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

(v.l.n.r.) Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil, Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten (Sprecher)
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.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt "Entwicklung der Helium-3-Kernspintomographie für den Bereich der Lunge" wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft vorgeschlagen.

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Entwicklung der Helium-3-Kernspintomographie für den Bereich der Lunge:
Helium lässt die Lunge leuchten
Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Dr. rer. nat. Werner Heil

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Fragen an die Nominierten
Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil

Entwicklung der Helium-3-Kernspintomographie für den Bereich der Lunge

Bitte stellen Sie uns Ihr Projekt vor und den Bereich dar, der jetzt als Innovation mit Ihrer Nominierung gewürdigt wurde!

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Der Ausgangspunkt der Entwicklung liegt in der Grundlagenforschung. Unsere Zielsetzung war ursprünglich eine ganz andere, und keiner von uns hatte erwartet, dass wir in den Bereich der Medizin vordringen würden. Genau darin liegt der besondere Reiz dieses Projekts.
Wir wollten in der Tat polarisiertes Helium-3, ein Edelgas, zu Zwecken der Kernphysik herstellen. Im Institut für Kernphysik haben wir einen modernen Elektronenbeschleuniger, der Elektronen auf 1 Mrd. Elektronenvolt beschleunigen kann. Mit diesen Elektronen wollten wir an dem polarisierten Helium-3 Streuversuche vornehmen, um mehr über das Neutron zu erfahren, einem elementaren Baustein der Materie, das in dem Helium-3-Kern mitpolarisiert ist. Wenn man das Helium polarisiert, das heißt seinen Kreisel in einer ganz bestimmten Richtung ausrichtet, kann man präzisere Informationen gewinnen als in unpolarisierter Form.
Die für die Polarisation von Helium-3 benötigten atomphysikalischen Methoden sind schon lange bekannt. Wir haben sie bereits früher für andere Elemente und andere Zwecke angewendet und kamen nun darauf zurück, um Helium-3-Gas in großen Mengen zu polarisieren.

Wir sind mit den Kollegen der École Normale Supérieur Paris, am Institut Kastler-Brossel, befreundet und haben beide dort ein Forschungsfreisemester verbracht, um uns in die Spezialitäten des Helium-3-Pumpens einzuarbeiten. Wir erhielten die Möglichkeit, die speziell hierfür von unseren Kollegen entwickelten Laser zu nutzen.

Dort konnten wir erste Ansätze verifizieren und mit unseren Pariser Kollegen den besten Weg suchen. Den ersten Erfolg hatten wir dann Anfang der neunziger Jahre.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Man muss vorausschicken, dass nicht von Anfang an sicher war, ob man mit dieser Methode solche großen Mengen und Dichten bei der Helium-Polarisation erzielen kann. Die effiziente Methode des optischen Pumpens, die wir hier in Mainz benutzen, funktioniert nur bei einem sehr niedrigen Druck, etwa einem 1000tel des Atmosphärendrucks. Mit so niedrigem Druck kann man natürlich keine Experimente, wie sie von uns geplant waren, durchführen; wir benötigten weitaus höhere Dichten. Insofern lag auf der Hand, dass man in einem zweiten Schritt das zuvor durch Laserlicht polarisierte Gas mechanisch mit einem Kompressor verdichten muss.
Bei diesem Entwicklungsschritt war der Erfolg lange unsicher. Sobald zum Beispiel das von einem Kompressor verdichtete Gas mit einem magnetischen Teilchen in Berührung kommt, ist die Arbeit des Polarisierens in einem Bruchteil von Sekunden vernichtet.
Hier war sauberes Arbeiten oberstes Gebot, und Eisenfeilspäne oder magnetische Einschlüsse im Material - seien sie auch noch so klein - mussten im Kompressionsvolumen tunlichst vermieden werden. Nur so war es möglich, das Gas ohne nennenswerte Polarisationsverluste auf die gewünschten Drucke zu komprimieren.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Es war notwendig, einen Kompressor zu entwickeln, der aus unmagnetischen Materialen bestand, wie zum Beispiel Glas und das von uns zunächst verwendete Quecksilber als Kompressionsmedium nach dem Verdrängerprinzip.
Wir konnten das Gas mit etwa einem Liter flüssigem Quecksilber ohne Polarisationsverlust auf einen Druck, der in etwa dem Atmosphärendruck entspricht, komprimieren.

