-
HINTERGRUND
-
Ausführungsformen
der Erfindung sind auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für
ein vollständig automatisiertes, nichtinvasives System
zum Herstellen hyperpolarisierender Abbildungsmittel zum Gebrauch
bei der Magnetresonanztomographie (MRI) gerichtet. Spezifischer
beziehen sich Ausführungsformen der Erfindung auf eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum nichtinvasiven Polarisieren, Filtrieren und
Ausführen von Qualitätskontrolltests der hyperpolarisierenden
Abbildungsmittel vor der Einführung in eine abgebildete
Person.
-
MRI
ist eine diagnostische Technik, die für Ärzte
besonders attraktiv geworden ist, da sie nichtinvasiv ist und den
untersuchten Patienten nicht potenziell schädlichen Expositionen
aussetzt, wie Röntgenstrahlen. Analytische NMR-Spektroskopie
hoher Auflösung wird bei der Bestimmung der molekularen Struktur
routinemäßig benutzt.
-
MRI
und NMR-Spektroskopie haben aufgrund der normalerweise sehr geringen
Polarisation der Kernspins der typischerweise eingesetzten Kontrastmittel
einen gewissen Mangel an Empfindlichkeit. Es existiert eine Anzahl
von Techniken, die Polarisation von Kernspins zu verbessern. Diese
Techniken sind als Hyperpolarisationstechniken bekannt und führen
zu einer Zunahme der Empfindlichkeit. Bei Hyperpolarisationstechniken
wird eine Probe eines Abbildungsmittels, z. B. 13C-Pyruvat oder
ein anderes Mittel, in die abgebildete Person eingeführt oder
injiziert.
-
In
einigen Fällen unterliegt das Abbildungsmittel dieser Hyperpolarisation
in einer Vorrichtung in großer Nähe zu ihrem Endeinsatz.
Dies ist der normalerweise kurzen Lebensdauer (longitudinale Relaxationszeit
T1) der Polarisation zuzuschreiben, die die Spins veranlasst, wieder
in die thermische Gleichgewichtspolarisation zurückzukehren.
Eine Technik zum Adressieren der normalerweise kurzen Lebensdauer
ist die Anwendung dynamischer nuklearer Polarisation, um die Spins
im Festzustand zu polarisieren. Vorrichtungen, die eingesetzt werden,
die hyperpolarisierten Proben herzustellen, sind mit einem Raum
geringer Temperatur versehen, der sich in einem Magnetfeld befindet.
Wie typischerweise konstruiert, ist die Vorrichtung mit einem Strömungskryostat
ausgerüstet, der eine isolierte Vakuumkammer einschließt,
die in die Bohrung eins Magneten eingeführt ist. Der Kryostat
wird mittels eines Stromes eines kalten Kryogens gekühlt,
das durch eine externe Kryogen-Zuführung durch eine Übertragungsleitung und
eine Pumpvorrichtung bereitgestellt wird, und die Strömung
des Kryogens in den Strömungskryostaten kühlt
die Bohrung des Magneten und bildet den Raum geringer Temperatur.
-
Das
Abbildungsmittel wird in den Kryostaten überführt,
wo Hyperpolarisation durch Wechselwirkung mit einem paramagnetischen
Elektronenmittel (EPA) innerhalb eines Magnetfeldes stattfindet.
Das nun kryogen gefrorene Material wird nachfolgend in einem Auflösungsmaterial
aufgelöst, das durch ein Strömungsmittelpfad-Liefersystem
geliefert wird. Ein zweites Strömungsmittelpfad-System
wird benutzt, um das gelöste Material aus dem Polarisator
zu ersetzten.
-
Nach
der Entfernung aus dem Polarisator wird das nun gelöste
hyperpolarisierte Abbildungsmittel filtriert, um das EPA und andere
Zusätze zu entfernen. Ein Empfängergefäß wird
benutzt, um das pharmakologische Produkt zu sammeln und das Qualitätskontroll(QC)-Testen
des Materials zu gestatten, bevor es für einen Patienten
freigegeben wird.
-
Das
auf diese Weise erzeugte hyperpolarisierte Abbildungsmittel ist
empfindlich auf Handhabungs- und Umgebungs-Bedingungen, was durch seine
kurze Lebensdauer verschlimmert wird. Diese können die
Sicherheit und Wirksamkeit des Abbildungsmittels beeinflussen. Andere
Schwierigkeiten bei der Produktion sind mit der Notwendigkeit verbunden,
mehrere Variablen innerhalb einer kurzen Zeitperiode einem QC-Test
zu unterwerfen, während Sterilität und Wirksamkeit
aufrechterhalten werden.
-
Darüber
hinaus sind gegenwärtige Hyperpolarisationssysteme uneffizient
und teuer zu betreiben. So erfordert z. B. die Hyperpolarisation
einen hohen Verbrauch an Kryogen und ist energie- und arbeitsintensiv,
da die Bedienungsperson häufig flüssige Kryogene
handhaben und Proben in den Polarisator einführen muss.
