Zusammenfassung
Ziel dieser Arbeit war der Aufbau einer Apparatur zur Erzeugung
ausreichender Mengen von hyperpolarisiertem 129Xe-Gas,
sowie dessen Einsatz als Kontrastmittel für in vivo
Untersuchungen am 3 Tesla Kernspin- (NMR) Tomographen der
Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Berlin einzusetzen. Mit
den letztlich erzielten 129Xe-Polarisationen PXe~20%
in einem Xe-Gasvolumen von ~0,5 l war es nicht nur möglich,
NMR-Bildgebung der menschlichen Lunge, sondern auch erstmals eine
129Xe-NMR spektroskopische Bildgebung des Gehirns eines
Probanden durchzuführen. Darüber hinaus wurde im Laufe
dieser Arbeit ein gänzlich anderes Einsatzgebiet für
hyperpolarisierte Gase aufgezeigt, dessen Schwerpunkt zuerst rein
physikalischer Natur war: die SQUID-Detektion der freien
Spin-Präzession in Magnetfeldern im Bereich weniger nT.
Es wurde zunächst eine statisch betriebene Apparatur zur
Polarisation von 129Xe durch optisches
Spinaustausch-Pumpen unter Verwendung von Rb-Dampf und nat. Xe-Gas
aufgebaut. Dieser experimentelle Aufbau wurde später durch eine
Apparatur ersetzt, die im kontinuierlichen Gas-Durchfluss arbeitet
und es gestattet, die 129Xe-Polarisationsverluste zu
minimieren. Mit Hilfe einer direkt an der optischen Pumpzelle
durchgeführten on-line 129Xe-NMR-Messung bei
120 kHz Kernresonanz-Frequenz (B0~10 mT) konnte eine
Messmethode zur Charakterisierung der Effektivität des optischen
Spinaustausch-Pumpens realisiert werden. Die Nachweisempfindlichkeit
der on-line NMR wurde im Laufe der Arbeit derart verbessert,
dass die Erzeugung der Kernspin-Polarisation quantitativ verfolgt
werden konnte.
Nicht-adiabatische Prozesse wurden ausgenutzt, um freie
Spinpräzession der 129Xe-Magnetisierung des
hyperpolarisierten Xe-Gases bei niedrigen Magnetfeldern (4-30 nT) in
einer magnetisch geschirmten Kabine der PTB Berlin anzuregen. Durch
das niedrige Restfeld in der geschirmten Kabine Brest~4,5
nT konnten Larmor-Präzessionszeiten TL=1/fL
von bis zu 18 s und T2-Relaxationszeiten von bis zu 8000 s
gemessen werden. Durch Variation des Gesamtdruckes in der Glaskugel,
in der sich das hyperpolarisierte Xe-Gas befand, konnte die durch
begrenzte Diffusion in magnetischen Feldgradienten hervorgerufene
T2-Relaxation im Bereich des motional narrowing
vermessen und die in diesem Bereich noch nicht getestete Theorie von
Cates et al. (PRA Vol. 37, 1988, S. 2877) erfolgreich angewendet
werden.
Die mit Hilfe der 3 Tesla NMR-Tomographie unter Verwendung von
hyperpolarisiertem Xe-Gas durchgeführte Bildgebung der
menschlichen Lunge hat gezeigt, dass der Einsatz dieses
Kontrastmittels in klinischen Studien möglich ist. Unter
Verwendung von an der PTB Berlin entwickelten
Sende-Empfangs-NMR-Spulen für 129Xe wurde die
Lungen-Bildgebung soweit verbessert, dass bei schichtselektiven
Aufnahmen im gesamten Lungenvolumen eine Auflösung von 4x4x20
mm3 realisiert werden konnten. Die Ergebnisse der
spektroskopischen Untersuchungen von 129Xe im Gehirn eines
Probanden zeigen Fortschritte gegenüber den bisher
veröffentlichen Messungen, welche zumeist an Tiermodellen
durchgeführt wurden. Nach dynamischen Messungen, mit denen das
An- und Abfluten des hyperpolarisierten 129Xe im Gehirn
studiert wurde, konnten erstmals schichtselektive 1D-CSI Aufnahmen
des im Gehirn gelösten hyperpolarisierten 129Xe
durchgeführt werden. |