Mit der ersten Version, dem sogenannten Töplerkompressor, wurden die ersten Experimente am Mainzer Beschleuniger durchgeführt, die auch sehr erfolgreich waren. Zu dieser Zeit entstanden
bereits erste Ideen für andere Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel polarisiertes Helium-3 als Neutronenspinfilter.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Das Neutron ist eine ideale Probe zur Untersuchung der Struktur und Dynamik der kondensierten Materie. Mit dem Freiheitsgrad des Spins und des damit verbundenen magnetischen Moments des Neutrons lassen sich sehr detailliert magnetische Strukturen im Festkörper studieren.
Das ist schon mehr als 60 Jahre bekannt. Dennoch steckt die Polarisationsphysik in der Neutronenstreuung immer noch in den Kinderschuhen. Der Hauptgrund liegt in der Ineffizienz bestehender Polarisationen.
Hier bahnt sich mit dem Helium-3 ein Durchbruch an. Schießt man Neutronen durch polarisiertes Helium-3 Gas, so wird nur die Spinkomponente parallel zum Helium-3 Kernspin durchgelassen, während die andere stark absorbiert wird, und man erhält, ähnlich wie beim Polarisationsfilter in der Lichtoptik einen polarisierten Lichtstrahl, einen polarisierten Neutronenstrahl. Diese Technik wurde von unserer Gruppe am Höchstflussreaktor in Grenoble eingeführt und zeigt bereits erste Erfolge.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Vor der Anwendung auf die Medizin war also unsere Spezialität, mit polarisiertem Helium-3 Experimente in der Grundlagenphysik durchzuführen, schon sehr gut etabliert.
Wir hatten alle prinzipiellen Probleme gelöst, auch das des Transports des polarisierten Gases, ohne dass die Spins ihre Orientierung verlieren. Das ist ein ganz wichtiger Punkt, denn durch systematische Forschung haben wir Techniken gefunden, um die Polarisation des Gases hundert Stunden aufrecht zu erhalten. Das ist sowohl für physikalische Experimente, aber natürlich auch besonders für die medizinische Anwendung äußerst wichtig.

Zurück zur Medizin: Für medizinische Zwecke wird das Gas polarisiert und den Kliniken als Kontrastmittel für die Tomographie zur Verfügung gestellt. Dieser Gedanke kam 1994 durch eine Publikation in der Zeitschrift „Nature“ auf, in der eine Gruppe von Forschern berichtete, dass es ihnen gelungen war, die mit polarisiertem Xenon präparierte Lunge einer Maus zu tomographieren.

Wir erkannten, dass so große Mengen an polarisiertem Helium-3 zur Verfügung standen, um die menschliche Lunge zu füllen. Daraufhin haben wir uns mit Radiologen in Verbindung gesetzt und unsere Methode beschrieben; das rief ein großes Interesse ihrerseits hervor.

Zum Prinzip: Bei der Kernspintomographie wird lokal die Magnetisierung im Körper gemessen. Legt man einen Körper in ein Magnetfeld, so magnetisiert sich dieser auf. Im Fall der MRT misst man die Magnetisierung der Kernspins, die sich im Körper befinden, in der Regel den Spin des Wasserstoffs, der sich zum Beispiel in der Körperflüssigkeit oder im Fettgewebe befindet. Dies geschieht folgendermaßen: Durch einen resonanten Hochfrequenzpuls kann man die Kernspins aus ihrer Vorzugsrichtung entlang des Magnetfeldes auslenken. Als magnetische Kreisel beginnen sie dann um die Magnetfeldachse zu präzedieren mit einer Frequenz, die proportional mit Stärke des äußeren Magnetfeldes wächst.

Dieses Präzessionssignal kann man in einer Induktionsspule empfangen. Ändert sich nun das Feld entlang des Körpers, so auch die Präzessionsfrequenz der Kernspins. Aus ihrer Frequenz erkennt man also ihre Lage im Körper und aus der Intensität des Signals ihre Anzahl, d.h. die Dichte des Gewebes.