Es ist somit erwünscht, dass ein verbessertes Hyperpolarisationssystem
entworfen wird, um in einer Weise zu arbeiten, die die Unterbrechung zur
Umgebung minimiert, einen kontinuierlicheren Betrieb gestattet,
ohne dass die Bedienungsperson flüssige Kryogene handhaben
muss und den Durchsatz der hyperpolarisierten Abbildungsmittel-Proben erhöht.
-
Es
ist daher eine vollständig automatisierte, nichtinvasive
Vorrichtung und ein solches Verfahren erforderlich, das an die Herstellung
eines oder mehrerer hyperpolarisierter Abbildungsmittel zur Lieferung
an den Endgebrauch eingerichtet ist, während Sterilität,
Sicherheit und Wirksamkeit des Abbildungsmittels bewahrt bleiben.
-
KURZE BESCHREIBUNG
-
Die
vorliegende Erfindung überwindet die vorerwähnten
Nachteile durch Schaffung einer vollständig automatisierten
Vorrichtung und eines solchen Verfahrens zum Herstellen hyperpolarisierter Proben
zum Gebrauch in Magnetresonanzsystemen.
-
In
einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur automatisierten
Hyperpolarisation von Proben zum Einsatz als ein Abbildungsmittel bereit,
umfassend einen Probenbehälter, eine Luftschleusen- bzw.
Vakuumschleusen-Kammer, die zur Aufnahme einer Probe aus dem Probenbehälter
konfiguriert ist, eine kryogene Kammer, einen Führungskanal,
um Proben von der Luftschleusen-Kammer zur kryogenen Kammer zu transportieren,
ein Heizvorrichtungs- und Druck-Modul, das mit dem Probenbehälter
gekoppelt ist, eine Einführungs- und Zurückziehungs-Vorrichtung,
um Proben durch den Führungskanal zu und von der kryogenen
Kammer zu transportieren, ein Auflösungsmodul, das mit
dem Probenbehälter gekoppelt ist, und einen Regler, um die
Hyperpolarisation der Proben durch Kontrollieren eines oder mehrerer
von Position, Sequenz, Temperatur, Druck und Auflösung
der Proben innerhalb der Vorrichtung zu regulieren.
-
In
einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren für
ein automatisiertes Verfahren zum Hyperpolarisieren einer Probe
zum Gebrauch als ein Abbildungsmittel, umfassend Einfüllen
der in einer Proben-Liefervorrichtung enthaltenen Probe in einen
Probenbehälter, Transportieren der in der Proben-Liefervorrichtung
enthaltenen Probe zu einer Luft schleusen-Kammer, Evakuieren der
Luftschleusen-Kammer, Einführen der Proben-Liefervorrichtung
aus der Luftschleusen-Kammer durch einen Führungskanal
in eine kryogene Kammer, während automatisch die Einführungskraft
der Proben-Liefervorrichtung durch den Führungskanal kontrolliert wird,
Polarisieren der Probe, Erhitzen und unter Druck setzen einer Auflösungslösung,
Hinzufügen der Auflösungslösung zu der
Probe und Zurückziehen der Auflösungslösung
und der Probe aus der kryogenen Kammer in ein Aufnahmegefäß.
-
In
einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein maschinenlesbares
Medium bereit, umfassend Instruktion, die, wenn sie durch einen
Regler ausgeführt wird, eine Hyperpolarisations-Vorrichtung
veranlasst, die Stufen der Hyperpolarisation einer Probe auszuführen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Die
Zeichnung veranschaulicht eine Ausführungsform, die derzeit
zur Ausführung der Erfindung vorgesehen ist.
-
1 ist
ein Blockdiagramm und eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zum Hyperpolarisieren von Materialien gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist
eine repräsentative Proben-Liefervorrichtung.
-
3 ist
ein repräsentativer Reibungsrad-Mechanismus.
-
4 zeigt
die Probenfläschchen-Positionsmessungen unter Einsatz des
Einziehdraht-Wandlers, der an der fixierten Trägerplatte
angebracht ist, wobei (A) ohne eingesetzten Gaussfilter ist und
die Positionsrückmeldung vom Motorwandler kommt und (B)
einen Gaussfilter zwischen dem Motorwandler und dem Einziehdraht-Wandler
benutzt.
-
5 ist
ein repräsentativer Probenbehälter.
-
6 ist
ein Blockdiagramm repräsentativer automatisierter Verfahrensstufen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DEFINITIONEN
-
Die
folgende detaillierte Beschreibung ist beispielhaft und soll die
Erfindung der Anmeldung und die Anwendungen der Erfindung nicht
beschränken. Darüber hinaus gibt es keine Absicht,
durch irgendeine Theorie beschränkt zu werden, die im vorhergehenden
Hintergrund der Erfindung oder der folgenden detaillierten Beschreibung
der Zeichnung präsentiert ist.
-
Die
Begriffe „angepasst an”, „gekoppelt” und Ähnliche,
wie sie hierin benutzt werden, beziehen sich auf mechanische, strukturelle,
elektrische oder optische Verbindungen zwischen Elementen, um zu gestatten,
dass die Elemente zur Schaffung eines beschriebenen Effektes miteinander
kooperieren.
