W roku 1994 został opublikowany pierwszy obraz płuc myszy uzyskany przy zastosowaniu jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) ksenonu 129 uprzednio spolaryzowanego w pompowaniu optycznym [1]. Od tej daty w kilku uniwersytetach amerykańskich (Princeton, Virginia, Michigen, Berkeley), i w Europie na uniwersytecie w Moguncji i w Laboratorium Kastlera-Brossela ENS w Paryżu pokazano możliwość praktycznej realizacji obrazów płuc człowieka używając dwóch gazów spolaryzowanych - helu 3 i ksenonu 129. Gazy te posiadając podobnie jak wodór spin jądrowy 1/2, zorientowane, relaksują zaskakująco powoli (w płucach ~ 20-30 s), co umożliwia realizację obrazu obszaru wypełnionego gazem (płuca, tchawica, jama ustna). Ponadto ksenon rozpuszczający się w krwi może pozwolić nie tylko na obserwację funkcjonalną wentylacji i perfuzji płuc, ale stać się magnetycznym znacznikiem perfuzji tkanek mózgu i innych organów. Jedyną znaną dzisiaj metodą pozwalającą na podobne badania jest scyntylografia. Nawet obecnie otrzymywane pierwsze obrazy przy użyciu gazów spolaryzowanych optycznie posiadają lepszą zdolność rozdzielczą niż otrzymane w medycynie jądrowej, nie wprowadzając żadnych dawek promieniowania i w wielu wypadkach będąc znacznie tańsze.
Znane są dwie metody polaryzacji jądrowej wspomnianych izotopów.
Pierwsza rozwinięta przez zespoły amerykańskie wykorzystuje przekaz polaryzacji elektronowej spolaryzowanego optycznie metalu alkalicznego np. Rb w tzw. zderzeniach z wymianą spinu [2]. Metoda jest mało wydajna i brudna (Rb), ale dobrze działa przy ciśnieniach gazu ~ 1atm., więc spolaryzowany gaz, po oczyszczeniu nadaje się od razu do wprowadzenia do płuc.
Druga rozwinięta przez zespół z Laboratorium Kastlera-Brossela ENS w Paryżu (LKB), polega na polaryzowaniu optycznie wzbudzonego w wyładowaniu r-f stanu metastabilnego gazu, który w zderzeniach z wymianą metastabilności przekazuje swoją polaryzację do stanu podstawowego (spin jądrowy) [3, 4] (Rys.1). Metoda jest niezwykle wydajna i czysta ale pracuje przy niskich ciśnieniach (~ 1 mm Hg), więc przed wprowadzeniem do płuc wymagana jest kompresja gazu bez utraty polaryzacji. Z uwagi na konieczność użycia niemagnetycznych materiałów (tytan) kompresor taki jest bardzo kosztowny. Dla potrzeb fizyki jądrowej (tarcze spolaryzowane) skonstruowano takie kompresory w Moguncji i w NIST-ie (Gaithersburg, USA) Są one obecnie używane do prac nad tomografią NMR płuc z zastosowaniem helu 3.
W porównaniu z klasycznym obrazowaniem NMR, w którym osiąga się niewielkie polaryzacje ~ 10-6, stosując bardzo duże pola magnetyczne (1-2T, niezwykle kosztowne magnesy nadprzewodzące), używając gazów szlachetnych pompowanych optycznie można uzyskać polaryzacje ~ 1, co z nadwyżką kompensuje znacznie mniejszą ilość atomów gazu. Dodatkowo duże pole magnetyczne nie jest tu w ogóle potrzebne, można więc zbudować urządzenie nieporównywalnie tańsze od klasycznych tomografów NMR. W większości pierwszych prac korzysta się jednak wciąż z istniejących w szpitalach aparatur z dużym polem magnetycznym. Narzuca to sposób wytwarzania obrazu, zwykle w tzw. sekwencji FLASH, gdzie dezorientuje się podłużną składową spinu, korzystając z gazów o ciśnieniu ~ 1 atm. Uzyskano w ten sposób bardzo ładne obrazy płuc ochotników. Udało się tez zarejestrować dynamicznie przebieg oddychania.