Die bildliche Darstellung der Lunge war jedoch ein Problem. Auf Grund ihrer geringen Dichte wird sie schon beim Röntgen nicht richtig abgebildet. Das gleiche gilt für die MRT der Lunge. Hier bietet sich das polarisierte Helium als ein schon vormagnetisiertes Gas an. Seine im Vergleich zum Wasserstoff sehr viel höhere Magnetisierung kann der Kernspintomograph gut erkennen. Insofern kann man polarisiertes Helium als ein gasförmiges Kontrastmittel für die Kernspintomographie betrachten.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Der hohe Polarisationsgrad, den man durch das optische Pumpen erzielen kann, kompensiert bei weitem die geringe Dichte des Gases.
Zum Vergleich: Die Ausrichtung der Kerndipole, die das Magnetfeld eines MR-Tomographen bei den Kernspins des Wasserstoffs im Gewebe erreicht, ist rund 100.000 mal schwächer.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Die ersten Aufnahmen entstanden am Krebsforschungzentrum in Heidelberg, das schon früh einen Tomographen zur Verfügung hatte, der auf Helium-3-Bildgebung umgestellt werden konnte. Ab Winter 1996 wurden die Messungen nur noch in Mainz durchgeführt.

Bei Ihrem Projekt ging es zunächst um Grundlagenforschung der Physik. Es entwickelte sich dann in die Medizin hinein. Wie entstand dieser Prozess?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Der große Vorteil der Universitätsforschung liegt in ihrer Interdisziplinarität. Häufig entwickeln sich aus dem Forschungsgebiet heraus neue, interessante Perspektiven, die in ganz andere Fachbereiche hineinreichen. Wir haben mit Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Kern- und Elementarteilchenphysik begonnen. Der Weg in die Medizin eröffnete sich uns durch die darin entwickelten Methoden. Dieser Weg ist nur an einer Universität möglich, und die Umsetzung konnte in wenigen Monaten verwirklicht werden.

Seit einiger Zeit arbeiten wir systematisch mit Medizinern, wie Radiologen und Anästhesisten zusammen, was zu einer Vielzahl von Ergebnissen geführt hat. Im Prinzip lief die Entwicklung parallel. Die Mediziner kannten das Problem von Lungenaufnahmen natürlich schon lange. Eine Lösung dieses Problems war jedoch noch nicht gefunden. Andererseits kannten wir diese hyperpolarisierten Gase und so musste nur noch eine Verbindung zwischen Problem und Lösung hergestellt werden.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Mediziner können kein Vorwissen über polarisierte Gase besitzen, während wir Physiker die Relevanz einer diagnostischen Methode nicht beurteilen können, das muss zusammen kommen.

Die Bildgebung in der Medizin ist eine urphysikalische Disziplin. Bei den großen Beiträgen der Physik zur medizinischen Bildgebung, wie zum Beispiel der Röntgentechnik, der Methode des Ultraschall oder der Bildgebung mit radioaktiven Präparaten, überrascht es daher nicht, dass Physiker ins Spiel kommen.

Wie war das Team dieser bereichsübergreifenden Zusammenarbeit strukturiert?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Als die Idee dazu bekannt wurde, arbeiteten wir mit unserer Stammmannschaft, bestehend aus Diplomanden und Doktoranden. Uns standen zu dem Zeitpunkt keine Fördermittel zur Verfügung, und wir mussten zeigen, dass die Methode funktioniert. Erst auf dieser Basis konnten wir Anträge stellen und ein großes Projekt daraus entwickeln.

Für die ersten Aufnahmen standen uns nur unsere Diplomanden als Probanden zur Verfügung. Am Kernspintomographen mussten von unseren Kollegen aus der Medizin die Bildgebungssequenzen umgeschrieben werden, da es nicht gleich ist, ob man mit konventioneller Bildgebung, also Wasserstoff oder mit Helium-3 arbeitet. Ferner mussten Aufnahmespulen gebaut werden, die auf die Resonanzfrequenz der Heliumkerne abgestimmt waren. Das alles wurde zu Beginn mit zur Verfügung stehenden Mitteln gemacht. Darauf aufbauend wurden Projekte beantragt und genehmigt.

Somit sind nach wie vor beide Disziplinen in das Projekt eingebunden?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Ja, es werden sowohl bei den Physikern, als auch bei den Medizinern Promotionen und Habilitationen zu dem Thema abgewickelt. Wir haben ein genehmigtes internationales EU-Projekt in einer medizinischen Abteilung des 5. Rahmenplans der EU.

Wie ist die Zusammenarbeit mit der Firma Schott bezüglich der Glasentwicklung zustandegekommen?
Wie reagiert die Wirtschaft, wenn im Rahmen eines solchen Projektes von Seiten der Wissenschaft Anforderungen an sie gestellt werden?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Schott ist eine Stiftung, der Stiftungsmittel zur Verfügung stehen. Wir sind mit dem Problem auf sie zugekommen, da wir reine Gläser ohne Eisenanteil benötigten. Diese wurden von der Firma Schott kostenfrei für uns geschmolzen. Die Initiative lag bei uns.

