Entwicklung der Helium-3-Kernspintomographie für den Bereich der Lunge: Helium lässt die Lunge leuchten

(f.l.t.r.) Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil, Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten (Spokesperson)
Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil

Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Tomographische Verfahren helfen den Medizinern, Krankheiten frühzeitig zu entdecken. In die Lunge kann man damit jedoch nicht hineinschauen.

Wie lässt sich der Blick der Tomographen auch für dieses luftgefüllte Organ schärfen?

Die Lösung liefert Edelgas mit polarisierten Atomkernen, die der Patient einatmet, fanden Ernst Wilhelm Otten und Werner Heil von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz heraus. In einem Tomographen kann das Gas dann scharfe Bilder aus der Lunge liefern. Ernst Wilhelm Otten und Werner Heil sind dort als Professoren für Experimentalphysik am Institut für Physik tätig.

Für Röntgenlicht unsichtbar

Die Abbildung der Lunge und ihrer krankhaften Veränderungen stellte die Mediziner bisher vor ein großes Problem. Zwar lässt sich auf einem Röntgenbild oder beim Durchleuchten eine Tuberkulose oder ein Tumor erkennen - doch die für die meisten Lungenkrankheiten wie Asthma oder Emphysem entscheidende Frage, wie gut die Lunge lokal belüftet (ventiliert) ist, kann man selbst mit den modernen Verfahren der Computer- und Magnetresonanztomographie (MRT) nicht beantworten. Eine grobe und schemenhafte Darstellung der Lungenventilation gelang bislang nur Messen der Strahlung eines eingeatmeten radioaktiven Gases.

Die MRT mit eingeatmetem Helium-3 - das für den Patienten unschädlich ist - hat völlig neue Perspektiven aufgezeigt. Dazu werden die Kernspins der Helium-Atome und die damit verknüpften magnetischen Dipole durch polarisiertes Laserlicht entlang einer Magnetfeldachse ausgerichtet. Danach werden sie, wie die Wasserstoff-Atomkerne bei einer normalen MRT, magnetisch untersucht. Die Mainzer Physiker entwickelten eine Variante des optischen Pumpens, mit der es gelingt, die Kernspins des Edelgases literweise zu polarisieren - und die tomographische Aufnahmen der Lunge gewinnen, die helfen, Erkrankungen frühzeitig aufzuspüren.

Simpler Test der Lungenfunktion

Inzwischen haben die Forscher die Technik zu mehreren Varianten der funktionellen Bildgebung weiterentwickelt: So kann man 3D-Bilder der Lunge im Zehntelsekunden-Rhythmus schießen - und damit einen Film des Ein- und Ausatmens drehen. Darauf lassen sich Behinderungen des Luftstroms erkennen. Am gemessenen MRT-Signal lässt sich außerdem der Diffusionsweg eines Helium-3-Atoms durch die Lunge verfolgen, wodurch die Ärzte normales, engmaschiges Bläschengewebe von krankhaft aufgeblähtem Gewebe unterscheiden können. Im Kontakt mit Luftsauerstoff in der Lunge zerfällt die Polarisation der Helium-Kerne. Aus der Zerfallszeit lässt sich de Sauerstoffgehalt und -verbrauch der Lunge bestimmen - räumlich aufgelöst und ohne operativen Eingriff.

Die Helium-3-MRT der Lunge ist ein eindrucksvolles Beispiel, wie innovative Anwendungen aus der wissenschaftlichen Grundlagenforschung heraus entstehen können.