-
Der
Begriff „polarisieren”, wie er hierin benutzt
wird, bezieht sich auf die Modifikation der physikalischen Eigenschaften
eines Materials zum weiteren Gebrauch in MRI. Der Begriff „hyperpolarisiert”, wie
er hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine Polarisation bei einem
Niveau, über das hinaus, das bei Raumtemperatur und 1 Tesla
gefunden wird, das weiter in
US
6,466,814 beschrieben ist.
-
Der
Begriff „dynamische Filtration”, wie er hierin
benutzt wird, bezieht sich auf die Fähigkeit einer Filtrationsvorrichtung,
ein oder mehrere Komponenten einer Mischung, die eine mit der Zeit
variierende Löslichkeit in einem Medium der Mischung aufweisen,
die das pharmazeutische Produkt trägt, zu entfernen oder
zu filtrieren. Wie im Folgenden detailliert beschrieben wird, kann
die Löslichkeit der Komponenten, z. B., mit sich änderndem
Druck, sich ändernder Temperatur, sich änderndem
Volumen, sich änderndem pH des Mediums variieren.
-
Der
Begriff „paramagnetisches Elektronenmittel” (EPA),
wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf Mittel, die die dynamische
nukleare Polarisation durch Übertragen von Spin von stark
polarisierten Elektronen auf Kernspins gestattet. Ein üblicherweise
benutztes EPA ist Tris(8-carboxyl-2,2,6,6-tetra(2-(1-methoxy-2,2-d2-ethyl))-benzo[1,2-d:4,5-d']bis(dithiol-4-yl)methylnatriumsalz.
-
Der
Begriff Polarisation im flüssigen Zustand (LSP), wie er
hierin benutzt wird, bezieht sich auf den Polarisationszustand,
der aus der Auflösung eines festen polarisierten Materials
resultiert. Häufig wird eine Übertragungsfunktion
benutzt, um die Auflösungs-Effizienz (DE) zu bestimmen,
wobei:
DE = Polarisation % im flüssigen Zustand/Polarisation
% im festen Zustand
-
Hierin
werden Verfahren und Vorrichtung zur wässerigen Auflösung
und dynamischen Filtration hyperpolarisierter Abbildungsmittel bereitgestellt.
Repräsentative Verfahren und Vorrichtungen zum Auflösen
und zur dynamischen Filtration sind in der US-Patentanmeldung Nr.
11/692,642 und der US-Patentanmeldung Nr. 11/766,881 beschrieben,
an denen Miteigentümerschaft besteht und die durch Bezugnahme
hier aufgenommen werden.
-
Offenbart
hierin ist ein Automations- und Regelsystem, das eingesetzt wird,
bei minimalem Nutzereingriff die Stufen zu automatisieren, die beim
Beladen (zur Hyperpolarisation), Kompoundieren und Entladen einer
Probe eines Abbildungsmittels von Umgebungsbedingungen durch ein
Polarisatorsystem und in einen Empfänger vorkommen.
-
In 1 ist
ein automatisiertes System gezeigt, das einen Probenbehälter 10,
eine Luftschleusen- bzw. Vakuumschleusen-Kammer 11, eine
kryogene Kammer 12, einen Führungskanal 13 zum Transportieren
von Proben aus der Luftschleusen-Kammer 11 in die kryogene
Kammer 12, ein Heizvorrichtungs- und Druckmodul 14,
das mit dem Probenbehälter 10 gekoppelt ist, eine
Einführungs- und Rückzieh-Vorrichtung 15,
um Proben durch den Führungskanal 13 zu und von
der kryogenen Kammer 12 zu transportieren, ein Auflösungsmodul 16, das
mit dem Probenbehälter 10 gekoppelt ist, und einen
Regler bzw. Kontroller 17, um die Hyperpolarisation von
Proben zu regulieren.
-
PROBENBEHÄLTER
-
Ein
Probenbehälter 10 ist zum Laden eines zu polarisierenden
Abbildungsmittels in die Vorrichtung vorgesehen. In einer Ausführungsform
kann der Probenbehälter 10 zur Aufnahme einer
Proben-Liefervorrichtung entworfen sein, die zum Halten eines Abbildungsmittels
und eines Auflösungsmediums konfiguriert ist und es der
Proben-Liefervorrichtung gestattet, zur Einführung in die
Luftschleusen-Kammer 11 positioniert zu werden. In einer
anderen Ausführungsform kann der Probenbehälter 10 zur
Aufnahme einer Vielzahl von Proben-Liefervorrichtungen konfiguriert
sein.
-
Die
Größe und Gestalt des Probenbehälters 10 kann
variieren, um an die Proben-Liefervorrichtung angepasst zu sein.
In einer Ausführungsform kann ein rechteckiges Design benutzt
werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Probenbehälter 10 zylindrisch
sein.
-
In
einer Ausführungsform kann der Probenbehälter 10 in
einer stationären Position gehalten werden. In einer anderen
Ausführungsform kann der Probenbehälter 10 eine
bewegbare Komponente und mit der Proben-Liefervorrichtung gekoppelt
sein.