Hinsichtlich Entwicklungsarbeiten der Forschung, die die Industrie mit einbeziehen, muss man sehen,
dass die Industrie auf viele der für Einzelanfertigungen benötigten handwerklichen Grundlagen inzwischen verzichtet. Sie hat nicht mehr die Freiheit des Experimentierens, die sie früher vielleicht hatte. Da sind die Institute heute sehr stark auf sich selbst angewiesen. Andererseits ist der Markt heute an wissenschaftlichen Geräten und Produkten sehr viel reicher als früher. Aber von der Industrie zu verlangen, sie möge ein spezielles Produkt für ein Experiment herstellen, ist heute fast ausgeschlossen.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Wir hatten das Problem, dass für die Helium-3-Bildgebung eine spezielle Aufnahmespule gebaut werden musste, damit die Signale erkennbar waren. Das hat uns im Selbstbau, als wir in Heidelberg angefangen haben, drei Monate gekostet. Mit Hilfe der einschlägigen Industrie wäre es sicher schneller gegangen.

Gibt es sonstige Einsatzmöglichkeiten für diesen Prozess bzw. diese Technologie - wenn nicht in der Medizin?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Es besteht Interesse im Bereich der Materialprüfung für das Studium von Porositäten.

Man könnte bei der Vermarktung verschiedene Wege verfolgen?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Verbesserung von porösen Strukturen, amorphen Strukturen, Gasaustausch - das sind Dinge, die von Materialforschern ernsthaft diskutiert werden.

Zurück zur medizinischen Anwendung: Was geschieht dort, wie kann die Entwicklung etwa hin zur Massenanwendung aussehen?
In welchen Zeiträumen geschieht das?
Ist die Anwendung schädlich?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Erst einmal zur Schädlichkeit: Helium ist ein Edelgas, insofern vollkommen unschädlich. Im Tauchsport wird seit Jahren nicht das teure Helium-3 sondern Helium-4 benutzt. Es ersetzt den Stickstoff der Atemluft und erlaubt dem Taucher in größere Tiefen vorzustoßen, da es eine geringe Löslichkeit im Blut besitzt. Die Helium-3 Kernspintomographie ist wie die konventionelle Tomographie am Wasserstoff nicht toxisch, nicht invasiv und hat keine Strahlenbelastung. Schädigende Wirkungen aufgrund des hohen Magnetfeldes sind nicht bekannt.

Neben morphologischen Untersuchungsmethoden wie der Computertomographie und Kernspintomographie besitzen nuklearmedizinische in vivo-Untersuchungen der Lunge eine Bedeutung. Dazu müssen radioaktive Gase eingeatmet werden. Die so genannten Szintigramme sind flächenhafte, zweidimensionale Darstellungen von Funktionsuntersuchungen (z.B. der Ventilation), wobei die Radioaktivitätsverteilung im Körper durch geeignete Abbildungsgeräte aufgezeichnet wird. Die Aufnahmen geben allerdings nur schemenhaft die Verteilung des Gases in der Lunge wieder.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Bei der Helium-3-Tomographie der Lunge ist die Bildgebung sehr viel detaillierter. Vergleichen Sie die Aufnahmen zweier junger Menschen Anfang dreißig, ein Raucher und ein Nichtraucher. Beide sind kerngesund. Nachdem der Raucher seine Lungenaufnahme sah, wurde er deutlich blasser. Es entwickelt sich bereits ein Emphysem. Bis er Beschwerden haben wird, wird es noch viele Jahre dauern. Hier ist aber bereits der Hinweis auf eine drohende Erkrankung zu erkennen. Die Mediziner werden genauer die Erkrankungen der Atemwege, all das, was mit Emphysem, Asthma etc. zusammen hängt, zusammenfassend COPD (Chronical obstructive pulmonary desease) genannt, aufgreifen können. Dieser wichtige Bereich wird hier zum ersten Mal mit präziser Bildgebung untersucht und ist auch Hauptpunkt unseres EU-Projekts.
Die Aufnahmen der Lunge unter Helium-3 können in sehr kurzer Zeit gemacht werden. So ist es möglich, einen Film vom Prozess des Einatmens zu drehen, mit Bildern im Abstand von einer zehntel Sekunde. Wenn eine Behinderung vorhanden ist, kann man erkennen, dass der Prozess sich verlangsamt.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Diese dynamischen Studien sind mit der konventionellen Kernspintomographie nicht zu erzielen. Das Verfahren vollzieht sich recht langsam, da sich die Kernspinpolarisation im Wasserstoff nach jedem Hochfrequenzpuls wieder aufbauen muss. Im Gewebe liegen diese Relaxationszeiten zwischen 0,5 und 3 Sekunden. Mit Helium-3 ist man darauf nicht angewiesen. Die Signalintensität ist so stark, dass die relativen Verluste pro Puls niedrig gehalten werden können und die Abfolge der Anregungspulse im Millisekundenbereich erfolgen kann. Dadurch verkürzt sich die Dauer der Bildgebungssequenzen wesentlich.
Wir können das polarisierte Gas relativ lange speichern. Dazu dienen auch die speziellen Glasgefäße. Das ändert sich, wenn man das Gas einatmet und es mit dem Sauerstoff in der Lunge in Berührung kommt. Sauerstoff ist paramagnetisch und zerstört die Relaxation binnen 10-12 Sekunden. Ohne Polarisation erhalten wir kein Signal mehr. Dieser Vorgang stellte anfangs ein Problem dar, weil die Bildgebungssequenzen nicht optimiert waren und eine Dauer von 30 Sekunden benötigten.

