Bau und Entwicklung eines Applikators zur Verabreichung hyperpolarisierter Gase in der MRT der Lunge

Abstract

Im Rahmen meiner Dissertation habe ich gemäß dem Medizinproduktegesetz ein MR-kompatibles Verabreichungsgerät entwickelt, um Patienten hyperpolarisierte Gas Boli (He-3, Xe-129) als Kontrasgas zur MRT der Lunge zu applizieren. Das Gerät wurde dazu optimiert, die Gase oder Gasmischungen (z. B. HP Gas + N2) in definierten Mengen und zu definierten Zeitpunkten während der Inspiration mit hoher Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verabreichen, ohne dabei die MR-Qualität zu beeinträchtigen. Aus Sicherheitsgründen und zur späteren Datenanalyse werden die Atemflusskurven der Patienten kontinuierlich angezeigt und aufgezeichnet. Ein Kolbenkompressor ist integriert, um die gesamte gespeicherte He-3-Menge nutzen zu können. Weiterhin ist es möglich, die Polarisation vor Ort zu bestimmen und das abgeatmete He-3 zur späteren Rückgewinnung aufzufangen. Diese Auffangeffizienz konnte durch Untersuchungen mit He-4 (als He-3-Ersatz) gesteigert werden.\r\nDie ersten MR-Aufnahmen von 10 gesunden Probanden wurden mit diesem Aufbau im\r\nRahmen einer klinischen Studie durchgeführt. Die Analyse der bestimmten MR-Parameter Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Sauerstoffpartialdruck (pO2), Scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC=apparent diffusion coefficient) sowie die Signalanstiegszeit (rise-time) zeigt eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bei der Verabreichung des He-3 mit dem Applikators anstelle eines Tedlarbags (= kleine heliumdichte Plastiktüte).

In my thesis, an MRI-compatible administration unit was built according to the Medical Devices Law to administer patients hyperpolarized (HP) noble gas boli (He-3, Xe-129) as a contrast agent for MRI of the lung. This device has been optimized in order to administer these gases or gas admixtures (HP gas + N2 e. g.) in defined quantities and at a predefined time during inspiration with high reproducibility and reliability as well as without reducing MR-quality. For safety reasons and later data analysis, the patient’s airflows are monitored\r\nand recorded. A piston pump is included to make the whole amount of stored He-3 usable for MRI. Further, it is possible to measure the polarization on-line and to collect the exhaled gas for later recycling. This collection efficiency was increased during test series with He-4. \r\nThe first MR-images with 10 healthy volunteers were taken with this setup in a clinical study and the following MR-parameters were measured : signal-to-noise-ratio (SNR), partial oxygen pressure (pO2), apparent diffusion coefficient (ADC) and rise-time (which is a measure of the duration of signal increase). All four MR-parameters achieved by application of He-3 with the administration unit showed a better reproducibility compared to Tedlarbag results.