-
LUFTSCHLEUSEN-KAMMER
-
Eine
Luftschleusen-Kammer 11 kann zum Einführen einer
Proben-Liefervorrichtung von Umgebungsdruck und -temperatur in eine
kryogene Kammer 12 bereitgestellt werden, während
Bedingungen geringer Temperatur und geringen Druckes innerhalb der
kryogenen Kammer 12 aufrechterhalten werden. In einer Ausführungsform
kann die Luftschleusen-Kammer 11 entworfen sein, eine Proben-Liefervorrichtung
zu enthalten, die konfiguriert sein kann, ein Abbildungsmittel zu
halten. Die Luftschleusen-Kammer 11 umfasst eine dynamische
Dichtung auf dem Proben-Ladeende und ein Absperrventil auf dem Führungskanalende.
In einer Ausführungsform gestattet die dynamische Dichtung
das Spülen der Luftschleusen-Kammer 11 und Vakuumoperationen durch
eine Öffnung richtiger Größe hindurch.
In einer Ausführungsform kann das Spülen unter
Einsatz eines inerten Gases, wie Helium, bewerkstelligt werden.
Der Zeitpunkt und die Dauer der Spüloperation kann durch
den Kontroller 17 überwacht und reguliert werden.
Drucksensoren überwachen den Druck des Spülgases und
den Vakuumdruck innerhalb der Luftschleuse. Das Überwachen
liefert ein Verfahren zum Sicherstellen, dass ein richtiges Vakuum
erzielt und beibehalten wird, bevor das Absperrventil geöffnet und
die Probe in den Führungskanal 13 eingeführt wird.
-
In
einer in 2 gezeigten Ausführungsform kann
ein ultrahohes Vakuum (z. B. etwa 10–7 Torr)
in der kryogenen Kammer 12 aufrechterhalten werden, während
die Proben-Liefervorrichtung von Umgebungsbedingungen eingeführt
wird. Die Proben-Liefervorrichtung umfasst ein Probenfläschchen,
um die Probe zu enthalten, und ein Auflösungsströmungsmittel-Pfadsystem,
das ein Netzwerk von Rohren engen Durchmessers umfasst. Wie in 2 gezeigt, kontrolliert
in einer Ausführungsform ein doppelt wirkendes pneumatisches
Verschlussventil 21 die Grenzfläche zwischen der
Luftschleusen-Kammer 11 und dem Führungskanal 13.
Während der Probenbeladung befindet sich das Verschlussventil 21 typischerweise
in einer geschlossenen Konfiguration und dichtet zwischen der Luftschleusen-Kammer 11 und
dem Führungskanal 13 ab. In einer Ausführungsform
wird das Probenfläschchen 22 in die Luftschleusen-Kammer 11 eingeführt
und eine dynamische Abdichtung 23, die ein mit Gewinde
versehenes Gleitdesign aufweist, wird in die geschnittene obere Öffnung der
Luftschleusen-Kammer 11 geschraubt.
-
Weiter
bezugnehmend auf die in 2 gezeigte Ausführungsform,
hat die Luftschleusen-Kammer 11 zwei andere Ventile, ein
Heliumventil 24 und ein Vakuumventil 25. Diese
Ventile werden zwischen einem Heliumtank 27 geringen Druckes
und einer mechanischen Vakuumpumpe 28 benutzt. In einer Ausführungsform
sind die Teile durch ein Matrizenverschluss-Verbindungsteil 26 mit
den Ventilen 24 und 25 gekoppelt. Nachdem sich
die dynamische Abdichtung 23 und das Probenfläschchen 22 an
Ort und Stelle befinden, öffnet der Kontroller 17 das
Heli umventil 24 für eine kurze Zeitdauer zum Füllen
der Luftschleusen-Kammer 11 mit Helium. Das Kontrollsystem öffnet
dann das Vakuumventil 25, das die Luftschleusen-Kammer 11 einer
kontinuierlich aktiven mechanischen Vakuumpumpe 28 aussetzt.
-
Die
Pumpe evakuiert das Helium aus der Luftschleusen-Kammer 11 unter
Erzeugung eines Vakuums. Dieses Vakuum kann dann unter Benutzung
eines Drucksensors (des „Vakuumsensors” überwacht
werden. In einer Ausführungsform kann die Luftschleusen-Kammer 11 mehreren
Spülzyklen ausgesetzt werden, die die Luftschleusen-Kammer 11 mit
Helium füllen und evakuieren, bis der Vakuumsensor einen
Druck von weniger als 10–3 Torr
oder eine ähnliche Druckschwelle verzeichnet. Das Vakuumventil 25 wird
nochmals geöffnet und der Druck in der Kammer wird überwacht.