Also musste die Lunge erst von Sauerstoff „ausgewaschen“ werden, indem Helium-4 oder reiner Stickstoff eingeatmet wurde, erst danach Helium-3. Zudem musste man die Luft, sprich das Helium anhalten. Dies stellte sich als schwierig heraus und war lungenkranken Patienten nicht zumutbar.

Mittlerweile sind die Probleme gelöst; wir haben sogar aus der Not eine Tugend gemacht. Wenn der Sauerstoff dafür verantwortlich ist, dass die Polarisation relaxiert, kann man natürlich durch Messung der Zeiten umgekehrt darauf schließen, wieviel Sauerstoff in der Lunge vorhanden ist. Mehr noch, man kann messen, wie sich der Sauerstoff in der Lunge abbaut, wie er ins Blut übergeht, also die Perfusion.

Das wurde in Angriff genommen. Wir haben ortsaufgelöst den Abfall des Signals gemessen. Daraufhin konnten wir die Messwerte umeichen und feststellen, wie hoch der Partialdruck in der Lunge ist, und wie er sich als Funktion der Zeit entwickelt. So ist eine nützliche Methode entstanden, um Aussagen über die Perfusion machen zu können.

Innerhalb welcher Zeiträume ist dieser Stand der Diagnostik auch in Praxen einsetzbar?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
In den Vereinigten Staaten ist das Verfahren in der Phase 1 der Zulassung, diese läuft hier auch an. Unsere Mainzer Kliniken werden Vertragspartner sein und die Prüfungsphase mit betreuen. Wir hoffen, dass die Methode binnen weniger Jahre allgemein zugänglich sein wird.
Im Moment ist eine Anwendung der Methode zu Forschungszwecken mit der persönlichen Einwilligung des Patienten möglich. Bei einer risikofreien Methode wie dieser ist das unproblematisch. Polarisiertes Helium-3 für die Kernspintomographie ist merkwürdigerweise als Medikament eingestuft worden, nicht als ein technisches Hilfsmittel. Deswegen wird es sehr viel härteren Prüfungen unterzogen.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Der ganze Herstellungsprozess muss für die Prüfung nachvollziehbar sein.

In „einigen Jahren...“? Gibt es einen konkreten Zeithorizont?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Ich würde sagen: Die Zulassung in rund drei Jahren.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Die Regel bei Medikamenten sind 10 Jahre.

Sie haben das jetzt erreicht, bzw. es ist absehbar. Sind Sie damit zufrieden oder gibt es eine Entwicklung, einen nächsten Schritt, an den Sie heran wollen?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Technisch wollen wir uns noch eine Sache vornehmen. Wir haben davon gesprochen, dass man die Lungendiagnostik, auch die präventive, wieder in die radiologischen Praxen einführen könnte. Dort war sie früher einmal angesiedelt, jetzt wegen des Strahlungsrisikos und auch wegen des Rückgangs der Tuberkulose nicht mehr. Außerdem sind häufige Erkrankungen der Lunge wie Obstruktion mittels der Röntgendiagnostik nicht erkennbar.

