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Wissenschaft & Forschung Helium macht Lunge sichtbar Innovation in Mainz Auf der„Medica 2005“, der weltgrößten Messe für Medizinprodukte, wurden Physiker der Johannes Gutenberg-Universität ausgezeichnet, und zwar für die Entwicklung einer Apparatur zur Anwendung der Helium-Magnetresonanz- Tomographie. Die dazu notwendige Forschung wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 300.000 Euro unterstützt. Bereits im Mai 1996 machten Professor Dr. Werner Heil und seine Kollegen mit ihrer Publikation in der medizinischen Fachzeitschrift „The Lancet“ 1 Furore. Sie hatten Bilder einer menschlichen Lunge mit Hilfe der so genannten Helium- Magnetresonanz-Tomographie (MRT) angefer- Foto: Frank Erdnüss Prof. Dr. Werner Heil im Labor mit Hyperpolarisationsanlage. tigt. Damit war es erstmals möglich, die Lunge detailliert dreidimensional darzustellen, ohne den Patienten einer Strahlenbelastung auszusetzen, wie sie beim Röntgen oder bei der Computer-Tomographie (CT) unvermeidlich ist. Am 16. November 2005 wurde der Physiker Heil jetzt als einer von zehn Gewinnern beim Innovationswettbewerb zur Förderung der Medizintechnik in Düsseldorf geehrt. Im nächsten Jahr soll die dreijährige Förderung des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beginnen, denn, so Heil, „bis jetzt haben wir noch keine anwenderfreundliche Apparatur (einen so genannten Applikator), mit der das Edelgas dem Patienten zum richtigen Zeitpunkt und korrekt dosiert verabreicht werden kann.“ Bei der Entwicklung dieses marktreifen Applikators werden die Wissenschaftler von der Firma ic-automation GmbH unterstützt, einem Unternehmen mit einschlägiger Erfahrung und Sitz in Mainz-Weisenau. 1 Lancet 1996; 347: 1297-1299 18 Eine normale MRT nutzt die Protonen des Wasserstoffs, welcher reichlich im menschlichen Körper vorhanden ist, um ein Bild zu erzeugen. Sie werden durch das starke Magnetfeld des Tomographen polarisiert und liefern dann ein elektrisches Signal, das gemessen und optisch sichtbar gemacht wird. So lassen sich Bilder von allen Organen anfertigen, die Wasser beziehungsweise Wasserstoff enthalten. Bei der luftgefüllten Lunge scheitert die MRT also. Es sei denn, man ersetzt die überwiegend aus Stickstoff und Sauerstoff bestehende Luft in der Lunge durch ein Gas, das ebenso wie die Protonen des Wasserstoffs polarisiert werden kann. Genau danach haben Heil und seine Kollegen gesucht und mit dem reaktionsträgen Edelgas Helium einen Stoff gefunden, der auch noch ungiftig ist – eine entscheidende Voraussetzung für die medizinische Anwendung. So atmet also der Patient einen „Schluck“ polarisiertes Helium ein und schon lässt sich seine Lunge per MRT abbilden. Allerdings muss die Aufnahme genau im richtigen Moment gemacht werden, ansonsten ist das Helium schon wieder ausgeatmet. Und auch die eingeatmete Heliummenge, der so genannte Gasbolus, muss exakt bestimmbar sein. Nur dann kann man von einer standardisierten Methode sprechen, deren Ergebnisse vergleichbar sind. Zurzeit testen verschiedene Kliniken im In- und Ausland Helium-MRT’s innerhalb von klinischen Studien. Dabei werden zum Teil diejenigen Applikatoren genutzt, die als Prototypen in Mainz im Rahmen von Diplom- und Doktorarbeiten entwickelt wur-
