CN101680935B

CN101680935B - 将材料超极化的用于增强的磁共振技术的方法和装置

Info

Publication number: CN101680935B
Application number: CN200880011482.3A
Authority: CN
Inventors: J·A·乌尔巴恩; J·阿登克耶尔-拉森; E·W·斯陶特纳; B·C·阿姆; P·J·费南; R·A·曼加诺; D·G·里弗斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: WO2008121458A1; US20080242974A1; JP2010523204A; JP5713671B2; EP2135106A1; CN101680935A; EP2135106B1; DK2135106T3; ES2546206T3

Abstract

本发明提供了一种将材料极化的用于采用磁共振(MR)的技术的系统。该极化器系统包括冷却室，该冷却室在其中具有用于将物质(22)极化的低温致冷剂(26)。吸气泵(46)连接到冷却室上，以减少其中的压力，从而容许样品的超极化。吸气泵由制冷系统(14，72，90)冷却，以促进吸气泵中的分子吸附。冷却室、吸气泵以及制冷系统被布置在封闭的系统中。

Description

将材料超极化的用于增强的磁共振技术的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及一种将用于磁共振成像(MRI)的样品极化的方法和装置。

发明背景

本发明涉及核磁共振(NMR)分析，尤其是核磁共振成像(MRI)和高分辨率分析的NMR光谱学。MRI是一种诊断技术，其变得对于内科医生特别有吸引力，因为其是非侵入性的，并且不涉及使研究下的病人暴露于诸如来自X-射线的任何潜在伤害。高分辨率分析的NMR光谱学通常用于确定分子结构。

MRI和NMR光谱学因典型地使用的对比剂的核自旋的通常非常低的极化而缺乏某种程度的灵敏度。存在着许多改善核自旋的极化的技术。这些技术被称为超极化技术并导致灵敏度的提升。在超极化技术中，将诸如¹³C₁-丙酮酸盐或另一试剂的成像剂的样品引入或注入到正在被成像的对象中。当在本文中使用时，术语“极化”指进一步用于MRI中的试剂的核自旋的对准。此外，当在本文中使用时，术语“超极化”指被极化到超过在室温和1T所建立的水平，这在US 6,466,814中被进一步描述。

在许多情况下，成像剂在接近其最终用途的装置中经历该超极化。这是由于极化的通常较短的寿命(纵向弛豫时间T1)使自旋松弛回到热平衡极化。将核自旋极化的一种这样的技术使用了动态核极化，以将固态中的自旋极化。被用来产生超极化样品的装置设有处于磁场中的低温空间。如典型地构造那样，装置装备有流低温恒温器，该流低温恒温器包括插入到磁铁的孔中的真空隔离室。低温恒温器由冷的致冷剂的流进行冷却，该冷的致冷剂由外部致冷剂供给器经由输送线路和泵送装置而提供，并且，进入流低温恒温器中的致冷剂的流冷却磁铁的孔并形成低温空间。

目前被用来提供冷的致冷剂的流的泵送装置是开式循环泵送系统，出于许多原因，其不适合于在临床环境中使用。首先，开式循环泵送系统较大且产生大的噪声。此外，开式循环泵送系统昂贵且操作麻烦，因为在泵送过程中消耗了大量的致冷剂。即，为了向流低温恒温器提供冷的致冷剂的流，相当大的部分的液态致冷剂被蒸发。在开式循环泵送系统中，该大量被蒸发的致冷剂是不可回收的。因而，需要大量的致冷剂以将样品超极化，这显著地增加了运行系统的成本。

除了向泵送系统的运行增加成本之外，未能回收在开式循环泵送系统中被蒸发的致冷剂还导致整个系统低效。即，由于与各个成像剂样品的超极化相关联的致冷剂损耗，开式循环泵送系统的连续运行是不可能的。因此，只能通过定期地在中间储存器中填充致冷剂来实现开式循环系统的连续运行。

因而，目前的超极化系统的运行低效且昂贵。所以，存在着对能够减小或消除致冷剂消耗且具有能量效率的超极化系统的需求。还需要一种改进的超极化系统，其被设计成以减小对周围环境的干扰并容许更连续的运行的方式运行，且无须操作员处理液态致冷剂，从而增加超极化成像剂样品的产生。

发明内容

本发明通过提供一种产生用于磁共振系统中的超极化样品的装置和方法来克服上述缺陷。吸气泵结合到装置中，产生用于超极化的封闭的系统。

根据本发明的一个方面，一种将物质超极化的用于增强磁共振技术的装置包括冷却室、吸气泵以及制冷系统，冷却室在其中具有用于将物质极化的低温致冷剂，吸气泵连接到冷却室上，以调整其中的压力并产生低温，制冷系统冷却吸气泵并促进其中的分子吸附。冷却室、吸气泵以及制冷系统被布置在封闭系统中。