Unsere Anästhesisten sind optimistisch, dass das neue Verfahren in der Kernspintomographie zu einem neuen screening führen könnte. Das ist jedoch nur möglich, wenn das Verfahren billig wird. Wir wollen daher in der Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Haase in Würzburg einen speziell auf das Helium-3 zugeschnittenen Tomographen bauen, der nicht nur die Methode optimiert, sondern auch viel billiger wird.

Eine Intention des Deutschen Zukunftspreises ist es, die wissenschaftlichen Leistungen der Öffentlichkeit bewusst zu machen. Wie schätzen Sie das Klima für Wissenschaft und Innovation in Deutschland ein, wie stehen wir international da? Außerdem: Was tun Sie für den Dialog der Wissenschaft mit der Öffentlichkeit?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Wir haben bereits das Problem angesprochen, dass keine Studenten mehr nachrücken, dass wir gezwungen sind, in die Schulen zu gehen. Diese Initiative der Universität Mainz hat natürlich das Ziel, zu zeigen, dass Physik attraktiv ist, dass es sich lohnt, Physik zu studieren. Alle hoffen, dass der Fachbereich wieder belebt wird, der Rückgang ist dramatisch.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Wir sind in Deutschland von einem sehr hohen Niveau ausgegangen. Anfang der 90er Jahre wurden 3000 Diplomphysiker in Deutschland ausgebildet, doppelt soviel wie in den ganzen USA. Und die Absolventen hatten keine Schwierigkeiten auf dem Arbeitsmarkt. Es gab in der Zeit der Rezession einen Anstieg an Arbeitslosen, was von den Arbeitsämtern leider Gottes auch hochgespielt wurde mit der Folge, dass wir heute keinen Nachwuchs mehr haben, jetzt, wo die Leute gesucht werden.
Ein Diplomant von mir hat neulich im Internet eine Bewerbung platziert: „Bin Diplomphysiker, gerade fertig geworden, habe Programmiererfahrung, suche Job.“ Er hatte in einer halben Stunde 15 Angebote. So läuft das inzwischen. Das muss korrigiert werden. Dafür müssen auch die Universitäten selbst etwas tun. Schön wäre es, wenn eine bessere Konzertierung vorläge, wenn die Behörden eine präzisere Berufsprognostik zu Wege brächten. Ebenso die Wirtschaft, die sich um diese Dinge, das muss man sagen, herzlich wenig kümmert. Es wird zwar immer über die Universität geschimpft, aber es wird auch wenig für sie getan. Die Mittel werden zurück gefahren.

Die naturwissenschaftlichen Fachbereiche sind an den Universitäten in Deutschland noch relativ gut gefördert. Sie haben auch noch ein gutes Betreuungsverhältnis von Lehrenden zu Lernenden. In anderen Fächern sieht es sehr viel schlimmer aus. Dennoch erreichen wir nicht das Betreuungsverhältnis, das etwa in den USA üblich ist. Allerdings ist die naturwissenschaftliche Ausbildung an deutschen Universitäten in der Spitze und der Breite sehr gut. Das beweist auch der Erfolg ihrer Absolventen in vielen Berufsfeldern und nicht zuletzt auch an amerikanischen Universitäten.

Haben Sie das Gefühl, dass es in anderen Ländern besser oder schlechter ist, kann man das vergleichen?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Die deutschen Universitäten sind nach meinem Eindruck in der naturwissenschaftlichen Forschung relativ stark, verglichen mit den europäischen Nachbarländern. Dort stehen den Universitäten weniger Forschungsmittel zur Verfügung, und vieles ist in universitätsfreie Forschungsinstitute verlagert. Nicht so in den USA. Dort gibt es kaum Nationallabors, auch keine Max-Planck-Gesellschaft; und trotzdem ist es das Forscherland Nr. 1.

Das liegt daran, dass die USA eine Gruppe starker Universitäten (bei weitem nicht alle) hat, auf die sich die wichtigste Grundlagenforschung konzentriert.

Ist es in den USA einfacher, Mittel zu bekommen?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Ganz im Gegenteil. Die Arbeitswelt der USA ist sehr hart, die Konkurrenz groß. Aber das Tempo ist schneller. Als junger Forscher wird man früh selbstständig. Eine internationale Kommission hat in Deutschland Analysen vorgenommen und festgestellt, dass die Karrieren einfach zu lange dauern.

