DE10324353A1

DE10324353A1 - Verfahren zum Transport eines hyperpolarisierten Edelgases

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Publication number: DE10324353A1
Application number: DE2003124353
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Appelt; Daniel Dr. Gembris; Jürgen Dr. Hesser; Horst Prof. Dr. Halling; Richard Dr. Patzak
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2005-01-13
Also published as: WO2004109312A2; WO2004109312A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport eines hyperpolarisierten Edelgases mit den Schritten:
- Es wird ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst,
- es wird eine schlauchförmige Vorrichtung mit vorgegebenem Innendurchmesser und Länge zum Transport des gelösten Edelgases so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgases größer ist als die Transitzeit in der Vorrichtung,
- das hyperpolarisierte Edelgas wird zielgerichtet in der Vorrichtung an einen Zielort transportiert.
Die Erfindung betrifft auch ein Magnetresonanz-Verfahren zur lokalen Untersuchung einer Probe mit den Schritten:
- Es wird ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst, das eine Verringerung der Diffusion des hyperpolarisierten Edelgases im Vergleich zu dem hyperpolarisierten Edelgas in der Gasphase bewirkt,
- es wird eine schlauchförmige Vorrichtung mit vorgegebenem Innendurchmesser und Länge zum Transport des gelösten Edelgases so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgases größer ist als die Transitzeit in der Vorrichtung,
- das hyperpolarisierte Edelgas wird in der Vorrichtung an die Probe geleitet,
- es wird eine Magnetresonanz-Untersuchung durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport eines hyperpolarisierten Edelgases. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Magnetresonanz-Untersuchung.

Aus WO 99/53332 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein in Gasphase vorliegendes hyperpolarisiertes Edelgas zur Abbildung einer Lunge inhaliert und als Kontrastmittel für den Oxygenierungszustand verwendet wird.

Aus Navon et al. (G. Navon, Y.-Q. Song, T. Rõõm, S. Appelt, R. E. Taylor, and A. Pines 1996. Enhancement of Solution NMR and MRI with Laser-Polarized Xenon. Science 271, 1848–1851) ist bekannt, dass hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon in deuteriertem Benzol und anderen Flüssigkeiten eine sehr gute Löslichkeit aufweist. Bei einem Magnetfeld von B₀ = 0,001 T wurde ein NMR-Protonensignal des Lösungsmittels verstärkt.

Aus US 6,426,058 B1 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Relaxationszeit eines hyperpolarisierten Edelgases in Kontakt mit einer physiologischen Flüssigkeit bekannt. Das Edelgas wurde hierzu in einer künstlichen physiologischen Lösung gelöst, in der die Relaxationszeit des Edelgases länger ist als die Relaxationszeit des Edelgases in Blut.

Aus Berthault und Desvaux (Berthault P, Desvaux H 2003. NMR study of the dissolution of laser-polarized xenon. The European Physical Journal D 22, 65–73) ist bekannt, dass bei Raumtemperatur eine sehr gute Löslichkeit von hyperpolarisierten ¹²⁹Xenon in verschiedenen deuterierten Flüssigkeiten vorliegt.

Nachteilig ist es mit allen bisher bekannten Magnetresonanz-Verfahren bzw. Kontrastmitteln nicht möglich, ein hyperpolarisiertes Edelgas zu einem lokal eng begrenzten Untersuchungsort einer Probe zu transportieren und während dessen die Hyperpolarisation des Edelgases zu erhalten.

Gasförmige hyperpolarisierte Edelgase stoßen an die Wände der sie enthaltenden Vorrichtungen und verlieren beim Transport an die Probe rasch ihre Polarisierung.

