Variation von NMR-Signalen durch Hyperpolarisation und Ultraschall

Abstract

In dieser Arbeit werden zwei Bereiche der NMR untersucht. Zum einen wird der Fragestellung nachgegangen, ob es eine Möglichkeit gibt, diese zerstörungsfreie Messmethode auch auf Metalle mit sehr kleinen Wasserstoffkonzentrationen auszudehnen und zum anderen, ob und wie eine Kombination von Ultraschall und NMR zu einer Verbesserung oder sogar zu einer Erweiterung der Messmethode und dadurch zu verbesserten medizinischen Diagnosen führen kann.<br /> Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Nachweis von Protonen in Metallen mit Hilfe eines polarisierten Protonenstrahls. Es konnte mit Messungen an Wolframfolien gezeigt werden, dass dieses Prinzip erfolgreich ist. <br /> Die hier vorgestellten Daten zeigen, dass mit dieser Methode nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Aussagen über den Wasserstoff in Wolfram gemacht werden können. Mit Hilfe der hyperpolarisierten Protonen konnte die Längsrelaxationsrate für Protonen in Wolfram bestimmt werden. <br /> Darüber hinaus machen die vorgestellten Ergebnisse deutlich, dass nicht nur die Analyse im Metall, sondern auch an seiner Oberfläche mit dieser Methode möglich ist. Mit den Messungen wird deutlich, dass die NMR nicht auf Stoffe mit einer intrinsisch ausreichenden Wasserstoffkonzentration angewiesen ist, sondern man über gezieltes Platzieren von polarisierten Protonen nahezu alle Umgebungen von Protonen untersuchen kann. Die erfolgreichen Versuche, Protonen-NMR an Metallen mit einer geringen Löslichkeit für Wasserstoff durchzuführen, führten zu der Idee, statt manipulierte Protonen in die Probe einzubringen, die vorhandenen Protonen in definierter Weise zu manipulieren und damit das Spektrum der Messmöglichkeiten der NMR-Messungen zu verbessern oder zu erweitern.<br /> In ersten Messungen an einem Nariumchloridkristall konnte mit der Puls-NMR gezeigt werden, dass mit mechanischen Wellen (Ultraschall) Einfluss auf die Gesamtmagnetisierung genommen werden kann. Da hier die theoretische Begründung in Abstandsänderung liegt, war es fraglich ob bei einem dynamischen System, wie es Flüssigkeiten darstellen ebenso durch Einstrahlen von Ultraschall Einfluss auf die Gesamtmagnetisierung genommen werden kann. Mit den hier vorgestellten Messungen an Wasser konnte erstmals gezeigt werden, dass es einen Einfluss gibt. Technische Schwierigkeiten im ersten Aufbau, wurden in einer zweiten Iteration des experimentellen Aufbaus behoben, mit dem Erfolg, wesentlich stärker den Einfluss des Ultraschalls nachzuweisen. Dies ermöglichte nun auch die Charakterisierung des Einflusses.<br /> Es konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss mit der Länge des Ultraschallpulses und mit der Ultraschallleistung zusammenhängt. Desweiteren konnte eine direkte Abhängigkeit von der Viskosität der Flüssigkeit beobachtet werden. Zur genaueren Charakterisierung des Effekts reichte das im Labor zur Verfügung stehende Spektrometer nicht aus, weshalb ein Kernspintomograph zur Untersuchung genutzt wurde. Ein Kernspintomograph hat den Vorteil, dass zum einen ortsaufgelöst gemessen werden kann und zum anderen größere magnetische Feldgradienten während der Messungen genutzt werden können. Auf diese Art konnte die Vermutung, dass durch den Ultraschall eine Kollektivbewegung in die Probe eingebracht wird, bestätigt werden. Ortsaufgelöste Messungen an verschieden viskosen Flüssigkeiten konnten weiterhin bestätigen, dass die Viskosität die Reichweite und Art des Ultraschalleinflusses stark ändert.<br /> Darüber hinaus zeigten Messungen mit in der Medizin angewendeten Messequenzen (T1-, T2-gewichtet) eine durch den Ultraschall hervorgerufene Struktur. Durch eine Vielzahl von Tests konnte ausgeschlossen werden, dass dieser Effekt durch etwas anderes als den Ultraschall hervorgerufen wird. Es ist jedoch noch nicht verstanden, welcher Mechanismus diesen Einfluss auf die Längs- bzw. Querrelaxation hervorruft.<br /> Fazit aus diesen Messungen ist, dass durch gezieltes Einstrahlen von Ultraschall während einer NMR-Messung das Spektrum der Kontrastmöglichkeiten zum Beispiel um den Parameter Viskosität erweitert wird. Damit diese Methode zur Diagnostik bei medizinischen Untersuchungen am Menschen genutzt werden kann, muss gewährleistet sein, dass sie für den Menschen verträglich ist. Die bei diesen Messungen in ein Medium eingebrachte Energie liegt weit unter den erlaubten Grenzwerten. Die Druckamplitude P liegt bei etwa 1bar, was nach heutigem Stand unbedenklich ist.<br /> Damit steht der Nutzung dieser Technik auch in der Medizin prinzipiell nichts mehr im Wege. Die Breite an Möglichkeiten durch dieses Verfahren sind jetzt noch nicht abzuschätzen, weshalb von der Universität Bonn die Sicherung der Schutzrechte eingeleitet wurde.