Znane są dwie metody polaryzacji jądrowej wspomnianych izotopów. Pierwsza, rozwinięta przez zespoły amerykańskie, wykorzystuje przekaz polaryzacji elektronowej spolaryzowanego optycznie metalu alkalicznego, np. Rb, w tzw. zderzeniach z wymianą spinu [2]. Metoda jest mało wydajna i ,,brudna" (Rb), ale dobrze działa przy ciśnieniach gazu ~ 1 atm, więc spolaryzowany gaz po oczyszczeniu nadaje się od razu do wprowadzenia do płuc.
Druga - rozwinięta przez zespół z Laboratorium Kastlera-Brossela ENS w Paryżu (LKB) - polega na polaryzowaniu optycznie wzbudzonego w wyładowaniu rf stanu metastabilnego gazu, który w zderzeniach z wymianą metastabilności przekazuje swoją polaryzację do stanu podstawowego (spin jądrowy) [3,4]. Metoda jest niezwykle wydajna i czysta, ale działa przy niskich ciśnieniach (~ 1 mmHg), więc przed wprowadzeniem do płuc wymagana jest kompresja gazu bez utraty polaryzacji. Z uwagi na konieczność użycia niemagnetycznych materiałów (tytan), kompresor taki jest bardzo kosztowny. Dla potrzeb fizyki jądrowej (tarcze spolaryzowane) skonstruowano takie kompresory w Moguncji i w NIST (Gaithersburg, USA). Są one obecnie używane do prac nad tomografią NMR płuc z zastosowaniem helu-3.
W porównaniu z klasycznym ,,obrazowaniem" NMR, w którym osiąga się niewielkie polaryzacje, ~ 10-6, stosując bardzo duże pola magnetyczne ($1-2$ T, niezwykle kosztowne magnesy nadprzewodzące), używając gazów szlachetnych pompowanych optycznie można uzyskać polaryzacje ~ 1, co z nadwyżką kompensuje znacznie mniejszą liczbę atomów gazu. Ponadto duże pole magnetyczne nie jest tu w ogóle potrzebne, można więc zbudować urządzenie nieporównywalnie tańsze od klasycznych tomografów NMR. W większości pierwszych prac korzysta się jednak wciąż z istniejących w szpitalach aparatur z dużym polem magnetycznym. Narzuca to sposób wytwarzania obrazu, zwykle w tzw. sekwencji FLASH, gdzie dezorientuje się podłużną składową spinu, korzystając z gazów pod ciśnieniem ~ 1 atm. Uzyskano w ten sposób bardzo ładne obrazy płuc ochotników. Udało się też zarejestrować dynamicznie przebieg oddychania.
Odmienną strategię przyjął zespół z LKB, z którym współpracujemy. Korzystając z działającego w Orsay pod Paryżem eksperymentalnego tomografu NMR z małym polem magnetycznym (0,1 T), otrzymano obrazy płuc używając znacznie czulszej metody echa spinowego, w której każdy spin wielokrotnie wnosi wkład do obserwowanego sygnału (metody tej nie można stosować w dużym polu z uwagi na przekroczenie dopuszczalnych wartości pól zmiennych).
Wystarczy wtedy spolaryzowany optycznie przy ciśnieniu kilkudziesięciu mmHg hel-3 zmieszać z helem-4 lub azotem o ciśnieniu atmosferycznym. Mieszanina taka ma wystarczające namagnesowanie, by w niskim polu magnetycznym - używając wielokrotnego echa spinowego - otrzymać za jej pomocą obraz płuc [5].
Koszt gazu potrzebnego do wykonania jednego obrazu jest wtedy bardzo niski, zaś tomograf NMR z małym polem jest o rząd tańszy od klasycznego z polem ~ 1 T.
Istotne w realizacji eksperymentu było zwiększenie ciśnienia pompowanego helu-3 o czynnik kilkanaście w stosunku do wcześniej znanych metod. Uzyskano to przez pompowanie w polu ok. 0,1 T, co przy wyborze odpowiednich linii pozwoliło znacznie zwiększyć ciśnienie gazu. Znaczną część badań podstawowych, niezbędnych do optymalizacji takiego pompowania, wykonano w Krakowie przy współpracy z zespołem z LKB z Paryża, na częściowo pożyczonej z Paryża brakującej aparaturze. Ponieważ pole magnetyczne potrzebne do pompowania optycznego ma podobną wartość jak pole tomografu, możliwe jest pompowanie in situ w tomografie, co dodatkowo zmniejsza straty spowodowane transportem.
Zwiększenie ciśnienia, przy którym zachodzi pompowanie optyczne He-3 umożliwiło budowę bardzo prostego i taniego kompresora. Kontrolowane w zależności od wymagań ciśnienie użytego spolaryzowanego He-3 pozwala na znaczne poprawienie jakości obrazu.
Większość wyników jest publikowana w trudno dostępnych dla fizyków czasopismach medycznych lub z pogranicza medycyny i fizyki. rodowisko jest jednak doskonale zorganizowane i wszystkie nowe wyniki pojawiają się natychmiast w Internecie. Dlatego podaję adres bardzo ciekawej strony grupy paryskiej: http://www.lkb.ens.fr/recherche/flquant/HPG99.html, gdzie dodatkowo znajdują się odsyłacze do stron wszystkich grup aktywnych w opisanych badaniach. Można tam znaleźć naprawdę fascynujące obrazy płuc, a nawet filmy pokazujące, jak oddychamy.
Literatura
[1] M. Albert i in., Nature, 370, 199 (1994).
[2] M. Bouchiat, T.-R. Carver, C.M Varnum, Phys. Rev. Lett. 5, 463
(1960).
[3] F.D. Colegrove, L.D. Schearer, G.K. Walters, Phys. Rev. 132, 2561
(1963).
[4] P.J. Nacher, M. Leduc, J. Phys. (France) 46, 2057 (1985).
[5] L. Darrasse, G. Guillot, P.J. Nacher, G. Tastevin, C.R. Acad.
Sci. Paris 324, 691 (1997).