In einem Lösungsmittel gelöste hyperpolarisierte Edelgase können zwar länger als in der Gasphase nachgewiesen werden, verteilen sich aber sodann unkontrolliert an oder in der Probe.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Transportverfahren, insbesondere für Magnetresonanz-Untersuchungen, bereit zu stellen, bei dem das hyperpolarisierte Edelgas lokal an eine zu untersuchende Probe geleitet wird, ohne die Hyperpolarisation zu verlieren.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Patentansprüchen.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– es wird ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst,
– es wird eine schlauchförmige Vorrichtung mit vorgegebenem Innendurchmesser und Länge zum Transport des gelösten Edelgases so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgases größer ist als die Transitzeit in der Vorrichtung,
– das hyperpolarisierte Edelgas wird zielgerichtet in der Vorrichtung an die Probe geleitet,
– es wird eine Magnetresonanz-Untersuchung durchgeführt.

Grundgedanke ist dabei der verlustfreie Transport des hyperpolarisierten Edelgases in der Vorrichtung mit den Schritten:

– es wird ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst,
– es wird eine schlauchförmige Vorrichtung mit vorgegebenem Innendurchmesser und Länge zum Transport des gelösten Edelgases so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgases größer ist als die Transitzeit in der Vorrichtung,
– das hyperpolarisierte Edelgas wird zielgerichtet in der Vorrichtung an einen Zielort transportiert.

Das Lösen in einem geeigneten Lösungsmittel bewirkt die Verringerung der Diffusion des hyperpolarisierten Edelgases im Vergleich zu dem hyperpolarisierten Edelgas in der Gasphase. Dabei wird der Diffusionskoeffizient des Edelgases gesenkt.

Es ist auch möglich einen aus einem Tensor berechneten, effektiven Diffusionskoeffizienten (Trace) für das erfindungsgemäße Verfahren zu erniedrigen.

Weiterhin wird durch das Lösen des Gases eine Reduktion von Turbulenzen gegenüber der Gasphase erzielt.

Durch Wahl einer geeigneten schlauchförmigen Vorrichtung wird bewirkt, dass das hyperpolarisierte Edelgas innerhalb der Transitzeit im statistischen Mittel nicht gegen die Wände der Vorrichtung stößt, da durch die erniedrigte Diffusion die Relaxationszeit länger ist als die Transitzeit. Das Edelgas wird ohne Verlust, das heißt in hyperpolarisiertem Zustand, an die zu untersuchende Probe geleitet.

Gemäß der Formel für die freie Weglänge für drei Dimensionen l2/6·D = τmit l = Weglänge, D = Diffusionskoeffizient, τ = Diffusionszeit kann hyperpolarisiertes Edelgas in Lösung länger verweilen, ohne gegen die Wände des Schlauches zu stoßen als in Gasphase.

Durch geeignete Wahl der Vorrichtung ist es möglich, das Edelgas sehr gezielt und damit räumlich lokal an ausgewählte Stellen der Probe zu leiten.

Die schlauchförmige Vorrichtung kann hierzu eine geeignete Spitze aufweisen, über die das hyperpolarisierte Edelgas an die zu untersuchende Probe geleitet wird.

Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das hyperpolarisierte Edelgas für Magnetresonanz-Untersuchungen über einen längeren Zeitraum nutzbar ist und sehr gezielt direkt an oder in den Untersuchungsort geleitet werden kann. Der Untersuchungsort kann dabei auch schwer zugänglich sein. Damit ist gemeint, dass auch Proben an ihren schwer zugänglichen Stellen untersucht werden können, die auf Grund der beschriebenen Vorgänge zur Relaxationszeit und des Verlustes an Polarisation durch Wandkontakt bisher nicht für Magnetresonanz-Untersuchungen zugänglich waren und sind.

Als langer Zeitraum über den die Hyperpolarisation des Edelgases aufrecht erhalten wird, ist insbesondere ein Zeitraum von fünf bis zehn Minuten und noch länger gemeint.

Als Edelgas kann insbesondere, aber nicht ausschließlich, hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon ausgewählt werden.