根据本发明的另一方面，一种将用于磁共振(MR)成像的材料极化的极化器系统包括在其中具有液氦池的容器，有待极化的材料定位在液氦池中。极化器系统还包括：吸气泵，减小容器中的压力，从而使液氦池的一部分蒸发；冷却系统，冷却吸气泵并促进吸气泵中分子吸附；以及热传导链路，选择性地将吸气泵和冷却系统连接，以提供对吸气泵的选择性的冷却。极化器系统在封闭的周期性的热循环中运行，并基于吸气泵至冷却单元的连接而在极化相位和再加热相位之间交替。

根据本发明的又一方面，一种产生用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)光谱系统的超极化材料的方法，包括将材料放置在包含液氦池的容器中的步骤。该方法还包括通过吸气泵来降低液氦池中的温度并在液氦池被充分冷却时将材料极化的步骤。

从以下的详细说明和附图中将清楚本发明的各种其它特征和优势。

附图说明

附图显示了目前为实行本发明而构思的一个实施例。

在图中：

图1是根据本发明的一个实施例的将材料超极化的装置的框图和示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的样品路径和保持容器的布置的横截面图。

图3是根据本发明的另一个实施例的样品路径和保持容器的布置的横截面图。

图4是根据本发明的另一个实施例的样品路径和保持容器的布置的横截面图。

图5是根据本发明的一个实施例的吸气泵的横截面图。

具体实施方式

参看图1，显示了一种将用于核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)的材料超极化的装置。极化器系统10是一种配置成将用于MRI中的成像剂的样品超极化的封闭的循环热系统。例如，样品可以由¹³C₁-丙酮酸盐或另一可被极化的试剂组成。极化器系统10部分地由包围系统的内部构件的真空室12形成。极化器系统10还包括位于真空室12内的隔热壳16。隔热壳16包围极化器系统10的主要构件，并起作用以减少对那些构件的辐射性的热负荷。在一个实施例中，隔热壳16由铝构成，并由诸如多层隔热(MLI)的二十层或更多层的高度隔热的材料进行隔热。

还包括起到作为用于极化器系统的冷却系统的制冷器14，该制冷器可以选自已知且普遍地用在MRI磁铁上的许多制冷器(冷头或低温冷却器)。制冷器14至少部分地定位在真空室12的外部。这种配置容许制冷器14所产生的任何热被排放到周围环境中，而不是真空室12的内部。

在一个实施例中，制冷器14是闭合循环制冷器，其能够提供10K以下的低温环境。为制冷器14提供有单独的真空外壳18。制冷器本身沿垂直方位安装在活动套管20内，以容许制冷器14在套管中的垂直运动。制冷器14的特征还在于可现场维修。也就是说，低温恒温器的设计使得制冷器14可以被断电且移除一定时间，该时间容许维修工程师更换或维修制冷器。极化器系统10免除了这种程序，并配置成在制冷器关闭时继续运行一段时间。

仍然参看图1，有待极化的物质或材料(例如¹³C₁-丙酮酸盐)在后文中被称为样品22，定位在用于超极化的真空室12内。为了容许样品22的超极化，将样品放置于在其中具有低温制冷剂26的容器24中。在一个实施例中，低温制冷剂为液氦池26的形式，样品22至少部分地浸入液氦池26中。如以下将更详细地解释，容器24是可密封的，且可以被抽真空至低压(例如，1mbar或更小的量级的压力)。为了容许样品22的超极化，将液氦池26的温度降低到合适的温度，例如4.2K以下的温度，并优选1.5K以下。然后将样品22放置在由绕着容器24而定位的磁场产生机件28所产生的合适的磁场中，以实现超极化。

样品22通过样品路径30而被引入到极化器系统10中，该样品路径30穿过前室32(即气闸)。前室32的目的在于防止在引入样品22的期间污染样品路径30，并还消除了在样品路径30上破坏真空的需求。在本领域中现有的极化器系统中，样品路径被用氦气加压至大气压；然而，这是现有极化器的主要限制，因为使样品路径压力达到大气压对液氦池构成了显著的热负荷，并且，还瞬间提高了池的温度，即减小了吞吐量。在本发明的一个实施例中，前室32通过闸阀34而与真空室12隔离，并通过密封帽36而与大气隔离。这样，一旦引入样品22，就可将前室32抽真空，并在几个循环中用氦气冲洗，以排除和抽出任何空气(和湿气)。因而，前室32减小了对液氦池26的热负荷。前室32的具体设计将基于样品22的几何形状而变化，并且能够根据本领域的技术人员已知的方法而进行设计

