Nominee 2000

Helium-3-Kernspintomographie

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

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten (Spokesperson)
Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil
Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

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

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.

Weitere Details

Lebensläufe

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Wilhelm Otten

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

Prof. Dr. rer. nat. Werner Heil

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

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

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Die bildliche Darstellung der Lunge und ihrer krankhaften Veränderungen ist ein altes radiologisches Problem. Die klassische Röntgenaufnahme oder auch Durchleuchtung erkannte eine Tuberkulose an den Kalkflecken in den Narben oder einen Tumor an der Verdichtung des ansonsten recht porösen Lungengewebes. Aber die für das Gros der Lungenkrankheiten, z.B. Asthma, Emphysem, so wichtige Frage, wie gut die Lunge lokal belüftet (ventiliert) ist, blieb auch mit modernen Verfahren, wie der Computertomographie oder der Magnetresonanztomographie (MRT) offen. Eine ungefähre, mehr schemenhafte Darstellung der Lungenventilation gelang nur durch Einatmen eines radioaktiven Gases, von dessen Verteilung man ein Szintigramm mit schwacher räumlicher Auflösung gewinnen konnte.

Seit einigen Jahren hat hier die MRT mit eingeatmetem, kernspinpolarisiertem Helium-3 neue Perspektiven aufgezeigt.

Seit Röntgen kommen die entscheidenden Anstöße in der medizinischen Bildgebung aus der Physik. So war es auch diesmal. Seit vielen Jahren schon experimentierten Physiker aus aller Welt mit kernspinpolarisierten Edelgasen. Dabei werden mit der Methode des optischen Pumpens (hierfür Nobelpreis an Alfred Kastler, ENS Paris, 1966) die Kernspins der Atome und die damit verknüpften magnetischen Dipole fast vollständig entlang einer Magnetfeldachse ausgerichtet. Das gelingt durch Absorption von zirkularpolarisiertem, resonantem Laserlicht, das seinen Drehsinn zunächst an das Leuchtelektron und dann durch magnetische Koppelung weiter auf den Kernspin überträgt. Die Ausrichtung der Kerndipole, die im Normalfall das Magnetfeld eines MR-Tomographen bei den Kernspins des Wasserstoffs im Gewebe erzeugt, ist im Vergleich dazu 100.000 mal schwächer. Dieser Umstand bewog 1994 eine Forschergruppe aus Princeton und Stony Brook, in eine präparierte Mäuselunge optisch gepumptes Xenongas zu injizieren, um sie mit den hochpolarisierten Xenonkernen als Kontrastmittel im MR-Tomographen bildlich darzustellen.

Zu diesem Zeitpunkt hatten Mainzer Physiker eine andere Variante des optischen Pumpens soweit entwickelt, dass es gelang, die Kernspins des Edelgases Helium-3 in Litermengen zu polarisieren; sie hatten auch Wege gefunden, um diese Polarisation über Tage hinweg zu erhalten.

Dabei hatten sie aber ursprünglich Ziele aus der Grundlagen-Kernphysik im Auge, nämlich die Erforschung der inneren, elektromagnetischen Struktur des Neutrons durch Streuung von ebenfalls polarisierten Elektronen am Mainzer-Mikrotron-Beschleuniger. Diese Entwicklungen kamen ihnen zugute, um nach dem Bekanntwerden des amerikanischen Pilotexperiments in Zusammenarbeit mit Mainzer Radiologen und MR-Physikern des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg aus dem Stand heraus ein MRT-Bild der menschlichen Lunge nach Einatmen von polarisiertem Helium-3 zu gewinnen. Einige Monate später konnte am MR-Tomographen der Mainzer Radiologie bereits die erste Übersicht über typische Krankheitsbilder der Lunge mit Helium-3-MRT gewonnen werden.

Welche diagnostische Brisanz in dem neuen Verfahren liegt, zeigt der Vergleich der Helium-3-Lungenbilder zweier junger, gesunder Probanden, der eine raucht, der andere nicht. Die Raucherlunge weist bereits jetzt - ohne Beschwerden beim Probanden - Schatten, als Vorboten eines drohenden Emphysems in späterem Alter auf.

Inzwischen hat die Technik sich zu mehreren Varianten der funktionellen Bildgebung weiterentwickelt:

  1. Im Zehntelsekundenrhytmus kann man dreidimensionale Bilder der Lunge schießen und damit praktisch einen Film des Ein- und Ausatmens drehen und die Behinderungen erkennen.
  2. Anhand des Resonanzsignals kann man den Diffusionsweg eines Helium-3-Atoms durch die Lunge verfolgen und normales, engmaschiges Bläschengewebe von krankhaft aufgeblähtem unterscheiden.
  3. Im Kontakt mit Luftsauerstoff in der Lunge zerfällt die Helium-3-Polarisation innerhalb weniger Sekunden; exaktes Messen dieser Zerfallszeit lässt den Sauerstoffgehalt und -verbrauch der Lunge lokal erkennen. Damit kann man erstmals die zentrale Lungenfunktion räumlich aufgelöst und nichtinvasiv diagnostizieren.

Die Helium-3-MRT der Lunge ist hier als Beispiel aufgeführt, wie innovative Anwendungen spontan aus der Grundlagenforschung heraus entstehen können.

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:

E-Mail: info@deutscher-zukunftspreis.de
Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de

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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