Es wird ein Lösungsmittel mit wenig para- und noch weniger ferromagnetischen Substanzen ausgewählt, um die Depolarisierung der hyperpolarisierten Spins möglichst gering zu halten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das hyperpolarisierte Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst, das deuteriert ist, so dass die dipolare Edelgas-Deuteron-Relaxation deutlich geringer ist als die dipolare Edelgas-Proton-Relaxation. Für die gyromagnetischen Verhältnisse von Protonen und Deuteronen gilt: γ_Deut∪γ_Prot/7. Da die Relaxationszeit für diesen Effekt proportional ist zu γ², verlängert sich die Relaxationszeit ca. um den Faktor 50.

Das hyperpolarisierte Edelgas kann als Aerosol vorliegend ausgewählt werden. Es kann z. B. mittels eines ge eigneten Pumpzerstäubers an oder auf die zu untersuchende Probe aufgebracht werden.

Es kann auch ein lipophiles Lösungsmittel gewählt werden, z. B. Speiseöl oder auch Perflurocarbon (PFC).

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Alkohol bzw. Alkohol-Wassergemisch z. B. Ethanol und/oder ein Ethanol-Wassergemisch und/oder Benzol und/oder Toluol oder deren Gemische mit Wasser als Lösungsmittel gewählt. Dabei können die Substanzen insbesondere deuteriert vorliegen.

In den genannten Fällen kann ein Transport des im Lösungsmittel gelösten hyperpolarisierten Edelgases mit hoher Dichte erfolgen, so dass sich mehr Edelgas je Zeiteinheit in der schlauchförmigen Vorrichtung transportieren lässt.

Ein so in Lösung vorliegendes hyperpolarisiertes Edelgas kann als Kontrastmittel für Magnetresonanz-Untersuchungen verwendet werden.

Besonders vorteilhaft wird hyperpolarisiertes Edelgas lokal über PFA- und/oder Polyimid-Verbindungen aufweisende Vorrichtungen mit Räumlichkeiten zur Aufnahme des Edelgases in oder an ein zu untersuchendes Objekt gebracht und mittels Magnetresonanz-Untersuchungen als bildgebende Verfahren nachgewiesen.

Die PFA- und/oder Polyimid-Verbindungen aufweisenden Vorrichtungen bewirken, verglichen mit anderen Materialien wie Glas, Edelstahl, Titan etc., vorteilhaft die Aufrechterhaltung der Hyperpolarisation des Edelgases.

Es ist es auch denkbar, ein Verfahren zum Transport eines hyperpolarisierten Edelgases durchzuführen, wobei ein hyperpolarisiertes Edelgas zunächst in einem Lösungsmittel gelöst wird. Sodann wird eine Vorrichtung zum Transport des Edelgases mit vorgegebenen Dimensionen so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgases größer ist als die Transportzeit in der Vorrichtung. Das hyperpolarisierte Edelgas wird in der Vorrichtung an einen Zielort transportiert.