现在参看图2，样品路径30及其暴露于样品22的内表面由常规地用于制药设备的材料制成，并应当遵循这种工业标准。样品路径30的一部分可用液氦进行填充，通过灭菌过滤器来分配该液氦，以便进一步减小该区域中的生物负担。样品路径30的特征还在于具有平衡器38，该平衡器服务于在样品22被引入到氦池26中之前将样品22的热引导至制冷器14的目的。样品22的潜热将对氦池26构成非常大的热负荷，这显著地减少了系统的保持时间。根据样品22的热容量性质，该能量是能够容易预测和/或测量的，并且，要求停留在平衡器38中的时间将取决于样品22中的从样品至平衡器38的热传导率，并取决于离开平衡器38的热传导率。基于以上的参数和容许样品22进入池26的温度，能够做出优化的设计。本领域的技术人员可以按照若干方式设计平衡器38。其主要特征是到达池26的低传导和从样品22至制冷器14的良好的传导。自样品22起的良好的传导可以通过样品22和高传导材料之间的良好的物理接触来获得，但在许多情况下，存在于样品路径30中的氦气将充当充足的交换气体，并有效地将热从样品22传导至平衡器38的壁。

样品路径30还可以装备有在溶解工艺期间向样品提供热的装置或在溶解期间机械地搅动样品的装置。在一个实施例中，一旦将样品22超极化至所期望的状态，则样品由流过样品22的被加热的溶剂溶解，并经由通向所期望的位置/用户的样品路径30而从极化器系统10移除。现在参看图3，在另一个实施例中，用于机械地搅动样品22的装置是超声发射器40，其有力地搅动溶剂且有利于溶解。超声猝发(ultrasonic burst)沿着样品路径30被传送，并通过近距离声波定位探针42而进入样品，以使固体样品破裂，并对周围环境加压，从而迫使溶解的样品和溶剂返回样品路径30。同时，超声将耗散溶液中的热。虽然被加热的溶剂和超声被描述成向样品提供能量的装置，但也可设想实施诸如红外辐射或微波能量的其它用于提供能量的方法/机构。

再次参看图1，样品22最终定位在保持容器44中，该保持容器与容器24的液氦池26进行热接触。样品22通过将其放置在保持容器44的内部而与液氦池26分离。将样品22放置在保持容器44中增加了极化器系统10的寿命并改善系统效率，因为样品装载不可避免地将污染引入到极化器系统10中，这反过来影响极化器系统中的吸气泵46的运行。吸气泵46对污染敏感，并且不能容易地恢复，因而，将样品22放置在保持容器44中有助于防止这些污染物进入到液氦池26中。

现在参看图3，保持容器44通过公用壁47而与液氦池26进行热接触，该公用壁具有减小温度梯度的高的导热性。如果不将保持容器44浸入液氦池26中，那么，也可以通过从保持容器44向下延伸到池26中的铜尾部或翅片49而将其放置成与液氦池26进行热接触。也可以用液氦部分地填充保持容器44。在这种配置中，液氦充当将热从样品22传导至保持容器的壁46并最终传导到容器24的氦池26中的良好的热导体。在一个实施例中，具有非常高的导热性的超流体氦还用于从样品22耗散由微波辐射系统(未显示)引导至此的微波能量。

对于保持容器44中的液氦的需求是可选的，并取决于微波辐射系统的设计、样品性质以及与样品22的热接触。除了用液氦进行填充之外，也可设想用氦气填充保持容器44。在保持容器44中的用于冷却样品22的氦气的使用是值得期望的，因为该体积的氦可能偶尔从例如氦气瓶中蒸发并再凝结。另外，如果在氦的λ点之上运行，那么，通过减少来自氦池的膜流(film flow)，氦气可以导致极化器系统10的低温性能的改善。