Odmienną strategię przyjął zespół z LKB, z którym współpracujemy. Korzystając z działającego w Orsay pod Paryżem eksperymentalnego tomografu NMR z małym polem magnetycznym (0,1T) otrzymano obrazy płuc używając znacznie czulszą metodę echa spinowego, w którym każdy spin partycypuje wielokrotnie w obserwowanym sygnale (metody tej nie można stosować w dużym polu z uwagi na przekroczenie dopuszczalnych wartości pól zmiennych).
Wystarczy wtedy spolaryzowany optycznie przy ciśnieniu kilkudziesięciu mmHg, hel 3 zmieszać z helem 4 lub azotem o ciśnieniu atmosferycznym. Mieszanina taka ma wystarczające namagnesowanie by w niskim polu magnetycznym używając wielokrotnego echa spinowego otrzymać przy jej pomocy obraz płuc [5]. Ideowy schemat takiego eksperymentu przedstawia rys.2, zaś przykładowe obrazy uzyskane przez autorów publikacji [5] pokazane są na rys.3.
Koszt gazu potrzebnego do wykonania jednego obrazu jest wtedy bardzo niski, zaś tomograf NMR z małym polem jest o rząd tańszy od klasycznego z polem ~ 1T.
Istotnym w realizacji eksperymentu było zwiększenie ciśnienia pompowanego helu 3 o czynnik kilkanaście w stosunku do wcześniej znanych metod. Uzyskano to przez pompowanie w polu ok. 0,1T, co przy wyborze odpowiednich linii pozwoliło znacznie zwiększyć ciśnienie gazu. Część badań podstawowych, niezbędnych do optymalizacji takiego pompowania wykonano w Krakowie przy współpracy z zespołem z LKB z Paryża, na częściowo pożyczonej z Paryża brakującej aparaturze [6]. Ponieważ pole magnetyczne potrzebne do pompowania optycznego ma podobną wartość jak pole tomografu, możliwe jest pompowanie in situ w tomografie, co dodatkowo zmniejsza straty spowodowane transportem.
Zwiększenie ciśnienia przy którym zachodzi pompowanie optyczne He3 umożliwiło budowę bardzo prostego i taniego kompresora. Kontrolowane w zależności od wymagań ciśnienie użytego spolaryzowanego He3 pozwala na znaczne poprawienie jakości obrazu.
Większość wyników jest publikowana w trudno dostępnych dla fizyków czasopismach medycznych lub z pogranicza medycyny i fizyki. Środowisko jest jednak doskonale zorganizowane i wszystkie nowe wyniki pojawiają się natychmiast w internecie. Dlatego podaję adres bardzo ciekawej strony grupy paryskiej, gdzie dodatkowo znajdują się linki do stron wszystkich grup aktywnych w opisanych badaniach. Można tam znaleźć naprawdę fascynujące obrazy płuc, a nawet filmy pokazujące jak oddychamy.
http://www.lkb.ens.fr/recherche/flquant/HPG99.html
[1] Albert M., Cates G., Driehuys B. et al. Nature 370, (1994) 199
[2] Bouchiat M., Carver T.-R. and Varnum C.M., Phys. Rev. Lett. 5,
(1960) 463
[3] Colegrove F.D., Schearer L.D. and Walters G.K., Phys. Rev. 132,
(1963) 2561
[4] Nacher P.J. and Leduc M., J. Phys. France 46, (1985) 2057
[5] Darrasse L., Guillot G., Nacher P.J., Tastevin G., C.R. Acad. Sci.
Paris, 324, (1997) 691
[6] Courtade E., Marion F., Nacher P.J., Tastevin G., Dohnalik T.,
Kiersnowski K., Hyperfine Interaction , (2000) w druku
Uproszczony schemat tomografu MR dla obrazowania płuc z użyciem spolaryzowanych
optycznie gazów szlachetnych (tu 3He ). Na CD-romie dostępna kolorowa wersja
rysunku.
Obrazy płuc ( rzut czołowy, rzut boczny, przekrój poprzeczny) uzyskany przez autorów publikacji [5] w tomografie MR z małym polem magnetycznym (0.1T) (za zgodą autorów). Na CD-romie dostępna także kolorowa wersja obrazów.