Im weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der 1a–c näher beschrieben.
1. Ausführungsbeispiel
Es wird hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon in einem Rubidium-Fluss-Polarisator durch optisches Pumpen erzeugt und zur Untersuchung eines Rohrsystems oder eines Ölabscheiders verwendet. Das hyperpolarisierte ¹²⁹Xenon wird in Ethanol als Lösungsmittel gelöst. Es wird ein Schlauch mit einem Millimeter Durchmesser ausgewählt. In dem Schlauch wird das ¹²⁹Xenon an die zu untersuchende Stelle der Probe lokal transportiert. Der Diffusionskoeffizient von in Ethanol gelöstem hyperpolarisierten ¹²⁹Xenon beträgt ca. 2·10^–5cm²s^–1, der von gasförmigem ¹²⁹Xenon hingegen 6·10^–2cm²s^–1. In einem Schlauch mit einem Millimeter Innendurchmesser kann ¹²⁹Xenon somit gemäß der Formel für die freie Weglänge für drei Dimensionen l2/6·D = τmit l = Weglänge, D = Diffusionskoeffizient, τ = Diffusionszeit, ca. 100 Sekunden verweilen ohne gegen die Wände des Schlauches zu stoßen, wohingegen ¹²⁹Xenon in Gasphase nur 0,03 Sekunden im Schlauch verweilt bis es an die Wände des Schlauchs stößt und die Polarisation verliert.
2. Ausführungsbeispiel
Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere auch zur Therapie und/oder Diagnose von Krankheiten, wie Herz-Kreislauf-, Magen-Darm-, Zahn-Rachenraum-Erkrankung und Gefäßverengungen verwendet werden.
Insbesondere hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon als Edelgas weist im Gegensatz zu anderen Kontrastmitteln wie ³He und anderen weitere grundlegende Vorteile für therapeutische und diagnostische Zwecke auf. Das Xenon löst sich in Blut und kann von verschiedenen Gewebearten aufgenommen werden. Hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon wird dann durch Nutzung der Magnetresonanz bzw. der Magnetresonanz-Tomographie nachgewiesen. Damit ist auch eine spektroskopische ¹²⁹Xe-Bildgebung möglich. Die Magnetresonanz-Tomographie kann generell sowohl Projektionsbilder als auch dreidimensionale Volumenabbildungen erzeugen. Die Konzentration des ¹²⁹Xenon sollte dabei so gering bemessen sein, dass bei Patienten die Wirkung als Anästhetikum nicht auftritt.
Beispielhaft seien zunächst Kathetereingriffe am Herzen genannt, die zu den häufigsten Interventionen in der Kardiologie gehören. Hiervon werden allein in Deutschland zur Zeit ca. 600000 Eingriffe je Jahr durchgeführt. Die Tendenz für derartige Eingriffe ist weltweit steigend. Etwa 200000 Eingriffe sind dabei sogenannte PTCAs. Die sogenannte Katheterbehandlung mittels PTCA ("Percutane Transluminare Coronare Angioplastie") wurde 1977 entwickelt und stellt in vielen Fällen eine Alternative zur Bypass-Chirurgie dar.
Hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon wird zunächst in einem Rubidium-Fluss-Polarisator durch optisches Pumpen erzeugt. Gerätschaften zur Polarisierung von Xenon sind aufgrund der Abmessungen und des Gewichts mittlerweile transportabel und lassen sich in der Nähe eines Tomographen installieren.
Für diese Zwecke ist ¹²⁹Xenon hierzu in Ethanol gelöst, um bei Raumtemperatur und Normaldruck eine hohe Dichte zu erzielen. Nach Transport des hyperpolarisierten ¹²⁹Xenon zum Untersuchungsort wird Magnetresonanz-Tomographie als bildgebendes Verfahren eingesetzt.
Das hyperpolarisierte ¹²⁹Xenon wird über einen Katheter in die Adern injiziert und mittels Magnetresonanz-Tomographie nachgewiesen und dessen Vorschub während des Verfahrens kontrolliert. Der Katheter wird, ausgehend von der Leistengegend bis zu den Eingängen der Herzkranzgefäße, vorgeschoben. Der Katheter wird in den Eingang der Herzkranzgefäße eingeklinkt und von dort ein Führungsdraht bis zu der Verengungsstelle in der Arterie und dieser sodann durch die Blockade geschoben.