为了将微波聚集并限制于样品22以提供样品22的有效极化，保持容器44包含微波限制装置，该微波限制装置包括波导管48和可选的样品杯50。微波限制装置是以传送针对DNP工艺所需要的微波能量(微波磁场)的方式设计的。例如，如果在范围1-20T内选择用于极化的磁场，那么，对于g＝2的顺磁剂，微波场将在3-560GHz的范围内。在图1所示的波导管48的实施例中，微波通过波导管48而被传送到样品中，该波导管绕着样品路径30而向下延伸，并与保持容器44结合以照射样品22。如图3中所示，在另一个实施例中，波导管48和锥形喇叭52与样品杯50一起形成，以照射样品22。波导管48在其中包含真空密闭的密封件54，该密封件可由聚合物、石英或蓝宝石窗构成，并还在样品路径30中的合适位置包含挡板56，以减小沿着样品路径进入保持容器44中的热传递。在图3中，在已经实现样品22的超极化之后，在执行所需要的样品的溶解之前，可从样品路径30中移除波导管48。

仍然参看图3，波导管48在其下端而与样品杯50结合，以将微波引导至样品22中。样品杯50具有将这些微波限制于样品的薄层金属壁57和底表面。样品杯优选由不与样品的丙酮酸反应或在溶解期间不与用于溶解样品的溶剂反应的钛或金、或另一种金属材料组成。也可设想在金属样品杯57的内部包含塑料内壳58，以防止样品和金属之间的接触。塑料内壳58还将支配样品杯50的导热性，因而塑料内壳58的内含物也可取决于保持容器44中的液态氦或气态氦的选择以及样品杯和氦之间的所期望的热传递的量。波导管48和样品杯50的布置被设计成减小损失并将最大量的微波能量传送至样品，因为微波传送系统中的较高的损失将需要更大功率的微波源。也可设想微波传送系统是样品22的一部分，以将微波完全限制于样品22。

在一个实施例中，在保持容器44的整体结构中还包含NMR线圈60。NMR线圈60是可选的，但提供了一种在DNP极化工艺期间和之后通过产生测量样品22的极化水平的RF脉冲来测量核极化的装置。许多用于NMR线圈60的装置在本领域中是已知的，并且在一个优选的实施例中，NMR线圈60定位在微波限制装置的外部。NMR线圈60可以是鞍形线圈、亥姆霍兹线圈、鸟笼型线圈、或任何其它已知的设计。NMR线圈60通过例如同轴电缆62或其它合适的射频电缆而连接到真空室12的外部。虽然可设想将NMR线圈60定位在保持容器44的外部，但在一个实施例中，NMR线圈60定位在保持容器44的内部。保持容器44的壁可以按照减小损失并确保射频穿透的方式裂开。也就是说，保持容器44可以部分地由铜形成，如所期望地裂开，以容许RF信号在此穿透，并包括塑料内壳64，以提供密封的保持容器44。为了还容许RF信号穿透到样品22中，样品杯50的壁的厚度保持在所期望的范围内，使得RF波不会因金属样品杯而严重衰减。

现在参看图4，根据一个实施例，样品路径30配置成可在未将磁铁断电和破坏低温恒温器真空的情况下，在现场移除。这容许在对极化器系统10的运行造成最小干扰时，进行极化器系统10的定期的现场维修。样品路径30出于许多原因而可能需要现场维修，这些原因例如为出于电气或机械的原因的NMR线圈60或波导管48的传输系统(如图1中所示)的失效、因不能由标准操作程序除去的空气的进入而引起的样品路径30的污染、或者在工艺的任何阶段的样品22的失效。可拆卸的样品路径30被安装在不锈钢套管66中，该套管将样品路径真空与其余的低温恒温器真空12隔离，并经由铟垫圈68而密封到保持容器44上，以容许套管66的抽真空。这将容许在没有干扰极化器系统10的其余部分的运行的情况下破坏样品路径真空，以移除样品路径30。样品路径30还包括由标准真空技术密封的通过螺栓接合的室温凸缘(未显示)。也可设想为了可拆卸的样品路径30而实施其它配置。

再次参看图1，显示了磁场产生机件28的一个实施例定位成绕着容器24和液氦池26。磁场产生机件28是超导磁铁，其具有在此穿过的放置容器24的孔。超导磁铁28能够产生足够高以使样品22的超极化发生的磁场强度，该磁场强度例如在1-25T之间或更大，例如为3.5T。为了确保超导磁铁28的有效运行，磁铁被封闭在包含液氦以提供冷却的容器70中。液氦最终由制冷器14冷却，该制冷器通过热通路(thermal buss)72而连接到磁铁28上。磁铁28通过凝结器74而连接到热通路72上，凝结器74是用于被制冷器冷却的超导磁铁的标准配置。凝结器74将任何由于对磁铁28的热负荷而蒸发的氦气再凝结到磁铁容器70中。在制冷器14因维修而断开或发生电源失效的情况下，热通路72将升温。作为响应，凝结器74从磁铁28隔离，从而增加磁铁28不被制冷器14冷却而存在的时间并防止致冷剂的骤冷或损失。也可设想磁铁28可以是干燥的(即，没有液氦)，但在制冷器14关闭的情况下，磁铁将仅保持其超导性质很短的时间(即，直到磁铁升温至其超导温度之上)。