Eine neue Studie der Uni Leipzig identifiziert zwar z.B. auch die Medizintechnik als Wachstumssegment, sieht aber für die Umsetzung noch einen großen Vorsprung der USA vor Europa.
Was spielt sich in Europa im Bereich universitärer Forschung und Umsetzung in Projekte ab?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Die EU-Förderung zielt ja darauf ab, dass man weiß: es gibt Leute in Paris, die können das, in Dänemark sitzen Leute, die jene Technik beherrschen. Nun stellt sich die Frage: gibt es eine Möglichkeit, beides zu verbinden?

Funktioniert das? Sind das nur Mittel oder entsteht ein Netzwerk, das zu neuen Ergebnissen führt?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Man kann nicht den Erfolg eines Projektes garantieren. Wir haben an sehr erfolgreichen Projekten teilgenommen.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Die Kollaboration ist in interdisziplinären Projekten essentiell. Jeder trägt aus der Tiefe seines Fachs seinen Teil bei, ohne sich als Spezialist zu gerieren. Sie müssen mit den Spitzenleuten des Fachs reden, um Neues zu entwickeln.

Ist Wissenschaft bzw. ihre Umsetzung heute eine Teamleistung?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Die Gedanken sind nicht demokratisiert, die Gehirne sind noch nicht vernetzt. Aber die Umsetzung schon. Ideen entstehen im Gespräch untereinander zwischen Leuten, die ein völlig unterschiedliches Fachwissen besitzen.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Die Strukturen sind so komplex geworden, dass man auf Interdisziplinarität angewiesen ist. Das Knowhow muss man sich von anderen Leuten holen, sonst würde man in endlicher Zeit nicht voran kommen.

Was ist, aus Ihrem Arbeitsumfeld heraus definiert, für Sie eine Innovation?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
An sich reicht die wörtliche Übersetzung: Eine Neuerung. Etwas, was es in der Vorstellung und in der Anwendung in unserer Welt bisher noch nicht gegeben hat.

Das will erarbeitet sein, das muss nicht unbedingt eine wissenschaftliche oder technische Innovation sein, das kann auch eine zivilisatorische Innovation sein. Es ist ein sehr breiter Begriff. Davon leben wir alle in unserer Lernwelt.

Wo war in Ihrem Projekt der Punkt, an dem Sie sagten, das ist es, das ist die Innovation?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Als wir den Bericht über die Wirkung von Xenon gelesen hatten. Das war vor genau fünf Jahren.

Haben Sie Wünsche, Forderungen an die Öffentlichkeit, Politik, Gesellschaft, wenn es darum geht, ein Projekt wie das Ihre umzusetzen?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Wir haben relativ früh Unterstützung bekommen. Vom Bundesforschungsministerium, von der Innovationsstiftung Rheinland-Pfalz, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, von der Körber-Stiftung. Wenn diese Forschungsförderer sehen, da entsteht etwas Neues, das wird etwas bringen, sind sie auch sehr gern zur Unterstützung bereit. Sie werden aktiv und lassen auch nicht unendliche Zeiten verstreichen.
Was unsere Situation als Ganzes angeht, so bedrückt mich die Vernachlässigung der technischen und naturwissenschaftlichen Bildung. Das Begreifen unserer Welt als eine rationale Welt geht immer mehr zurück, weil die Prozesse immer komplizierter werden und wenige sie verstehen. Es bildet sich ein neuer Aberglaube heraus mit allen negativen Konsequenzen: Es wird aufgegeben, sich um das Verständnis unserer Welt im technisch-naturwissenschaftlichen Sinn zu bemühen.
Das fehlt auch als kulturelle Leistung. Im 18. und 19. Jahrhundert sprach man vom Volk der Dichter und Denker, dann auch von dem der Ingenieure und Wissenschaftler, jetzt mutieren wir anscheinend zum Volk der Bänker.

Deutschland steht nicht alleine in dieser Entwicklung, aber so werden wir nicht voran kommen. Es ist auch ein gewisses Problem bei der Berufswahl, dass die technischen-naturwissenschaftlichen Berufe finanziell nicht so erfolgreich sind wie die im Management und der Wirtschaft.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Es ist kein Problem, für ein interessantes Projekt Fördergelder zu beantragen. Aber man kann die beantragten Stellen nicht besetzen. Mittlerweile fehlt es in vielen Projekten an Fachkräften.

