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FU Berlin
Digitale Dissertation

Wolfgang Kilian :
Production of hyperpolarized 129-Xe gas and detection by means of in vivo NMR-imaging, NMR-spectroscopy as well as SQUID-measurement
Erzeugung von hyperpolarisiertem 129-Xe-Gas und Nachweis mittles in vivo NMR-Bildgebung, NMR-Spektroskopie sowie SQUID-Messtechnik

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Abstract

The aim of this work was to built an apparatus for producing of hyperpolarized 129Xe gas of sufficient amount and polarization and to use this gas as contrast agent for in vivo measurements at the 3 Tesla magnetic resonance (MR) tomograph of the Physikalisch-Technische-Bundesantsalt (PTB) Berlin. With the 129Xe-polarization of PXe~20 % finally achieved in nat. Xe gas volumes of ~0.5 l it was possible to obtain lung images of a healthy volunteer and to get the first 129Xe spectroscopic MR images of the human brain. Furthermore, a completely different field of application of hyperpolarized Xe gas was demonstrated: the SQUID-detection of free spin-precession in magnetic fields of a few nT.

In the beginning an apparatus was built that worked in a cyclic mode to hyperpolarize 129Xe gas by optically spin exchange pumping using rubidium vapor and xenon gas in natural abundance (nat. Xe). Later on this set-up was replaced by an apparatus in which the gas was continuously driven through the pumping cell to reduce losses in the 129Xe polarization. By the use of an on-line 129Xe-NMR experiment working at 120 kHz resonance frequency (B0~10 mT) set up directly at the optical pumping cell it was possible to implement a method for characterizing the efficiency of the optical pumping process. The sensitivity of the on-line NMR experiment was improved such that the production of the nuclear spin-polarization could be quantitatively tracked.

Non adiabatic processes were utilized to initiate free precession of the 129Xe nuclear magnetization of hyperpolarized Xe gas at ultra low magnetic fields within a magnetically shielded room at the PTB Berlin. Due to the very low ambient field of Bamb~4.5 nT within the shielded room Larmor-precession times TL=1/fL of up to 18 s and T2-relaxation times up to 8000 s were observed. By varying the total pressure inside the glass cell containing the hyperpolarized Xe gas the T2-rates were measured in the motional narrowing regime. A theory of Cates et al. (PRA Vol. 37, 1988, S. 2877) which was not directly tested in this pressure regime before was successfully used to describe the measured T2-rates.

The human lung images obtained in conjunction with the 3 Tesla MR-tomograph using hyperpolarized Xe gas as contrast agent have shown that first clinical studies are now possible. By the use of MR transmit-receive coils for 129Xe specially built at the PTB Berlin a spatial resolution of 4x4x20 mm3 in the lung imaging was obtained. The results of the spectroscopic measurements of hyperpolarized 129Xe dissolved in the human brain demonstrated considerable improvements in comparison to the published measurements mostly performed on animals. By means of time resolved spectroscopic measurements the dynamic of the signal intensity in the brain was studied. Furthermore, first slice selective 1D chemical shift images of hyperpolarized 129Xe in the human brain were obtained.