磁铁28可有利地在低气压(sub-atmospheric)下运行，以减小从磁铁至制冷器14的热负荷。如果磁铁28在低气压下运行，那么，可在位于极化器系统10上的任何安全排出口上增加保护性的缓冲氦体积，以防止空气的进入和磁铁或吸气泵的污染。

将磁铁28设计成可提供远离超低温容器24的高磁散射场区域。在许多情况下，在样品22的溶解期间需要这种高散射场区域，例如1-25T或更大，例如3T。也就是说，当溶解的样品从容器24通过样品路径30而被传送到真空室12的容积之外时，可期望散射磁场保持样品22的超极化状态。此外，可以按照通过主动屏蔽或被动屏蔽而轴向包含散射场的方式来设计磁铁28。优选磁场沿着样品路径30而至少高达在溶解工艺的所有步骤中将样品极化的弛豫最小化的程度。根据样品22的性质，可以根据需要调整这种散射磁场的强度和覆盖范围。

还可按照减小或容忍与成像磁铁(未显示)的相互作用的方式设计磁铁28和低温恒温器。在某些环境中，优选将极化器系统10尽可能靠近磁共振(MR)系统(未显示)而定位并在其中包含成像磁铁。在这种布置中，需要谨慎地控制关于这两个磁铁的磁场均匀性和磁力，以减小这两个磁场的干涉并保持MR成像场的均匀性。

仍然参看图1，容器24是可密封的，并可被抽真空至低压。将容器24抽真空至低压通过蒸发一部分液氦并沿着氦饱和曲线移动状态点，从而最终降低了液氦池26的温度。也就是说，液氦的沸点(4.2K)是其蒸汽压的函数。通过减少液氦池26上的压力，从而能够将液氦池26及其中的样品22冷却至约1K，且无任何其它复杂化。这样该低温容许将样品22转化成所期望的大部分极化的状态。

为了实现液氦池26上的压力的减少，吸气泵46通过泵送管道76而流体连接到容器24上。吸气泵46配置成通过吸附从液氦池26蒸发出的气体来降低容器24中的压力。当将泵降低至低温温度时，吸气泵46运行于该吸气模式(即极化/泵送的相位)。也就是说，当吸气泵46被冷却至约10K或以下的温度时，氦气将从液氦池26蒸发，并被吸气泵46吸附而在其中的吸附剂材料上形成单层或双层。

如图5中所示，吸气泵46包括泵外壳78，该泵外壳包含吸附剂材料80。泵外壳78优选圆柱的形式，但也可采用其它合适的结构。吸附剂材料80由在低温下具有高吸附率的材料形成。在一个实施例中，吸附剂材料80由活性炭组成，该活性炭由于大的总表面积而具有高吸附率，该总表面积在每克数十平方米(例如，＞1000m²/g)的范围内。冷却该材料的冷却片82散布在吸附剂材料80内。冷却片82促进了吸附剂材料80的均匀冷却，以改进泵送或吸气的循环/相位的期间的吸附效率。在一个实施例中，冷却片82由铜管组成，从而为吸附剂材料80的快速冷却提供具有良好的导热性的介质。可以按照许多方式并根据外壳78的几何形状来布置冷却结构82，以提供吸附剂材料80的快速冷却。

为了如上所述地冷却吸附剂材料80，冷却片82附连到热控开关84上，该热控开关根据操作员的指令而从制冷器14连接或断开吸气泵46。再次参看图1，制冷器14通过主热通路72(即热传导链路)和热控开关84而连接到吸气泵46上。主热通路72提供了用于制冷器14的链路，以将吸气泵46及其中的吸附剂材料80冷却至容许泵在吸气模式下运行的低温温度。通过热控开关84而有选择地从吸气泵46连接和断开由主热通路72提供的传导链路，从而容许泵在需要时脱离吸气模式。

吸气泵46和所连接的泵送管道76被设计成产生高的泵送容量。为了在合理的时间内，在液氦池26中获得低的基准温度(basetemperature)，需要这种高的泵送容量。在吸附足够量的分子以将液氦池26的温度降低至使样品22超极化的所需要的温度之后，吸气泵46配置成将液氦池26的低温保持超极化能够产生的延长的时间。吸附氦的吸气泵46的精确容量和池26中的液氦的体积可以被设计且优化成提供用于超极化的低温的所保持的时间。

