DE102009043893A1 - Vorrichtung und Verfahren für eine vollständig automatisierte Herstellung eines hyperpolarisierenden Abbildungsmittels - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren für eine vollständig automatisierte Herstellung eines hyperpolarisierenden Abbildungsmittels Download PDF

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Abstract

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 Vorrichtung 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.

Description

  • 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
    • - US 6466814 [0023]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum automatisierten Hyperpolarisieren von Proben zum Gebrauch als ein Abbildungsmittel, umfassend: einen Probenbehälter (10); eine Luftschleusen-Kammer (11), konfiguriert zur Aufnahme einer Probe aus dem Probenbehälter (10); eine kryogene Kammer (12); einen Führungskanal (13) zum Transportieren einer Probe von der Luftschleusen-Kammer (11) zur kryogenen Kammer (12); eine Einführungs- und Rückziehvorrichtung (15) zum Transport einer Probe durch den Führungskanal (13) in die und aus der kryogenen Kammer (12); ein Heizvorrichtungs- und Druckmodul (14), das mit dem Probenbehälter (10) gekoppelt ist; ein Auflösungsmodul (16), das mit dem Probenbehälter (10) gekoppelt ist, 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 Vorrichtung zu regulieren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Einführungs- und Rückziehmechanismus (15) umfasst: einen Antriebsmechanismus; ein Betätigungsglied (51), das an den Antriebsmechanismus gekoppelt ist, und ein oder mehrere Wandler zum Messen der Position der Proben-Liefervorrichtung.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Antriebsmechanismus umfasst: mindestens zwei Reibungsräder, wobei ein erstes Reibungsrad (31) mit dem Antriebsmechanismus gekoppelt und ein zweites Reibungsrad (32) mit dem ersten Reibungsrad ausgerichtet ist, und einen einstellbaren Zugmechanismus (34) zum Anwenden von Kraft zwischen den mindestens zwei Reibungsrädern und der Proben-Liefervorrichtung.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der eine oder die mehreren Wandler mindestens einen von einem Verschiebungswandler zum Messen der Verschiebung des Auflösungsströmungsmittel-Pfades mit Bezug auf einen fixierten Bezugspunkt, einem Rotationswandler zum Messen der Rotationsposition des ersten Reibungsrades, einem Rotationswandler zum Messen der Rotationsposition des zweiten Reibungsrades, einem optischen Vergleichssensor und irgendwelche Kombinationen davon umfasst.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend: einen passiv angetriebenen Satz von Reibungsrädern; einen einstellbaren Zugmechanismus zum Anwenden von Kraft zwischen den passiv angetriebenen Reibungsrädern und der Proben-Liefervorrichtung, und einen Rotationswandler, der mit dem passiv angetriebenen Satz von Reibungsrädern gekoppelt ist, wobei der Rotationswandler die Rotationsposition des passiv angetriebenen Satzes von Reibungsrädern misst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Auflösungsmodul umfasst: eine Betätigungsvorrichtung (51); ein oder mehrere Kontrollventile, die eine Auflösungslösung innerhalb des Probenbehälters von den innerhalb der kryogenen Kammer angeordneten Proben trennen, und wobei die Betätigungsvorrichtung das Öffnen und Schließen der Kontrollventile reguliert.
  7. Automatisiertes Verfahren zum Hyperpolarisieren einer Probe zum Einsatz als ein Abbildungsmittel, umfassend: Laden der in einer Proben-Liefervorrichtung enthaltenen Probe in einen Probenbehälter (10); Transportieren der in der Proben-Liefervorrichtung enthaltenen Probe in eine Luftschleusen-Kammer (11); Evakuieren der Luftschleusen-Kammer (11); Einführen der Proben-Liefervorrichtung von der Luftschleusen-Kammer (11) durch einen Führungskanal (13) in einer kryo gene Kammer (12), während die Antriebskraft der Proben-Liefervorrichtung durch den Führungskanal (13) automatisch kontrolliert wird; Polarisieren der Probe; Erhitzen und unter Druck setzen einer Auflösungslösung; Hinzufügen der Auflösungslösung zu der Probe; Zurückziehen der Auflösungslösung und der Probe aus der kryogenen Kammer (12) in eine Aufnahmegefäß, und Zurückziehen der Proben-Liefervorrichtung aus der kryogenen Kammer (12).
  8. Maschinenlesbares Medium, umfassend Instruktionen, die, wenn sie durch einen Kontroller ausgeführt werden, eine Hyperpolarisations-Vorrichtung veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 7 auszuführen.
  9. Maschinenlesbares Medium nach Anspruch 8, weiter umfassend Instruktionen zum Berechnen der Menge der Antriebskraft, die zum Antreiben der Proben-Liefervorrichtung benutzt wird.
  10. Maschinenlesbares Medium nach Anspruch 9, worin die Instruktionen den Kontroller verursachen, eine Filtergleichung auszuführen, um die Menge der Antriebskraft unter Benutzung mindestens einer Messung von Position oder Geschwindigkeit der Proben-Liefervorrichtung zu berechnen.
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