konnte gezeigt werden, dass selbst in sehr reinen Gläsern ferromagnetische Verunreinigungen vorhanden sind [13].