Table of Contents

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Titel
Inhalt
1. Einleitung 1
2. Physikalische Grundlagen 5
    2.1. Atomphysikalische Grundlagen
      2.1.1. Atome im externen Magnetfeld
      2.1.2. Optische Übergänge
      2.1.3. Absorptionslinienbreiten
    2.2. Kern-Magnetische-Resonanz (NMR)
      2.2.1. BLOCHsche Gleichungen - Kernresonanz
      2.2.2. Ortskodierung (MRI) und -Raum-Formalismus
      2.2.3. Chemische Verschiebung und Magnet-Resonanz-Spektroskopie (MRS)
    2.3. SQUIDs zur Messung des magnetischen Flusses
      2.3.1. JOSEPHSON-Kontakt
      2.3.2. dc-SQUIDs
3. Optisches Pumpen von Edelgasen 23
    3.1. Hyperpolarisierung durch optisches Spinaustausch-Pumpen
      3.1.1. Optisches Pumpen von Alkalimetall-Atomen
      3.1.2. Spinaustausch-Stöße
      3.1.3. Wand-Depolarisation
      3.1.4. Ein einfaches Ratenmodell
      3.1.5. Bestimmung der Alkalimetall-Teilchendichte
      3.1.6. Ausfrieren von hyperpolarisiertem Xe Gas zur Akkumulation
    3.2. Hyperpolarisierung durch optisches Pumpen des metastabilen Zustandes
4. Experimentelle Realisierung des optischen Pumpens 37
    4.1. Die Photonenquelle
      4.1.1. Titan-Saphir-Laser
      4.1.2. Hochleistungs-Halbleiterlaser
      4.1.3. Polarisations-Einheiten für das Pumplicht
    4.2. Bestimmung der Rubidium-Elektronen-Polarisation
      4.2.1. Messungen mittels Kleinsignal-Absorption
      4.2.2. Vorversuche an einem FARADAY-Polarimeter
    4.3. On-line NMR zur Kontrolle der Xe-Polarisation
      4.3.1. Aufbau des gepulsten on-line NMR-Experimentes
      4.3.2. Messungen mittels on-line NMR
    4.4. Apparatur zum zyklischen Pumpen
      4.4.1. Untersuchungen zur Akkumulation des hyperpolarisierten Xenons
      4.4.2. Vergleichsmessungen zum optischen Pumpen mittels Ti:Sa-Lasers und Hochleistungs-Halbleiterlaser
    4.5. Durchfluss-Apparatur
      4.5.1. Die Fluss- und Druckregelung
      4.5.2. Die Akkumulationseinheit
    4.6. Testmessungen zum optischen Pumpen einer Xe-Entladung
      4.6.1. Erzeugung einer HF-Entladung
      4.6.2. Spektroskopische Untersuchungen am -Übergang
      4.6.3. Mögliche Weiterführung
5. Messungen am 3-T Tomographen 73
    5.1. MR-Spulen für Xe MRI / MRS
      5.1.1. Kleine, doppelt-resonante Oberflächenspule
      5.1.2. Große Oberflächenspulen und Differentialübertrager
      5.1.3. Flexible Draht-Spule
    5.2. Messungen an Phantomen gefüllt mit hyperpolarisiertem Xe
      5.2.1. Flipwinkel-Kalibration
      5.2.2. Bestimmung der absoluten Xe-Polarisation
      5.2.3. Relaxation der Xe-Polarisation in Phantomen
      5.2.4. MR-Bildgebung von Phantomen
      5.2.5. Spektroskopie an Phantomen
    5.3. In vivo NMR-Messungen unter Verwendung von hyperpolarisiertem Xe
      5.3.1. Lungenbildgebung
      5.3.2. Spektroskopie am Brustkorb
      5.3.3. Spektroskopie am Kopf
6. Messungen in niedrigen (nT) Feldstärken mit SQUIDs 93
    6.1. Messung der freien Spin-Präzession
      6.1.1. Abschätzung des zu erwartenden Signals
      6.1.2. Erzeugung von freier Spinpräzession durch nicht-adiabatische Prozesse
    6.2. Relaxation der freien Spinpräzession von Xe
      6.2.1. Spinrelaxation durch begrenzte Diffusion in Gradientenfeldern
      6.2.2. Messungen der Druckabhängigkeit der -Relaxationsrate
      6.2.3. Abschätzung der Magnetfeld-Gradienten aus Messungen mit zwei Kugeln
    6.3. Messungen mit dem 37-Kanal SQUID-Magnetometer
    6.4. In vivo Messungen und deren Interpretation
7. Zusammenfassung und Ausblick 105
Anhang
A. Atomdaten 109
    A.1. Fein- und Hyperfeinstruktur im Magnetfeld
      A.1.1. Feinstruktur-Aufspaltung
      A.1.2. ZEEMAN-Aufspaltung / LANDEscher g-Faktor
      A.1.3. Hyperfeinaufspaltung
      A.1.4. ZEEMAN-Aufspaltung der Hyperfeinstruktur / Faktor
    A.2. Alkalimetall-Daten
    A.3. Xe, He und Protonen Daten
    A.4. Spinzerstörungs- und Spinaustausch-Raten
B. Programm zur Steuerung der Durchfluss-Apparatur und der on-line NMR
115
Tabellen-, Abbildungs- und Literatur-Verzeichnis
119
Danksagung
Lebenslauf

More Information:

Online available: http://www.diss.fu-berlin.de/2001/105/indexe.html
Language of PhDThesis: german
Keywords: hyperpolarized gases, NMR lung imaging, SQUID measurement
DNB-Sachgruppe: 29 Physik, Astronomie
Classification PACS: 32.80.Bx, 33.25.+k, 87.61.-c
Date of disputation: 27-Jun-2001
PhDThesis from: Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
First Referee: Prof. Dr. Herbert Rinneberg
Second Referee: Prof. Dr. Nikolaus Schwentner
Third Referee: Prof. Dr. Ernst-Wilhelm Otten
Contact (Author): w-kilian@web.de
Contact (Advisor): herbert.rinneberg@ptb.de
Date created:02-Jul-2001
Date available:06-Jul-2001

 


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