在将样品22极化的所期望的吸气泵送相位完成之后，吸气泵46可以被切换至解吸模式(即再加热/再凝结的相位)，以容许吸附在吸附剂材料80中的氦分子再凝结并传送回容器24以再次填充液氦池26。仍参看图1，在解吸模式中，吸气泵46的温度升高至从吸附剂材料解吸并释放氦分子的温度。为了达到该较高的温度，热控开关84定位成从吸气泵46断开制冷器14和主热通路72。当从制冷器14断开时，吸气泵46的温度通过接通加热器86而升高，并在达到例如30-40K的温度时进入解吸相位，在解吸相位中，氦分子从吸附剂材料80逸出并通过泵送管道76而脱离吸气泵46。理想地，还容许吸气泵46进入再生相位，在该再生相位中，可以由加热器86将吸附剂材料80加热到较高的温度，以驱散室温下未解吸的收集在其中的水蒸气。该再生相位可能耗时两个小时，并且同样地将在不需要使用极化器系统10的期间进行。选择加热曲线和解吸/再生温度，以提供最佳的低温性能。

如上所述，在解吸相位，容许以前蒸发的氦气分子再凝结。这种再凝结通过氦凝结器88来实现，该氦凝结器通过泵送管道76而连接到吸气泵上。在解吸相位期间从吸附剂材料80释放的氦气通过泵送管道76而脱离吸气泵46，并被运送至氦凝结器88。氦凝结器88起作用，将氦气冷却到使氦处于液态所必需的温度。一旦氦被再凝结至液态，则其再次进入容器24并再次填充液氦池26。氦凝结器88由制冷器14通过由公用热通路90形成的与其连接的部分而冷却。如图1中所示，公用热通路90通过主热通路72而连接到制冷器12上。然后将公用热通路90连接到氦凝结器88上，以容许进入凝结器中的氦气再凝结。也可以设想公用热通路90和主热通路72形成为单个热通路。

作为运行于周期性的热循环的封闭系统的极化器系统10的功能，提供了用于将样品22超极化的有效系统。另外，在超极化期间消耗的液氦的量因为吸气泵46和凝结器88的布置而被基本减少到零，因而减少了对极化器系统的维护，因为不需要填充液态致冷剂，并且无机械泵需要维修。

迄今所述的极化器系统10包括吸气泵46(即吸附泵)。虽然在许多低温应用中已经使用了吸附泵，但吸气泵46提供了具有转换成高的泵送容量和长的保持时间的非常高的吸附容量的独特益处。极化器系统10还提供了单个公用制冷器，该制冷器配置成冷却超导磁铁28和吸气泵46。按照对吸气泵46的热循环不敏感的这样的方式设计超导磁铁低温系统(即，制冷器14和包含在磁铁容器70中的液氦)。吸气泵46很好地能够达到低于任何目前可获得的制冷器的温度。虽然上述极化器系统10的实施例实施了吸气泵46，但还可设想具有足够容量和基准温度的制冷器可提供一种具有处于1.5K的范围内的制冷温度的适于超极化的环境，该制冷器例如为已成功地在低温物理学应用中运行的绝热去磁化制冷器(ADR)。

虽然极化器系统10在上文中被描述为独立的系统，但也可设想将该系统与MR成像系统集成。在这种配置中，MR磁铁起作用，以产生散射磁场。利用这种散射场的强度和均匀性的某些局部优化，可产生¹³C₁-丙酮酸盐样品的超极化所需要的足够的DNP极化场。另外，被用来冷却成像磁铁的MR成像系统的氦储存器还可以被用来向包围有待极化的样品的容器提供液氦。一种实施方式是通过带针阀的毛细管而将主氦储存器连接到极化器系统的容器/样品空间，并通过该阀来控制液氦向容器的流入。极化器系统与MR成像系统的集成将导致更紧凑且更廉价的整体设计。

如先前关于独立式极化器系统所讨论的，通常可期望在极化期间将样品温度降低至超过大气压下的氦的沸点(4.2K)，从而实现高的样品核极化。为了达到这些较低的温度，样品空间(包含液氦池)可持续地由吸气泵抽真空，这将导致氦蒸汽压的降低，并从而导致较低的运行温度。从极化系统和MRI成像系统的集成的观点出发，使被抽出样品空间的冷的氦气再循环是有利的，以增加MR成像磁铁的冷却效应，从而提供额外的冷却容量(导致更长的氦保持时间并消除液氮储存器的实施)并对低温保持时间产生有利的影响。