den. Oder man behilft sich mit einfachen Plastiktüten, aus denen der Patient einen „Schluck“ Gas erhält. Für eine medizinische Routineanwendung ist das natürlich unbefriedigend, da das große diagnostische Potenzial dieser Methode nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. So atmet also der Patient einen „Schluck“ polarisiertes Helium ein und schon lässt sich seine Lunge per MRT abbilden. In seinem Labor auf dem Mainzer Campus demonstriert Professor Heil die Hyperpolarisations- Anlage, etwa vier Meter lang und bestehend aus Röhren, Lasern und druckresistenten Zylindern. „Hyper“ heißt die Anlage deshalb, weil darin ein besonders hoher Prozentanteil des Edelgases polarisiert wird. Das Gas ist also schon vorpolarisiert, wenn es am Tomographen zum Einsatz kommt. Das wiederum hat zur Folge, dass man bei der Helium-MRT durchaus auch mit schwächeren Magnetfeldern arbeiten kann, um ein Signal für die Bildgebung zu empfangen. „Zurzeit laufen Experimente bei der Firma Boehringer in Ingelheim, um unter anderem festzustellen, welche magnetische Feldstärke für die Helium-MRT optimal ist“, erläutert Heil. Die Hyperpolarisation des Gases, einer Variante des natürlichen Heliums, der im Kern ein Neutron fehlt (3He oder 3- Helium), ist dagegen schon Routine. Der „leichte Bruder des Heliums“, wie Heil das Gas bezeichnet, wird bei sehr geringem Druck (1/1.000 bar) mit zirkular polarisiertem Laserlicht polarisiert. Das Verfahren heißt Optisches Pumpen und ist schon seit den 1960er Jahren bekannt. Dabei wird der Drehsinn des Lichtes auf die Elektronenhülle und schließlich über magnetische Wechselwirkung auch auf den Kern des 3-Helium-Atoms übertragen. Die Kerne, die als kleine rotierende Kreisel (Spin) aufgefasst werden können, richten sich dann fast vollständig entlang der Einfallsrichtung des Lichtes aus (Polarisation) und erzeugen so ein Magnetfeld. Dieses wird dann letztlich in der Helium-MRT nachgewiesen. Das polarisierte Gas wird anschließend in einem Druckzylinder komprimiert und bei zirka drei bar in speziellen Glaskolben gelagert. „Nur darin bleibt die Polarisation möglichst lange erhalten“, erklärt der Experte, „denn unter Normalbedingungen würden die Spins ziemlich schnell wieder in den chaotischen Urzustand zurückkehren.“ Mehrere Jahre habe man geforscht, um diese optimale Lagerungsart zu finden. Jetzt kann das Gas noch nach mehr als 100 Stunden für eine MRT ver- Helium-MRT in der Mainzer Uni-Klinik: Ein Patient im Kernspin-Tomographen atmet polarisiertes 3-Helium ein. Diesen Prototyp eines Applikators gilt es nun zu ersetzen. wendet werden – was seinen Marktwert steigert. So wird das in Mainz polarisierte 3-Helium zum Beispiel auch ins europäische Ausland zu Kliniken nach Kopenhagen, Paris und Sheffield verschickt. Für den Transport mussten ebenfalls besondere Boxen entwickelt werden, in denen die Glaskolben sicher und von einem schwachen Magnetfeld umgeben verschickt werden können. Nur ungefähr 1,5 Millionen Liter 3-Helium fallen pro Jahr an, weltweit, und mit einem Liter Gas können in der Regel drei Patienten untersucht werden. Auf die Frage, woher er denn das „leichte Helium“ bekommt, antwortet Heil: „3-Helium ist in der Atmosphäre nicht vorhanden. Es wird als Abfallprodukt aus dem radioaktiven Zerfall des Tritiums gewonnen und wir müssen es kaufen.“ Nur ungefähr 1,5 Millionen Liter 3-Helium fallen pro Jahr an, weltweit, und mit einem Liter Gas können in der Regel drei Patienten untersucht werden. Daher wird das seltene Edelgas nach der MRT wieder aufgefangen. Glaskolben und Transportbox mit verbrauchtem (nicht mehr polarisiertem) 3-Helium kommen dann nach Mainz und damit in den Kreislauf zurück. Frank ERDNÜSS ■ Information: http://www.helium.uni-mainz.de/ oder http://www.physik.uni-mainz.de/exakt/ helium3/forsch/anwend/lung/ 19 Wissenschaft & Forschung Darstellung der menschlichen Lunge mit Hilfe der Helium-MRT. Oben die Lunge eines Gesunden, unten eine Raucherlunge. Die Pfeile markieren die nicht mehr funktionstüchtigen bzw. nicht mehr durchlüfteten Bereiche der Lunge. [JOGU] 195/2006 Foto.: © Werner Heil Abb.: © Werner Heil
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