Helium-3-Kernspintomographie

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

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

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
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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.

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