总之，用于超极化的MR成像磁铁的使用将有利于维护，因为仅在一个集成系统上进行液氦重新填充，而不是对两个分离的磁铁进行多次。集成系统还将利用现有的MR扫描器的低温安全特征，并在极化工艺正在进行的同时利用MR扫描器电子仪器来监视来自样品的增加的NMR信号。

因此，根据本发明的一个实施例，一种将物质超极化的用于增强磁共振技术的装置包括冷却室、吸气泵以及制冷系统，冷却室在其中具有用于将物质极化的低温致冷剂，吸气泵连接到冷却室上，以调整冷却室中的压力并产生低温，制冷系统冷却吸气泵并促进吸气泵中的分子吸附。冷却室、吸气泵以及制冷系统被布置在封闭系统中。

根据本发明的另一个实施例，一种将用于磁共振(MR)成像的材料极化的极化器系统包括在其中具有液氦池的容器，其中，有待极化的材料定位在液氦池中。极化器系统还包括吸气泵、冷却系统以及热传导链路，吸气泵减少容器中的压力并从而使液氦池的一部分蒸发，冷却系统冷却吸气泵并促进其中的分子吸附，热传导链路选择性地将吸气泵和冷却系统连接，以向吸气泵提供选择性的冷却。极化器系统在封闭的周期性的热循环中运行，并基于吸气泵至冷却单元的连接而在极化相位和再加热相位之间交替。

根据本发明的又一个实施例，一种产生用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)光谱系统的超极化材料的方法，包括将材料放置在包含液氦池的容器中的步骤。该方法还包括用吸气泵来降低液氦池中的温度并在液氦池被充分冷却时将材料极化的步骤。

依据优选的实施例描述了本发明，并且应该认识到，除了明确陈述过的那些之外，等同物、备选物以及变形也是可能的，并在所附的权利要求的范围内。

Claims

1.一种将物质超极化的用于增强磁共振技术的装置，包括：

冷却室，在其中具有用于将物质极化的低温制冷剂；

连接到所述冷却室上的吸气泵，包括圆柱形的吸附罐，所述吸附罐设置成与所述冷却室分开并且位于所述冷却室的外部且与其处于间隔开的关系，以调整所述冷却室中的压力并产生低温，其中，所述吸气泵与所述冷却室之间利用由制冷系统冷却的、在所述装置中保持所选定的磁场的磁场产生机件而彼此间隔开；

所述制冷系统，其设置成冷却所述吸气泵并促进所述吸气泵中的分子吸附并使从其中汽化的液氦再凝结；

再凝结器，所述再凝结器设置成与所述冷却室分开并且位于所述冷却室的外部且与其处于间隔开的关系；

热控开关，该热控开关配置成从所述吸气泵连接和断开所述制冷系统；

用于加热所述吸气泵并在其中促进分子解吸的加热器，其中，所述加热器布置成邻接所述吸气泵；和

在所述装置中保持所选定的磁场的一个磁场产生机件，其中，所述磁场产生机件由所述制冷系统冷却，并且所述装置不包括任何其它的磁场产生机件，其中，所述一个磁场产生机件还包括：

超导磁铁，具有穿过所述超导磁铁且绕着所述冷却室而定位的孔；

封闭所述超导磁铁的磁铁容器，所述磁铁容器在其中包含液氦以冷却所述超导磁铁；和

凝结器，所述凝结器将任何由于对所述超导磁铁的热负荷而蒸发的氦气再凝结到所述磁铁容器中，

其中，所述超导磁铁配置成产生绕着所述冷却室并用于所述物质超极化的主磁场区域以及偏离所述主磁场区域的次磁场区域，所述次磁场区域沿轴向从所述超导磁铁延伸出；和

主热通路，该主热通路将所述制冷系统连接到所述再凝结器、所述凝结器和所述热控开关，并且

其中，所述超导磁铁还配置成当从所述制冷系统断开时以无液氦的骤冷或损失的方式运行，并且在磁共振(MR)成像场的附近以不损害该磁共振成像场的均匀性的方式运行，

其中，所述冷却室、所述吸气泵、所述制冷系统和所述加热器被布置在封闭系统中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述主热通路连接到所述热控开关上时，所述吸气泵运行于吸气模式，当所述主热通路从所述热控开关断开时，所述吸气泵运行于解吸模式。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述吸气泵配置成当运行于吸气模式时，减小所述冷却室中的压力，并使所述冷却室中的一部分低温制冷剂蒸发。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，当所述吸气泵运行于解吸模式时，所述再凝结器使所述被蒸发的低温制冷剂再凝结。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括泵送管道，该泵送管道将所述被蒸发的低温制冷剂从所述吸气泵传送到所述再凝结器。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括公用热通路，该公用热通路将所述吸气泵、所述热控开关以及所述再凝结器连接，以冷却所述吸气泵和所述再凝结器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸气泵还包括：

