DE60029958T2

DE60029958T2 - Bestimmung des polarisationsgrades von angereicherten hyperpolarisierten gasen während ihrer produktion

Info

Publication number: DE60029958T2
Application number: DE60029958T
Authority: DE
Inventors: Center for In Vivo Microscopy Bastiaan Durham DRIEHUYS
Original assignee: Medi Physics Inc
Current assignee: Medi Physics Inc
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: EP1188064B1; WO2001001164A3; US6295834B1; EP1188064B8; DK1188064T3; AU6053500A; US6430960B1; CA2388827A1; JP2003503710A; US6484532B2; US20020066287A1; ATE336010T1; WO2001001164A2; PT1188064E; DE60029958D1; EP1188064A2; ES2269163T3; CN1371480A; US20020029586A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Auffangen und die Sammlung von polarisierten Edelgasen, und bezieht sich insbesondere auf die Bestimmung des Niveaus der Polarisation von hyperpolarisierten Gasen, die in NMR- und Magnetresonanzbildgebungs-(„MRI")-Anwendungen verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Es wurde kürzlich entdeckt, dass polarisierte inerte Edelgase verbesserte MRI-Bilder bestimmter Bereiche und Regionen des Körpers erzeugen können, die zuvor weniger als zufriedenstellende Bilder in dieser Modalität erzeugten. Polarisiertes Helium-3 („³He") und Xenon-129 („¹²⁹Xe") wurden als besonders geeignet für diesen Zweck gefunden. Unglücklicherweise ist, wie weiter unten diskutiert werden wird, der polarisierte Zustand der Gase empfindlich gegenüber Handhabung und Umweltbedingungen und kann unerwünschterweise vom polarisierten Zustand relativ schnell zerfallen. Weiter ist es wegen der Empfindlichkeit des polarisierten Gases erwünscht, das Polarisationsniveau des Gases zu verschiedenen Zeiten während der Lebensdauer des Produktes zu überwachen. Zum Beispiel kann ein Überwachen im Prozess die Polarisation, die während des optischen Pumpprozesses erreicht wird (unten beschrieben), oder die Polarisation anzeigen, die in bestimmten Phasen des Lebenszyklusprozesses verloren geht (um so die verbleibende nutzbare Lebensdauer des polarisierten Gases zu bestimmen oder das Identifizieren kritischer Herstellungsweg-Probleme zu unterstützen).
Hyperpolarisatoren werden verwendet, um polarisierte Edelgase herzustellen und zu sammeln. Hyperpolarisatoren verstärken künstlich die Polarisation bestimmter Edelgaskerne (wie ¹²⁹Xe oder ³He) über die natürlichen oder Gleichgewichtsniveaus, d.h. der Boltzmann-Polarisation. Ein derartiger Anstieg ist erwünscht, weil er die MRI-Signalintensität verstärkt und erhöht, was Ärzten ermöglicht, bessere Bilder der Substanz im Körper zu erhalten. Siehe US-Patent Nr. 5,545,396 für Albert et al.
Um das hyperpolarisierte Gas herzustellen, wird das Edelgas typischerweise mit optisch gepumpten Alkalimetalldämpfen, wie Rubidium („Rb"), vermischt. Diese optisch gepumpten Metalldämpfe kollidieren mit den Kernen des Edelgases und hyperpolarisieren das Edelgas durch ein Phänomen, das als „Spinaustausch" bekannt ist. Das „optische Pumpen" des Alkalimetalldampfes wird erzeugt durch Bestrahlen des Alkalimetalldampfes mit zirkular polarisiertem Licht bei der Wellenlänge der ersten Hauptresonanz für das Alkalimetall (z.B. 795 nm für Rb). Allgemein ausgedrückt werden die Grundzustandatome angeregt und zerfallen dann nachfolgend zurück zum Grundzustand. Unter einem moderaten Magnetfeld (10^–3 T (10 Gauss)) kann der Kreislauf von Atomen zwischen den Grund- und angeregten Zuständen nahezu 100% Polarisation der Atome in ein paar Mikrosekunden ergeben. Diese Polarisation wird allgemein getragen durch die Ionenvalenzelektronen-Charakteristika des Alkalimetalls. Bei Vorhandensein von Nicht-Null-Kernspin-Edelgasen können die Alkalimetalldampfatome mit den Edelgasatomen in einer Weise kollidieren, in der die Polarisation der Valenzelektronen auf die Edelgaskerne durch einen wechselseitigen Spin-Flip „Spinaustausch" übertragen wird.
In jedem Fall wird, nachdem der Spinaustausch abgeschlossen worden ist, das hyperpolarisierte Gas von dem Alkalimetall vor der Einführung in einen Patienten getrennt (um ein nicht-toxisches pharmazeutisch annehmbares Produkt zu bilden). Unglücklicherweise kann sowohl während als auch nach der Sammlung das hyperpolarisierte Gas sich relativ schnell verschlechtern oder zerfallen (seinen hyperpolarisierten Zustand verlieren) und muss deshalb vorsichtig gehandhabt, gesammelt, transportiert und gespeichert werden. So ist die Handhabung der hyperpolarisierten Gase kritisch, wegen der Empfindlichkeit des hyperpolarisierten Zustands gegenüber Umwelt- und Handhabungsfaktoren und dem Potential für unerwünschten Zerfall des Gases von seinem hyperpolarisierten Zustand.