Das hyperpolarisierte ¹²⁹Xenon wird für eine Dilatation eines Gefäßes in einen Ballon eines am Ende geschlossenen Katheters eingeleitet und zur Dilatation des Gefäßes online verfolgt. Die Dilatation wird, ohne dass polarisiertes ¹²⁹Xenon mit Gewebe in Kontakt gerät, beobachtet. Es ist aber auch vorstellbar, sowohl eine Dilatation durchzuführen, als auch Gewebe mit polarisier tem ¹²⁹Xenon anzureichern. Hierzu weist der am Ende offene Katheter einen Führungsdraht mit einem Ballon am Ende des Führungsdrahtes auf. Polarisiertes ¹²⁹Xenon kann in das Gewebe als auch über geeignete Anschlüsse in den Ballon geleitet werden.
Der Katheter kann mindestens eine planare, z. B. mäanderförmig ausgestaltete Mikrospule aufweisen. Mikrospulen werden gemäß Stand der Technik dazu verwendet, um Magnetresonanz-Spektren zeitlich hochaufgelöst aufzunehmen. Die Mikrospule(n) wird/werden an der Außenhaut des Katheters befestigt, z. B. angeklebt. Sie können von einer biokompatiblen Außenhülle umgeben sein. Die Mikrospule sendet Signale aus, die eine Transversal-Magnetisierung des im Gewebe vorliegenden ¹²⁹Xenon hervorrufen. Die Abnahme der Transversal-Magnetisierung des ¹²⁹Xenon wird durch die Mikrospule über die Zeit gemessen. Nach Fourier-Transformation erhält man ein Spektrum des untersuchten Ortes und somit eine Information über die Molekularstruktur. Dadurch sind Aussagen über Gewebeablagerungen mittels der Verwendung von hyperpolarisierten ¹²⁹Xenon in Verbindung mit Kathetern aus PFA- und/oder Polyimid-Verbindungen auch ohne Magnetresonanz-tomographische Untersuchungen möglich.
Es können hierzu auch zylinderförmig ausgeführte Mikrospulen in der Spitze angeordnet sein.
Durch die Verwendung von hyperpolarisiertem Xenon als Kontrastmittel kann die Bildgebung ohne Einbußen hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR, signal-to-noise-ratio) bei vergleichsweise niedrigen B₀-Feldstärken erfolgen, das heißt bei Feldstärken von deutlich unter 1,5 Tesla, insbesondere bei Feldstärken von ca. 0,2 Tesla (Low-Field-Scanner).
Die Aufweitung eines verengten Gefäßes wird, wie erwähnt, mit einem aufblasbaren Ballon (Ballondilatation) erzielt. Dabei wird über den Führungsdraht ein Ballonkatheter bewegt, der in der Verengungsstelle dilatiert wird und somit die Ader weitet. Zur Stützung der Öffnung kommt ein Stent, das heißt, ein stabiles Drahtgeflecht, zum Einsatz, der die Ader offen hält. Mit derartigen Herzkathetern können heute Stents als Gefäßstützen im Bereich einer Gefäßverengung installiert werden, die das Gefäß künstlich offen halten. Stents werden im zusammengefalteten Zustand über den Führungskatheter an die verengte Stelle in der Herzkranzarterie gebracht. Das Gefäßgeflecht wird entweder mit dem Ballonkatheter oder über eine Selbstentfaltungstechnik der Stütze aufgedehnt. Gefäßstützen finden zunehmend erfolgreiche Anwendung, insbesondere, um das Langzeitergebnis nach Ballondilatation zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist viele Vorteile auf. Als Kontrastmittel wird nicht Jod, wie bisher bei der PTCA und gekoppelter Röntgendurchleuchtung verwendet, sondern hyperpolarisiertes ¹²⁹Xenon verwendet, das in Ethanol als Lösungsmittel gelöst ist. Gemäß Ausführungsbeispiel 1 kann ein Katheter als schlauchförmige Vorrichtung verwendet werden, wobei das ¹²⁹Xenon sehr schnell und praktisch verlustfrei lokal an die zu untersuchende Stelle des Herzens geleitet wird. Magnetresonanz-Verfahren ermöglichen im Gegensatz zu Röntgendurchleuchtung mit Jod als Kontrastmittel eine dreidimensionale Darstellung der Herzkranzgefäße. Dadurch ist das Verfahren viel sicherer, da die Gefahr der Perfora tion der Adern verkleinert wird. Zudem werden die Reaktionsmöglichkeiten bei Komplikationen durch die dreidimensionale Darstellungsweise erweitert.