Bleibt der Druck unterhalb der Schwelle, dann öffnet der
Kontroller 17 das Verschlussventil 21. Das Probenfläschchen 22 kann dann
unter Einsatz einer Einführungs- und Rückzieh-Vorrichtung 15 automatisch
in den Führungskanal 13 getrieben werden, die
verursacht, dass das Probenfläschchen entlang der dynamischen
Dichtung 23 gleitet, ohne dass Umgebungsluft in die Kammer
eintreten kann, sodass das Vakuum im Führungskanal 13 aufrechterhalten
wird, während die Probe eingeführt wird.
-
FÜHRUNGSKANAL
-
Der
Führungskanal 13 kann mit der Luftschleusen-Kammer 11 gekoppelt
sein und er gestattet das Führen von einem oder mehreren
Probenfläschchen in die und aus der kryogenen Kammer 12. In
einer Ausführungsform bestimmen die Gesamtabmessungen des
Führungskanals 13 Abstufungspositionen des Probenfläschchens
durch den Führungskanal 13, die es dem Probenfläschchen
gestatten, an verschiedenen Stellen entlang des Führungskanals 13 ein
Gleichgewicht zu erreichen. In einer Ausführungsform kann
der Führungskanal 13 derart konfiguriert sein,
dass er das Einführen von mehr als einem Probenfläschchen
in die kryogene Kammer 12 oder das Herausziehen daraus
nacheinander oder parallel gestattet.
-
EINFÜHRUNGS- UND
RÜCKZIER-VORRICHTUNG
-
Die
Einführungs- und Rückzieh-Vorrichtung 15 kann
ein Rohr-Zufuhrsystem mit genauer Positions- und Geschwindigkeits-Rückmeldung
zum Kontroller 17 sein. In einer Ausführungsform
umfasst die Einführungs- und Rückzieh-Vorrichtung 15 einen
mechanischen Reibungsrad-Antriebsmechanismus mit maschinell genau
eingearbeiteten Rillen, einen einstellbaren Klemmmechanismus zum
Anwenden der erforderlichen normalen Kraft zwischen zwei Reibungsrädern
und dem Auflösungsströmungsmittel-Pfad der Proben-Liefervorrichtung,
einen Ausgleichsmechanismus, der das Schwerkraftgewicht der Proben-Liefervorrichtung
ausgleicht und eine leicht nach oben wirkende Auftriebskraft liefert,
mindestens zwei Wandler, die die Realzeitposition der Reibungsräder
und des Strömungsmittel-Pfades messen, und einen Kontroller 17,
der die von den beiden Wandlern empfangene Information benutzt,
um eine „gleitfreie” Bewegung zu den erwünschten
Stellen zu erzeugen. In alternativen Ausführungsformen können
redundante Positionsmessungen unter Benutzung separater passiver
Reibungsradsätze mit Rotationswandlern, optischen Vergleichssensoren oder
spezifischen Kontrollalgorithmen erhalten werden, die es gestatten,
dass sich die Probe ohne Schlupf entlang einer gewünschten
Bahn bewegt.
-
In
einer Ausführungsform, wie in 3 gezeigt,
umfasst eine Einführungs- und Rückzieh-Vorrichtung 15 einen
Reibungsrad-Mechanismus und Klammer 30. In einer Ausführungsform
kann der Auflösungsströmungsmittel-Pfad der Proben-Liefervorrichtung
in dem Reibungsrad-Mechanismus angeordnet, das Probenfläschchen
in die Luftschleusen-Kammer 11 geladen und die dynamische
Dichtung positioniert sein. Der Auflösungsströmungsmittel-Pfad
bleibt in der Rille des Antriebsrades 31 des in 3 gezeigten
Reibungsrad-Mechanismus. Die Rille kann maschinell derart hergestellt
sein, dass sie eine halbkreisförmige Gestalt mit einem
etwas geringeren Durchmesser als dem äußeren Durchmesser des
Auflösungsströmungsmittel-Pfades aufweist. Das
Leerlaufrad 32, das eine ähnliche „spiegelbildliche” Rille
aufweist, kann, z. B., unter Einsatz eines Schnappklemm-Mechanismus
an Ort und Stelle befördert werden. In einer Ausführungsform
kann auch eine Rohrführung 33 benutzt werden,
um die Proben-Liefervorrichtung zu positionieren. Die durch die Räder
auf den Auflösungsströmungsmittel-Pfad ausgeübte
Normalkraft kann unter Benutzung eines einstellbaren Zugmechanismus 34,
wie einer einstellbaren Schraube auf der Klemme, eingestellt werden. Diese
Einstellung kann ausgeführt werden, um genügend
Antriebskraft zwischen den Rädern und dem Auflösungsströmungsmittel-Pfad
bereitzustellen, ohne den Auflösungsströmungsmittel-Pfad
zu verformen.
-
In
einer Ausführungsform können Betätigungs-
und Antriebsmechanismen zum Einführen und Herausziehen
des Auflösungsströmungsmittel-Pfades in den und
aus dem Führungskanal 13 unter Anwendung elektrischer
oder Gleichstrommotoren, wie Stufenmotoren, linearer Motoren und
Servomotoren, betätigt werden. In einer Ausführungsform kann
ein Servomotor 35 benutzt werden, um das „Antriebs”rad
des Mechanismus anzutreiben. Die Antriebskraft oder die Kraft, die
vom Servomotor erforderlich ist (und folglich die Größe
des Servomotors) kann durch den ausgleichenden Mechanismus auf der
Grundlage des Gegengewichtes relativ klein gehalten werden, was
die Gravitationslast des Auflösungsströmungsmittel-Pfades,
der durch den Mechanismus angetrieben wird, minimiert. Der Servomotor hat
einen integrierten Rotationswandler, der die Rotation des Ser vomotors
und indirekt des Antriebsrades misst, während sich der
Motor dreht. Bei Abwesenheit irgendeines Schlupfs zwischen den Reibungsrädern
und dem Auflösungsströmungsmittel-Pfad kann das
Wandlersignal auch die Position des Probenfläschchens und
des Auflösungsströmungsmittel-Pfades anzeigen.
Aufgrund der Beschränkungen hinsichtlich der Kraft, die
zwischen den Reibungsrad und dem Auflösungsströmungsmittel-Pfad
angewendet werden kann, und aufgrund der hohen Reibungswiderstandskraft,
die durch die dynamische Dichtung auf das äußere
Rohr des Auflösungsströmungsmittel-Pfades angewandt
wird, kann es einen Schlupf zwischen dem Rohr und den Rädern
geben. Dies kann Messungen der Position des Probenfläschchens
und des Auflösungsströmungsmittel-Pfades verursachen,
die ungenau sind. In einer Ausführungsform kann ein zweiter
Verschiebungswandler benutzt und zwischen einer fixierten Trägerplatte
des Probenbehälters 10 oder einem anderen stationären
Merkmal und dem Auflösungsströmungsmittel-Pfad
angebracht sein. Der Verschiebungswandler kann ein Linearwandler
sein, wie ein Einziehdraht-Verschiebungswandler. Der Verschiebungswandler
misst die Verschiebung des Auflösungsströmungsmittel-Pfades
und indirekt des Probenfläschchens mit Bezug auf den fixierten
Bezugsrahmen, der an der fixierten Trägerplatte angebracht ist.
-
Die
durch den Servomotor ausgeübte, mit der Zeit variierende
Kraft kontrolliert die Bewegung des Auslösungsströmungsmittel-Pfades
durch den Führungskanal 13. In einer Ausführungsform
kann diese Kraft errechnet und in Realzeit bei einer 1 kHz-Rate
durch einen Servokontroller ausgeübt werden, der einen
PID-Kontrollalgorithmus betreibt, der als seine Eingabe die erwünschten
Stelle und Geschwindigkeit des Probenfläschchens bei einer
gegebenen Zeit nimmt. Der Algorithmus benutzt Positions- und Geschwindigkeits-Rückkopplung,
um einen geschlossenen Regelkreislauf zu erzielen. Die Geschwindigkeits-Rückkopplung
kann erhalten werden durch elektronisches Ableiten der Positions-Rückkopplung
des Motorwandlers hoher Auflösung. In einer Ausführungsform
kann die Positions-Rückführung zum Servokontroller
durch Benutzung eines Gaus'schen IIR-Filters zwischen den beiden
Wandlern erfolgen, der zum Einziehdraht-Verschiebungswandler hin
gewichtsbelastet ist und zur Ablesung dieses Wandlers im stationären
Zustand konvergiert. Die Gaus'sche gefilterte Positions-Rückführung
kann benutzt werden, um die Position des Probenfläschchens
zu bestimmen, und sie verfolgt die erwünschte Position
bei irgendeiner gegebenen Zeit und liefert so eine genaue Fläschchen-Positionierung.
Der Kontrollalgorithmus bleibt zu irgendeiner gegebenen Zeit stabil
und verhindert so Durchgehstadien des Servomotors. 4 zeigt
das Festlegen des Probenfläschchens zwischen zwei erwünschten
Sollwertpositionen, wobei die Position des Fläschchens
unter Benutzung des Einziehdraht-Wandlers gemessen wird, der an
der fixierten Trägerplatte befestigt ist. In (A) wird kein
Gaus'scher Filter angewendet und die Positions-Rückkopplung
erfolgt vom Motorwandler. In (B) wird der Gaus'sche Filter zwischen
dem Motorwandler und dem Einziehdraht-Wandler benutzt. In (A) hat das
Fläschchen Schlupf und erreicht die erwünschten
Positionen nicht, während in (B) das Fläschchen genauer
die erwünschten Positionen erreicht.
-
HEIZVORRICHTUNGS- UND DRUCKMODUL
-
Das
Heizvorrichtungs- und Druckmodul 14 kann so entworfen sein,
dass es Temperatur und Druck der Auflösungslösung
während Operationen kontrolliert, und es kann an den Probenbehälter 10 gekoppelt
sein. In einer Ausführungsform enthält der Probenbehälter 10 einen
Heizblock, der so positioniert ist, dass er die Temperatur der Auflösungslösung
reguliert. Die Abmessungen des Heizblockes werden durch das Volumen
und die Gestalt des Auflösungsmoduls kontrolliert, das
so konfiguriert ist, dass es die Auflösungslösung
enthält. In ei ner Ausführungsform umfasst das
Heizvorrichtungs- und Druckmodul 14 einen oder mehrere
Temperatur- und Drucksensoren, die die Temperatur und den Druck des
Probenbehälters 10 überwachen. Der Kontroller 17 kontrolliert
die Heizblock-Temperatur während des Betriebes.
-
AUFLÖSUNGSMODUL
-
Das
Auflösungsmodul 16 kann so entworfen sein, dass
es eine Auflösungslösung rasch mit dem in dem
Probenfläschchen enthaltenen Abbildungsmittel vermischt
und die Strömung einer Auflösungslösung von
einer Proben-Liefervorrichtung während der Operationen
kontrolliert. In einer Ausführungsform kann das Auflösungsmodul
in den Probenbehälter 10 integriert sein. Die
Proben-Liefervorrichtung umfasst ein Probenfläschchen,
einen Auflösungsströmungsmittel-Pfad, einen Lieferströmungsmittel-Pfad
und ein Aufnahmegefäß.
-
In
einer Ausführungsform umfasst der Auflösungsströmungsmittel-Pfad
ein äußeres Rohr, wobei das äußere
Rohr ein Ausgangsende in Strömungsmittel-Verbindung mit
dem Fläschchen und ein Eingabeende aufweist, das an einem
Druckgefäß zur Aufnahme der Auflösungslösung
befestigt ist. Der Lieferströmungsmittel-Pfad umfasst ein
inneres Rohr, das innerhalb des äußeren Rohres
des Auflösungsströmungsmittel-Pfades angeordnet
ist und ein erstes Ende hermetisch an dem Fläschchen angebracht
aufweist, um von dort die Probe und Auflösungslösung
zu transportieren. Das Aufnahmegefäß ist mit einem
zweiten Ende des Lieferströmungsmittel-Pfades verbunden,
um die Probe und die Auflösungslösung aufzunehmen.
Ein Auflösungströmungsmittel-Pfadventil kann zwischen
dem Druckgefäß und dem Auflösungsströmungsmittel-Pfad
angeordnet sein, um die Strömung der Auflösungslösung zu
kontrollieren und ein Lieferströmungsmittel-Pfadventil
kann angeordnet sein, um die Strömung der Probe und der
Auflösungslösung vom Lieferströmungsmittel-Pfad
zum Aufnahmegefäß zu kontrollieren.
-
In
einer Ausführungsform kann die Auflösungslösung
unter Druck gesetzt und bei einem festgelegten Druck gehalten werden.
Der Druck kann über einen Ventilregulator eingestellt und
auf der Grundlage der Vorrichtung bestimmt sein, wie 250 psi Helium.
In einer Ausführungsform umfasst das Auflösungsmodul
weiter eine Betätigungsvorrichtung, um das Auflösungsströmungsmittel-Pfadventil
an- und auszuschalten, das eine erhitzte Auflösungslösung von
einer gefrorenen Abbildungsmittellösung im Probenfläschchen
trennt. Die Betätigungsmechanismen hängen von
der Auswahl der Kontrollventile ab.
-
In
einer Ausführungsform kann das Auflösungsmodul
und das Heizvorrichtungs- und Druckmodul 14 in den Probenbehälter 10 integriert
sein, um die automatisierte Probenbeladung und -entladung des Abbildungsmittels
zu gestatten. In einer Ausführungsform kann der Probenbehälter 10 stationär
sein und die Proben-Liefervorrichtung wird durch eine fixierte Öffnung
eingeführt. In einer anderen Ausführungsform kann
der Probenbehälter 10 ein schwenkbares Zweiteile-Design,
einen fixierten Teil und einen beweglichen Teil aufweisen, wobei
jeder Teil eine halbkreisförmige Rille aufweist, die an
die Gestalt und den Durchmesser eines Druckgefäßes der
Proben-Liefervorrichtung angepasst ist. Wie in 5 gezeigt,
kann der Probenbehälter 10 in einer Ausführungsform
eine Hülle aus korrosionsbeständigem Stahl mit
einer schwenkbaren Tür zur Aufnahme eines Heizblockes,
von Betätigungseinrichtungen 51 für Einlass-
und Auslassventile, Magnet-Ventile 52 für die
Betätigungsglieder und ein Magnet-Ventil 53 zum
Aufrechterhalten des Druckes im Auflösungsmodul umfassen.
