Heel de long; Gepolariseerd helium-3 toont details longinhoud

HET AFBEELDEN van teer longweefsel stelt de klinische fysica voor een lastige opgave. Met röntgenfoto's is een goede controle mogelijk op vochtophoping, tbc of longkanker. Maar het sponsachtige inwendige van de long, met zijn enorme oppervlak aan longblaasjes, komt bij de belichtingstijden die medisch verantwoord zijn nauwelijks in beeld, om nog maar te zwijgen van het geïnhaleerde gas.

Een oplossing is het inhaleren van radioactief xenon-133. Dit edelgas vervalt onder uitzending van gammastraling, welke in een scan wordt gedetecteerd. Maar details kleiner dan een centimeter blijven langs deze weg verborgen en bovendien is er het gevaar van stralingsschade.

Een techniek die wel in staat lijkt veilig en met hoge resolutie het longinwendige af te beelden is MRI (magnetic resonance imaging) met gebruikmaking van gepolariseerd helium-3 gas. Begin 1995 publiceerde een Amerikaanse onderzoeksgroep uit Princeton onder leiding van William Happer de eerste MRI-plaatjes van de longen van een cavia die geprepareerd helium-3 had ingeademd. Eind september volgde de mens, waarbij de long in plakken van steeds 2 centimeter werd afgebeeld. In zo'n vlak konden details van 1,25 bij 2,5 millimeter worden onderscheiden.

Het principe achter MRI is al vijftig jaar bekend. Sommige atoomkernen, met name waterstof, xenon en helium-3, zijn te beschouwen als kleine magneetjes (spins). Op een uitwendig aangelegd magnetisch veld reageren ze door er parallel aan te gaan staan of er juist tegenin (anti-parallel). De twee toestanden verschillen iets in energie. Wordt nu een zeer bepaald radiosignaal ingestraald, dan klapt een gedeelte van de spins om. Daarbij zenden ze zelf een karakteristiek signaal uit.

0,000047 TESLA

Dat signaal is des te sterker naarmate er meer spins één bepaalde kant opstaan. Bij lichaamstemperatuur en een uitwendig magnetisch veld van 1,5 tesla (ter vergelijking: het aardmagnetisme heeft in Nederland een sterkte van 0,000047 tesla) is deze netto polarisatie niet meer dan een paar spins op de honderdduizend. Bij gewoon weefsel is dit voldoende: het bevat namelijk zoveel waterstof in de vorm van water dat het MRI-signaal voldoende krachtig is om te worden opgepikt.

Voor het inwendige van de long gaat die vlieger niet op. Het sponsachtige weefsel en het aanwezige gas zijn zo ijl dat het MRI-signaal te zwak wordt. Wil het gas in de longen zich via MRI verraden, dan moet het een polarisatiegraad bezitten van tenminste 10 procent, tienduizend keer meer dan waterstof te bieden heeft. De vraag was dus of er geschikte gassen waren (niet-toxisch en niet-radioactief) die kunstmatig de gewenste hyper-polarisatie kon worden meegegeven op zo'n manier dat ze na inademing die toestand voor de tijdsduur van een MRI-scan vasthielden.

Die zijn er: xenon-129 en helium-3. De laatste (niet te verwarren met gewoon helium-4) is een vervalproduct van tritium en heeft een vergelijkbaar magnetische kern als waterstof. Om de gewenste hyperpolarisatie te bereiken, wordt een techniek toegepast die optisch pompen heet. Daartoe wordt het helium-3 samen met een hoeveelheid vloeibaar rubidium in een glazen cel opgesloten. Na verhitting tot 180 graden, waarbij het rubidium verdampt, wordt (circulair) gepolariseerd laserlicht met een golflengte van 795 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) ingestraald, met als effect dat de rubidiumatomen worden gericht. Via botsingen wordt die polarisatie op de helium-3 kernspins overgedragen, met als resultaat hyperpolarisatie. Na afkoeling condenseert het rubidium uit het gasmengsel weg waarna het helium-3 wordt samengeperst.

DRAAGBARE DIODELASER

Vooral de opkomst van de draagbare diodelaser maakt dat deze techniek niet langer een speciaal ingericht laboratorium vereist, maar ook in een 'ziekenhuisomgeving' is toe te passen. Aan de universiteit van Mainz produceert een groep fysici onder leiding van E.W. Otten inmiddels helium-3 in een tempo van 2 liter per uur, met een polarisatiegraad van 60 à 70 procent. Het blijft 100 uur goed, voldoende om het naar Heidelberg te transporteren alwaar in een ziekenhuis tientallen patiënten het (vrijwillig) in een MRI-scanner hebben ingeademd. Dit nadat ze hun longen eerst met gewoon (niet-magnetisch) helium-4 hadden gespoeld om de hoeveelheid zuurstofmoleculen, die de polarisatie van het helium-3 teniet doen, te minimaliseren. De kosten van het hypergepolariseerde helium-3 schat Otten op DM 300,- per liter.

Op de foto's steken de longen scherp af tegen het middenrif, het hart, de borstkas en de bloedvaten - die alle geen signaal geven. Die delen van de longen waar de luchtverversing het grootst is, neemt de scanner het duidelijkst waar. MRI met helium-3 biedt de mogelijkheid de ademhaling in de longen lokaal te bekijken en zo zijn diensten te bewijzen in de diagnose en behandeling van longziekten. Het onderzoek verkeert nog in een experimenteel stadium. Pas als er een geschikt beademingsmasker is ontwikkeld, ziekenhuizen over aangepaste MRI-radio-antennes beschikken en het uitgeademde helium-3 wordt opgevangen in plaats van verspild, acht Otten de techniek met hypergepolariseerd helium-3 rijp voor klinische toepassing.