Entwicklung und Anwendung eines Beatmungssystems zur Untersuchung der Lungenfeinstruktur mittels He-3-Magnetresonanztomographie

Im Rahmen meiner Dissertation wurde ein 3He-Applikationssystem für die in-vivo 3He-Magnetresonanztomographie der Lunge von Ratten entwickelt. Im Gegensatz zu anderen bisher entwickelten MR-kompatiblen Beatmungsgeräten wurde in diesem Applikationssystem erstmals der polarisationserhaltende ³He-Langzeitspeicher im Streufeld des Tomographen integriert. Bei der 3He-Applikation wird das 3He-Gas automatisch aus dem Langzeitspeicher außerhalb des Magneten zum Tier in den Tomographen geleitet. Die Kernspin-Polarisationsverluste, die beim 3He-Transfer zum Tier in den Tomographen auftreten, betragen etwa 1% (rel.) und sind vernachlässigbar gering. Das Beatmungssystem wurde zusammen mit der MRT-Bildgebungssequenz COMSPIRA an mehr als 200 Tieren erfolgreich getestet. Die MRT-Aufnahmen fanden hauptsächlich an einem 0,47 T Niederfeldtomographen bei der Firma Boehringer-Ingelheim Pharma in Biberach statt. Es wurden sowohl morphologische Aufnahmen der Rattenlunge gemacht als auch der „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC) gemessen. Die relative Streuung der ADC-Werte innerhalb einer Gruppe von Tieren ähnlichen Alters und Gewichts betrug dabei 5%. Bei Wiederholungsmessungen an ein und demselben Tier verringerte sich die relative Streuung auf 1%. Diese Werte unterstreichen die hohe Reproduzierbarkeit des Beatmungssystems sowie des gesamten Messverfahrens. Weiterhin wurde ein Verfahren vorgestellt, das den experimentell bestimmten ADC unabhängig von dem Mischungsverhältnis zwischen dem applizierten 3He und der Atemluft in der Lunge macht. Dies kann erreicht werden, indem das hp 3He mit dem chemisch inerten und ungiftigen Gas SF6 in einem definierten Verhältnis gemischt wird und anschließend dem Tier appliziert wird. Zuletzt wurde der ADC von emphysematischen Rattenlungen und von gesunden Rattenlungen gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen signifikant kleineren ADC innerhalb der Gruppe der erkrankten Tiere. Diese Dissertation wurde durch die Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG unterstützt.

In my thesis an MRI-compatible small animal ventilator was developed. This ventilator has been optimized for the usage of hyperpolarized (hp) gases, such as ³He. In contrast to other MRI-compatible ventilators built so far, this ventilator integrates the long-term storage for hp ³He in the fringe fields of the scanner, which preserves hyperpolarization for many hours. The ³He gas is transferred automatically from the storage volume outside the magnet to the animal in the tomograph with a negligible overall polarization loss of about 1% (rel.). The ³He ventilator system was tested successfully for its functionality and reliability together with the imaging sequence COMSPIRA on more than 200 rats. These tests were mainly performed at a 0.47 T low field tomograph at Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH in Biberach. Morphological images of the rat lungs were taken and the apparent diffusion coefficient (ADC) was measured. The standard deviation of the ADC within a group of animals of similar age and weight was determined to be 5% whereas the standard deviation of repeated ADC measurements of a single animal was 1%. These results emphasize the high reproducibility of the test device and the whole measuring method. In addition, a method how to overcome the influence on the ADC of the residual air in the lung was presented. Therefore an optimized binary mixture of ³He and SF6, instead of pure ³He, was used to measure the ADC of healthy rat lungs. Finally the ADC of healthy and emphysematous rat lungs was determined. The results showed a significant lower ADC of the emphysematous lungs compared to the healthy lungs. This thesis was supported by Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG.