Entwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressors für 3 He für medizinische MR Tomographie

Zusammenfassung: Michael EbertEntwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressorsfür 3-He für medizinische MR Tomographie Durch Optisches Pumpen von metastabilem3-He*--Gas bei einem Druck von 1 mb und Spinübertrag mittels Metastabileraustauschstöße aufden Grundzustand, wird 3-He auf 53 % bei einemmittleren Fluß von f = 58 bar*liter/Tag aufpolarisiert. Bei einem Fluß von f = 122bar*l/Tag wird immer noch eine Polarisation von 30 % erzielt. DurchSteigerung der Laserleistung von derzeit 12 Watt aufwünschenswerte 30 Watt, könnten beigleichem Fluß Kernspinpolarisationen des Heliums von 70 % erreicht werden. Mittels einer eigens entwickelten Ganzmetall--Titan--Kolbenpumpeerfolgt die Kompression in zwei Stufen. Zuerst wird einZwischenvolumen auf Drücke 200 bis 800 mb,je nach Anwendung gefüllt. Mit dem selben Kompressor könnenanschließend abnehmbare, verschließbare Experimentierzellen ausdiesem Zwischenvolumen auf Drücke 1 bis 6 bar gefüllt werden. Auf Grund des großen Hubvolumens von 15,4 Liter können große Gasmengen proKompressionszyklus verdichtet werden. Wegen des großen Verhältnisaus Kompressionshub h = 100 cm undKompressordurchmesser 14 cm kommt es imKompressionsraum zu keinen meßbaren Polarisationsverlusten.Zusammen mit dem großen Kompressionsfaktor von K = 10000sind diese konstruktiven Maßnahmen für den vollständigen Erhaltder Polarisation bei der Kompression des polarizierten 3-He--Gasesverantwortlich. Diese großen Gasmengen an hyperpolarisiertem 3-He haben ersteklinische Studien funktioneller Lungen--MRT ermöglicht. DurchMessung des Sauerstoffpartialdrucks und dessen Abnahmerate, derBestimmung der Ventillation und Messung der DiffusionskonstantenADC in der Lunge, können die Funktionen dieses Organs lokalquantitativ beurteilt werden.

Abstract:Michael EbertDevelopment of a large-scale polarizer and compressor forpolarized 3-He for medical MR Imaging By direct Optical Pumping of metastable3-He*-atoms at a pressure of about 1 mb and spintransfer to the ground state atoms via metastability exchangescattering, we reach a 3-He polarization of 53 % ata flux of 58 bar*l/day. At f = 122 bar*l/day a polarization of 30 % 3-He isachieved. By increasing the laser power from the present 12 Watt system to desirable 20 to 30 Watt it should be possible to reach a nuclear polarization of about 70 % at the same flux. An all metal titanium piston compressor was designed and built. Ina two step procedure we are able to compress the polarized 3-Hefirst into a buffer cell to a pressure of 200 to800 mb, depending on the experimental conditions. Thenthe polarized 3-He is extracted out of the buffer cell andcompressed into a disconnectable storage cell at 1 to6 bar. Due to the large compression volume of15,4 liter it is possible to transport alarge quantity of gas per compression cycle. Together with thelarge compression stroke of 100 cm compared with thesmall diameter of 14 cm and the large compressionfactor of K = 10000 these constructions are responsable forpreserving the polarization during compression. These large quantities of hyperpolarized 3-He lead to the firstclinical studies with patients and volunteers using MRI for lungfunction tests. This includes an assessment of regional oxygenconcentrations, the ventilation and the diffusion coefficientinside the lung.