泵外壳；

吸附剂材料，容纳在所述泵外壳中；以及

冷却片，散布在所述吸附剂材料中，并连接到所述热控开关上，其中，当所述吸气泵处于吸气模式时，所述冷却片冷却所述吸附剂材料。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括封闭所述装置的真空室。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括前室，该前室附连到所述真空室上，以在将有待极化的物质加载到所述冷却室中时，保持所述真空室中的真空。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低温制冷剂是液氦。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有待极化的物质是¹³C₁-丙酮酸盐。

12.一种将用于磁共振(MR)成像的材料极化的极化器系统，包括：

容器，在其中具有液氦池，有待极化的材料定位在所述液氦池中；

连接到所述容器上的吸气泵，其减小所述容器中的压力，从而使所述液氦池的一部分蒸发，其中所述吸气泵包括圆柱形的吸附罐，所述吸附罐设置成与所述容器分开并且位于所述容器的外部且与其处于间隔开的关系，其中，所述吸气泵与所述容器之间利用由冷却系统冷却的、在所述极化器系统中保持所选定的磁场的磁场产生机件而彼此间隔开；

所述冷却系统设置成冷却所述吸气泵并促进所述吸气泵中的分子吸附；

再凝结器，所述再凝结器设置成与所述容器分开并且位于所述容器的外部且与其处于间隔开的关系，其中所述再凝结器被包括在所述磁场产生机件中，并且所述磁场产生机件被所述冷却系统冷却；

热传导链路，选择性地将所述吸气泵和所述冷却系统连接，以向所述吸气泵提供选择性的冷却，

在所述极化器系统中保持所选定的磁场以用于极化所述装置中的材料的一个磁场产生机件，其中，所述磁场产生机件由所述冷却系统冷却，并且所述极化器系统不包括任何其它的磁场产生机件，

其中，所述极化器系统在封闭的周期性的热循环中运行，并基于所述吸气泵至所述冷却系统的连接而在极化相位和再加热相位之间交替。

13.根据权利要求12所述的极化器系统，其特征在于，还包括热控开关，该热控开关用于从所述吸气泵连接和断开所述热传导链路。

14.根据权利要求13所述的极化器系统，其特征在于，所述热控开关在所述极化相位的期间将所述热传导链路连接到所述吸气泵上，并在所述再加热相位的期间从所述吸气泵断开所述热传导链路。

15.根据权利要求12所述的极化器系统，其特征在于，还包括氦凝结器，该氦凝结器在所述极化器系统处于所述再加热相位时，使所述被蒸发的氦再凝结。

16.根据权利要求12所述的极化器系统，其特征在于，所述冷却系统配置成为产生低温温度的闭合循环制冷器。

17.一种产生用于磁共振成像(MRI)系统或核磁共振(NMR)光谱系统的超极化材料的方法，包括：

将材料放置在包含液氦池的容器中；

通过连接到所述容器上的吸气泵和冷却系统来降低所述液氦池中的温度，其中，所述吸气泵包括圆柱形的吸附罐，所述吸附罐设置成与所述容器分开并且位于所述容器的外部且与其处于间隔开的关系，并且所述冷却系统包括凝结器单元，所述凝结器单元设置成与所述容器分开并且位于所述容器的外部且与其处于间隔开的关系，其中，所述吸气泵与所述容器之间利用由制冷系统冷却的、在所述磁共振成像(MRI)系统或核磁共振(NMR)光谱系统中保持所选定的磁场的磁场产生机件而彼此间隔开；

通过用加热器加热所述吸气泵来再次填充所述液氦池，其中所述加热器布置成邻接所述吸气泵；

将一个磁场产生机件定位成相邻于所述容器以产生磁场，其中，所述一个磁场产生机件配置成产生高均匀性的磁场和从所述高均匀性的磁场偏离的散射磁场，其中，所述磁共振成像(MRI)系统或核磁共振(NMR)光谱系统不包括任何其它的磁场产生机件，

在通过所述吸气泵将所述液氦池充分冷却时，将所述材料极化。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，降低所述液氦池中的温度还包括：

通过所述吸气泵来降低所述容器中的压力；以及

在所述降低的压力下使所述液氦池的一部分蒸发。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括通过所述凝结器单元使所述被蒸发的氦再凝结，以便用液氦再次填充所述容器。