Als weiterer Vorteil tritt keine Belastung für den Patienten mehr durch die Strahlen-Dosis auf. Schließlich sind auch Jodinfarkte und die Gefahr allergischer Reaktionen auf Jod bis zum anaphylaktischen Schock ausgeschlossen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das hyperpolarisierte Edelgas auch an schwer zugängliche Orte wie z. B. in das Innere menschlicher oder tierischer Körper transportiert werden und mittels Magnetresonanz-Verfahren für diagnostische und/oder therapeutische Zwecke genutzt werden.
Für Herz-Katheterisierungen wird, wie erwähnt insbesondere ein Katheter, umfassend PFA- und/oder Polyimid-Verbindungen, ausgewählt, da diese Verbindungen die Hyperpolarisation von Edelgasen aufrecht erhalten.
Während des Verfahrens ist der Katheter aus PFA über ein Verbindungsmittel aus Polyimid an einen Polarisator oder Zwischenspeicher für ¹²⁹Xenon angeschlossen. Die mit dem hyperpolarisierten Edelgas in Kontakt stehenden Flächen aus PFA und/oder Polyimid erhalten die Hyperpolarisation des Xenon über 10 Minuten und länger. Mit lokaler Anwendung ist bei der Katheterisierung gemeint, dass insbesondere Teile von Organen mit polarisiertem ¹²⁹Xenon untersucht werden können.
Mit hyperpolarisiertem Edelgas wie ¹²⁹Xenon als Kontrastmittel lässt sich besonders vorteilhaft mit einer Magnetresonanz-Tomographie auch eine funktionelle Bildgebung und damit die Abbildung physiologischer Prozesse durchführen.
Hyperpolarisiertes Edelgas wie ¹²⁹Xenon kann dabei vorteilhaft einen Polarisationsgrad von bis zu 40 % aufweisen und hat bei einem Tesla ein um etwa 5–6 Größenordnungen höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als thermisch polarisiertes Xenon. Dies hat zur Folge, dass eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung der Magnetresonanz-Untersuchung ermöglicht wird.
Die durch Magnetresonanz-Verfahren erzeugten Daten werden besonders vorteilhaft bei niedrigen Feldstärken von 0,02 bis 0,5 Tesla erhoben. In diesem Fall kann auf Supraleiter zur Erzeugung des B₀-Feldes verzichtet werden.
Mit abnehmender Feldstärke wird es leichter, einen sogenannten offenen MR-Tomographen zu konstruieren, der einen einfachen Zugang zum Patienten ermöglicht. Es kann vorteilhaft auf aufwendige Hochfeldsupraleiter verzichtet werden, da nur mit Normalleiter- oder Permanent-Magneten gearbeitet wird.
Da sich bei niedrigeren Feldstärken die T2-Relaxationszeit des Xenon in Flüssigkeiten verlängert, sinken die Anforderungen an die Bildgebungsgradienten.
Alternativ können mit gegebener Gradientenhardware höhere Auflösungen ohne wesentliche Verschlechterung hinsichtlich der Point-Spread-Funktion, z. B. bei Echo-Planar-Bildgebung erzielt werden. Durch eine Verlänge rung der Relaxationszeit kann der k-Raum (fouriertransformierter Objektraum) auch durch eine zunehmende Zahl von Readouts abgetastet werden, was eine schnelle spektroskopische Bildgebung und/oder eine zusätzliche Steigerung des SNR durch Mittelung von Messwerten eines k-Raum-Punkts ermöglicht.
Die maximal erreichbare (Rayleigh-)Auflösung Δx skaliert mit Δf/γg, wobei Δf für die Linienbreite steht. Eine lange T2-Zeit erweist sich also auch hierbei als vorteilhaft.
