Erzeugung von hyperpolarisiertem 129-Xe-Gas und Nachweis mittles in vivo NMR- Bildgebung, NMR-Spektroskopie sowie SQUID-Messtechnik

Abstract

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.

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.