Sie haben bereits einen hochrangigen Wissenschaftpreis bekommen. Wie hat er sich auf Ihre Arbeit ausgewirkt?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Die Zusammenarbeit zwischen den Kollegen in Paris und den Kliniken wurde durch den Körber-Preis sehr gefördert. Auch zum Bekanntheitsgrad der Methode, gerade in Deutschland, hat er viel beigetragen. Diese Forschungsmittel sind sehr willkommen, weil man sie freier einsetzen kann: Man hat die Entscheidungsfreiheit, ob man z.B. eine Stelle besetzen oder eine Anschaffung tätigen will. Es müsste mehr Körber-Stiftungen geben.

Wenn Sie das Rad noch einmal zurückdrehen könnten, würde Ihr Weg ähnlich verlaufen?

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Ich habe nicht das Gefühl, einmal an einer Weiche gestanden zu sein. Mich haben Naturwissenschaften schon immer interessiert. Man wächst in seine Arbeit hinein, ohne ein Gefühl für eine Richtung. Irgendwann weiß man, das ist das Richtige.

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Mein Vater war Ingenieur und ich dachte, ich würde auch Ingenieur werden. Mein Physiklehrer hat mich kurz vor dem Abitur zu Physik überredet. Das habe ich nicht bereut. Abgesehen davon, dass die ersten Semester hart waren. Sind die überstanden, fühlt man sich in diesem Beruf sehr wohl.

Was wünschen Sie sich für die Zukunft?

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Meine Zukunft als aktiver Wissenschaftler in der Verantwortung neigt sich mit 66 Jahren dem Ende zu. Ich hoffe aber, dass ich noch ein wenig mitmachen kann und darf. Ich habe noch andere wissenschaftliche Interessen, die ich verfolge, in der Kern- und Teilchenphysik. Wir suchen nach einer endlichen Neutrinomasse im Betazerfall des Tritiums. In dem Bereich sind wir zur Zeit führend und haben Pläne, mit dem Forschungszentrum Karlsruhe ein ganz großes, neues Experiment hierzu aufzubauen.

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Eingangs haben wir über die ursprünglichen Anwendungen von Helium-3 gesprochen. Diese werden wir mit Interesse weiter verfolgen. Es haben sich ja bereits die ersten Erfolge eingestellt.

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Lebenslauf

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten

30.8.1934
geboren in Köln, Nordrhein-Westfalen
1954
Abitur
1954 – 1955
Studium der Physik an der Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
1954 – 1962
Studium der Physik an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
1959
Diplom
1962
Promotion
1962 – 1966
Wissenschaftlicher Forschungsassistent am Institut für Physik an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
1966
Habilitation
1968 – 1969 und 1979
Forschungsaufenthalte am Europäischen Kernforschungszentrum in Meyrin bei Genf
seit 1972
Professor für Experimentalphysik an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
1988
Forschungsarbeit zum Thema polarisiertes Helium an der École Normale Superieure Paris

Ehrungen:

seit 1985
Mitglied der Akademie für Wissenschaft und Literatur Mainz
1987
Gentner-Kastler Preis
seit 1989
Mitglied der Académie des Sciences Paris
1998
Koerber European Science Award
seit 1998
Mitglied der Academia Europaea

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Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil

1.2.1951
geboren in Landau, Rheinland-Pfalz
1970
Abitur
1971 – 1972
Studium der Mathematik und der Physik an der Universität Kaiserslautern
1975 – 1980
Studium der Physik an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
1980
Diplom
1980
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Kernphysik an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
1987
Promotion
1987
Stipendium der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
1987 – 1988
Forschungsaufenthalt am Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne an der École Normale Superieure Paris
1988
Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Physik an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
1994
Habilitation
1996 – 1999
ILL Senior Fellow am Institut Laue-Langevin Grenoble
seit 1999
Professor für Experimentalphysik an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Ehrungen:

1991
Röntgen-Preis der Justus-Liebig-Universität Gießen
1998
Koerber European Science Award

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Kontakt

Projektsprecher:

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten
Institut für Physik
Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
Staudingerweg 7
55099 Mainz
Tel.: +49 (0) 6131 / 39 22 279
Fax: +49 (0) 6131 / 39 23 428
E-Mail: exakt@dipmza.physik.uni-mainz.de

Pressekontakt:

Petra Giegerich
Pressereferat
Saarstraße 21
55099 Mainz
Tel.: +49 (0) 6131 / 39 20 047
Fax: +49 (0) 6131 / 39 24 139
E-Mail: presse@verwaltung.uni-mainz.de