Für die Bildgebung erweist es sich als zweckmäßig, das von ihr erfasste Volumen (Field-of-View) möglichst genau auf die Region- bzw. das Volume-of-Interest abzustimmen. Um eine räumlich korrekte Abbildung zu erhalten insbesondere um Aliasing zu vermeiden, sollte sich bereits die Signalanregung durch gezielte Gaben von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xenon auf dieses Volumen beschränken. Bei der räumlich lokalisierten Einbringung von hyperpolarisiertem Xenon stammt das Signal zumindest am Anfang der Messung nur aus dem zu untersuchenden Bereich, wodurch eine durch die Pulssequenz erfolgende Volumen-Selektion nicht erforderlich ist. Dies erweist sich als vorteilhaft, weil diese mit einer gewissen Ungenauigkeit durch Rest-Signalbeiträge aus der Umgebung verbunden ist.
Das Verfahren eignet sich weiterhin auch zur visuellen Hervorhebung von Gefäßablagerungen (Plaques) in Arterien und zur Unterscheidung verschiedener Ablagerungen, z. B. von harten und weichen Plaques, was durch den so genannten Chemical-Shift ermöglicht wird. Dieser beruht auf einer Verschiebung der Resonanzfrequenz durch elektrische Ströme in der Elektronenhülle des Xenons, die zu einer Veränderung der B_0-Feldstärke am Kernort führen.
Weiterhin erweist sich die Anwendung von diffusionsgewichteten Pulssequenzen als sinnvoll. Durch die langen T1-Zeiten von Xenon können die Kernspins einen räumlich weit ausgedehnten Bereich abtasten, wodurch Verbesserungen bei Inversionsrechnungen zur Bestimmung mikrostruktureller Merkmale erzielt werden können. Mit dieser wiederum ist eine genauere Charakterisierung der Plaques möglich.
Für die Untersuchung der Gefäß-Ablagerungen kann sich insbesondere ein inverses Keyhole-Verfahren als zweckmäßig erweisen. Bei diesem ist im Gegensatz zum üblichen Keyhole-Imaging die Abtastung des k-Raums nicht auf das k-Raum-Zentrum ausgerichtet (häufigere bzw. dichtere Abtastung in diesem Bereich), sondern auf die k-Raum-Peripherie, die die höheren Ortsfrequenzen codiert. Für die Messung einer k-Raum-Zeile gilt:
wobei Δk_x den Abstand aufeinanderfolgender k-Raum-Punkte angibt, γ ∼ die Larmorfrequenz geteilt durch 2π, G_x die Gradientenstärke, Δt den zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Sampling-Punkte und FOV_x die Breite des Field-of-View. Für Protonen beträgt γ ∼ 42.5MHz/T und für ¹²⁹Xe 11.78MHz/T. Der Übergang von Protonen zu Xe-Atomen bei konstanter Samplingrate und konstanter Gra dientenstärke ist daher etwa mit einer Verzehnfachung der räumlichen Auflösung verbunden (42.5⌃2/11.78⌃2).
Als weiteres Ausführungsbeispiel sei die Diagnose von Zahnerkrankungen, wie Karies genannt.
Nach dem Stand der Technik ist es bisher nur möglich, mittels Röntgen die Dichteverteilung in einem Backenzahn dreidimensional zu erfassen.
In 1a–c ist eine Magnetresonanz-Bildgebung unter Verwendung von hyperpolarisiertem, in Ethanol gelöstem ¹²⁹Xenon dargestellt. Die Messungen erfolgten mit einem 4,3 Tesla NMR-Spektrometer, ausgestattet mit einer Bildgebungseinheit und einem 55 MHz-Xenon Birdcage-Resonator mit 20 mm Innendurchmesser. 1a–c zeigen axiale Schichtaufnahmen des Zahns, die mit einer FLASH-Sequenz und einer Auflösung von 64 × 64 Voxeln erhalten wurden. In der Abbildung stehen dunkle Grautöne für höhere Signalintensitäten, helle Grautöne für niedrige Signalintensitäten. Da das Xenon nicht in das Zahnbein eindringt, weist das Zahnbein niedrige Signalwerte auf. Im Fall von Kariesbefall entstehen Hohlräume, die Xenon aufnehmen und damit sichtbar werden. Aufgrund des Verzichts auf ionisierende Strahlung ist die Xe-MR-Bildgebung vorteilhaft auf die Untersuchung von Zähnen in vivo zu übertragen. Aufgrund der Hyperpolarisation des Xenon können die Messungen bei niedrigen B_0-Feldstärken durchgeführt werden, so dass die gesamte Messanordnung soweit miniaturisiert werden kann, dass sie im Mundraum Platz findet. Um das hyperpolarisierte ¹²⁹Xenon verlustfrei an den Ort der Untersuchung zu transportieren, wird es mittels PFA-Spritzen oder -Schläuchen an den Zahn transportiert.