-
In
einer Ausführungsform kann das Druckgefäß eine
Spritze sein, die in der Form einer motorbetriebenen oder pneumatischen
Spritze vorliegt, die Kraft erzeugt, um die Auflösungslösung
in das Glasfläschchen zu injizieren. Eine Bedienungsperson
ist in der Lage, die Spritze in einer Rille auf der fixierten Hälfte
des Probenbehälters 10 zu positionieren und die
sich bewegende Hälfte zu schließen. Die Spritze kann
auch durch einen Anschlag geringeren Durchmessers am Boden des Heizblockes
gehalten werden. Weitere Abstützung für den Auflösungsströmungsmittel-Pfad
kann man durch zwei halbkreisförmige Rillen bereitstellen,
die an die Abmessungen des Auflösungsströmungsmittel-Pfades
angepasst sind. Ein Abschnitt des Auflösungsströmungsmittel-Pfades
kann in den kreisförmigen Rillen angeordnet sein. Der Probenbehälter 10 kann
durch ein oder mehrere Befestigungsmittel, wie Daumenschrauben, in
einer geschlossenen Position gehalten werden. Das Auflösungsmodul,
das in den Probenbehälter 10 integriert ist, kann
weiter ein oder mehrere Betätigungsglieder für
Einlass- und Auslass-Ventile, Magnet-Ventile für die Betätigungsglieder
und ein oder mehrere Magnet-Ventile zum Aufrechterhalten des Druckes
im Auflösungsströmungsmittel-Pfad, in dem die
Betätigungsglieder durch Schließen des Probenbehälters 10 engagiert
sind, umfassen.
-
KONTROLLER
-
Ein
Kontrollsystem 17 wird bereitgestellt, das elektronische
Hardware, ein maschinenlesbares Medium und ein Benutzer-Interface
umfasst, um die Hyperpolarisierung von Proben zu automatisieren.
In einer Ausführungsform kann ein einzelnes integriertes Interface
bereitgestellt sein, durch das ein Benutzer in der Lage ist, eine
oder mehrere Stufen beim Beladen der Probe, die in einer Proben-Liefervorrichtung enthalten
ist, in eine Luftschleusen-Kammer 11 auszuführen,
einschließlich: Evakuieren der Luftschleusen-Kammer 11,
Einführen der Proben-Liefervorrichtung durch einen Führungskanal 13 aus
einer Umgebungsposition in eine kryogene Kammer 12, während automatisch
die Einführungskraft der Proben-Liefervorrichtung durch
den Führungskanal 13 kontrolliert wird, Polarisieren
der Probe, Erhitzen und unter Druck setzen einer Auflösungslösung,
Hinzugeben der Auflösungslösung zu der Probe und
Zurückziehen der Auflösungslösung und
der Probe aus der kryogenen Kammer 12 in ein Aufnahmegefäß.
-
In
einer Ausführungsform werden Automationskanäle
mit Verriegelungen und Prozess-Prüfungen kontrolliert,
um einen Benutzer bei der Anwendung des Kontrollsystems zu unterstützen.
In einer Ausführungsform kann ein maschinenlesbares Medium
bereitgestellt werden, das Instruktionen umfasst, die, wenn sie
durch den Kontroller 17 ausgeführt werden, die
Hyperpolarisations-Vorrichtung veranlasst, das Verfahren des Beladens,
Herstellens, Auflösens und Entladens einer Probe auszuführen.
Repräsentative Stufen sind in 6 veranschaulicht.
-
Bereitgestellt
werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum automatisierten Hyperpolarisieren von
Proben zum Gebrauch als ein Abbildungsmittel, umfassend einen Probenbehälter 10,
eine Luftschleusen-Kammer 11, die zur Aufnahme einer Probe
aus dem Probenbehälter 10 konfiguriert ist, eine kryogene
Kammer 12, einen Führungskanal 13 zum Transport
von Proben von der Luftschleusen-Kammer 11 zu der kryogenen
Kammer 12, ein Heizvorrichtungs- und Druckmodul 14,
das mit dem Probenbehälter 10 gekoppelt ist, eine
Einführungs- und Rückzieh-Vorrichtung 15,
um Proben durch den Führungskanal 13 zu der und
aus der kryogenen Kammer 12 zu transportieren, ein mit
dem Probenbehälter 10 gekoppeltes Auflösungsmodul 16 und
einen Kontroller 17, um die Hyperpolarisation der Proben
durch Kontrollieren eines oder mehrerer von Position, Reihenfolge,
Temperatur, Druck und Auflösung der Proben innerhalb der
Vorrich tung zu regulieren. Es wird auch ein maschinenlesbares Medium
bereitgestellt, umfassend Instruktionen, die, wenn sie durch einen Kontroller 17 ausgeführt
werden, eine Hyperpolarisations-Vorrichtung veranlassen, die Stufen
der Hyperpolarisation einer Probe auszuführen.
-
- 10
- Probenbehälter
- 11
- Luftschleusen-Kammer
- 12
- kryogene
Kammer
- 13
- Führungskanal
- 14
- Heizvorrichtungs-
und Druckmodul
- 15
- Einführungs-
und Rückzieh-Vorrichtung
- 16
- Auflösungsmodul
- 17
- Kontroller
- 21
- Verschlussventil
- 22
- Probenfläschchen
- 23
- dynamische
Dichtung
- 24
- Heliumventil
- 25
- Vakuumventil
- 26
- Matritzenverschluss-Verbindungsteil
- 27
- Heliumtank
- 28
- Vakuumpumpe
- 31
- Antriebsrad
- 32
- Leerlaufrad
- 33
- Rohrführung
- 34
- einstellbarer
Zugmechanismus
- 35
- Servomotor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-