Claims

Verfahren zum Transport eines hyperpolarisierten Edelgases mit den Schritten: – es wird ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst, – es wird eine schlauchförmige Vorrichtung mit vorgegebenem Innendurchmesser und Länge zum Transport des gelösten Edelgases so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgases größer ist als die Transitzeit in der Vorrichtung, – das hyperpolarisierte Edelgas wird zielgerichtet in der Vorrichtung an einen Zielort transportiert.
Magnetresonanz-Verfahren zur lokalen Untersuchung einer Probe mit den Schritten: – es wird ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem Lösungsmittel gelöst, – es wird eine schlauchförmige Vorrichtung mit vorgegebenem Innendurchmesser und Länge zum Transport des gelösten Edelgases so ausgewählt, dass die Relaxationszeit des Edelgas größer ist als die Transitzeit in der Vorrichtung, – das hyperpolarisierte Edelgas wird zielgerichtet in der Vorrichtung an die Probe transportiert, – es wird eine Magnetresonanz-Untersuchung durchgeführt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei Feldstärken von 0,02 bis 0,5 Tesla durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, gekennzeichnet durch eine auf einem inversen Keyhole-Verfahren basierende Magnetresonanz-Tomographie-Untersuchung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit konventioneller Protonenbildgebung kombiniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch ein Diffusion-Tensor-Imaging.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hyperpolarisierte Edelgas in einem deuteriertem Lösungsmittel gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hyperpolarisierte Edelgas und das Lösungsmittel als Aerosol vorliegend ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem lipophilen Lösungsmittel, insbesondere Speiseöl gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hyperpolarisierte Edelgas in Perflurocarbon (PFC) als Lösungsmittel gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hyperpolarisierte Edelgas in einem Alkohol oder einem Alkohol-Wassergemisch als Lösungsmittel gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Ethanol und/oder Toluol und/oder Benzol als Alkohol.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ¹²⁹Xenon oder ³He als hyperpolarisiertes Edelgas.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein hyperpolarisiertes Edelgas zur Therapie und/oder Diagnose in einen menschlichen oder tierischer Körper eingeleitet wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Herz- und/oder Magen-Darmerkrankungen und/oder Zahnerkrankungen, oder Gefäßerkrankungen geheilt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das hyperpolarisierte Edelgas lokal in einen Teil eines Organs eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das hyperpolarisierte ¹²⁹Xenon mittels eines Katheters transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dabei eine Charakterisierung molekularer Eigen schaften, wie z. B. Gefäßablagerungen nachgewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dabei zwischen weichen und harten Plaques unterschieden werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Bestimmung des Diffusionsverhaltens des hyperpolarisierten Edelgases Rückschlüsse auf mikrostrukturelle Merkmale von Gefäßablagerungen und/oder biologischem Gewebe gezogen werden.