Einige Sammlungssysteme setzen Tieftemperatursammler ein, um das Puffergas vom polarisierten Gas zu trennen und das gesammelte polarisierte Gas einzufrieren. Driehuys et.
Herkömmlicherweise wurde das Niveau der Polarisation am Punkt des Polarisationstransferprozesses (d.h. an dem Polarisator oder der optischen Zelle) in einer Hyperpolarisatorvorrichtung überwacht oder gemessen an einer Stelle entfernt vom Hyperpolarisator, nachdem das polarisierte Gas vom Hyperpolarisator abgegeben ist (siehe z.B. US-A-5642625, die einen Hyperpolarisator gemäß der Präambel des Anspruchs 1 offenbart). Zum Beispiel wird für das letztere das polarisierte Gas zu einem Ausgangs- oder Abgabeanschluss am Hyperpolarisator und in zwei getrennte abdichtbare Behälter, einen Gaslieferbehälter, wie einen Beutel und einen kleinen (ungefähr 5 Kubikzentimeter) abdichtbaren Glaskolben-Probenbehälter geleitet. Dieser Glaskolben-Probenbehälter wird dann an der Hyperpolarisatorstelle abgedichtet und dann vom Hyperpolarisator zu einer entfernt angeordneten Hochfeld-NMR-Spektroskopieeinheit (4,7 T) weggetragen, um das Niveau der Polarisation zu bestimmen, das während des Polarisationsprozesses erreicht wurde. Siehe J. P. Mugler, B. Driehuys, J. R. Brookeman et al., MR Imaging and Spectroscopy Using Hyperpolarized 129Xe Gas; Preliminary Human Results, Mag. Reson. Med. 37, 809–815 (1997).
Allgemein ausgedrückt und wie oben angemerkt, können herkömmliche Hyperpolarisatoren auch das Polarisationsniveau überwachen, das am Polarisationstransferprozesspunkt erreicht wird, d.h. an der optischen Zelle oder optischen Pumpkammer. Um dies auszuführen, wird typischerweise eine kleine „Oberflächen"-NMR-Spule benachbart zur optischen Pumpkammer positioniert, um das Gas darin anzuregen und zu detektieren und so das Niveau der Polarisation des Gases während des Polarisationstransferprozesses zu überwachen. Die kleine Oberflächen-NMR-Spule wird ein kleineres Volumen des benachbarten polarisierten Gases prüfen und so eine längere transversale Relaxationszeit (T₂*) im Vergleich zu größeren NMR-Spulen-Konfigurationen besitzen. Ein relativ großer Spitzwinkelpuls kann verwendet werden, um die lokale Polarisation des Spins zu prüfen. Der Puls des großen Winkels wird allgemein die lokale Polarisation zerstören, aber weil das geprüfte Volumen klein ist im Vergleich zur Gesamtgröße des Behälters, wird er nicht wesentlich die Gesamtpolarisation des Gases beeinflussen.
Typischerweise ist die Oberflächen-NMR-Spule betreibbar verbunden mit einer Niedrig-Feld-NMR-Detektionsausrüstung, die zum Betreiben der NMR-Spule und zum Analysieren der detektierten Signale verwendet wird. Beispiele einer Niedrig-Feld-NMR-Detektionsausrüstung, die zum Überwachen der Polarisation an der optischen Zelle und zum Aufnehmen und Analysieren der NMR-Signale, die damit verbunden sind, verwendet wird, umfassen Niedrig-Feld-Spektrometer unter Verwenden von Frequenzsynthetisierern, Lock-In-Verstärkern, Audio-Leistungsverstärkern und dergleichen, wie auch Computer.
In jedem Fall ist nun bekannt, dass eine integrierte Hyperpolarisatorüberwachungsausrüstung nicht länger eine Hoch-Feld-NMR-Ausrüstung erfordert, sondern stattdessen Niedrig-Feld-Detektionstechniken verwenden kann, um die Polarisationsüberwachung für die optische Zelle bei viel niedrigeren Feldstärken (z.B. 10^–4–10^–2 T (1–100 G)) als herkömmliche Hoch-Feld-NMR-Techniken auszuführen. Diese niedrigere Feldstärke ermöglicht dementsprechend niedrigere Detektionsausrüstungs-Betriebsfrequenzen, wie 1–400 kHz.
Für Anwendungen, bei denen die gesamte Probe des hyperpolarisierten Gases innerhalb der NMR-Spule angeordnet werden kann, ist eine adiabatische schnelle Durchlauf(„AFP")-Technik verwendet worden, um die Polarisation des Gases in dieser Art von Situation zu überwachen. Unglücklicherweise ist in den meisten Herstellungs-orientierten Situationen diese Technik nicht erwünscht. Zum Beispiel wird, um die Polarisation in einem Ein-Liter-Patienten-Dosisbeutel zu messen, eine relativ große NMR-Spule und ein räumlich großes Magnetfeld notwendig.
Kürzlich haben Saam et al. eine Niedrig-Frequenz-NMR-Schaltung ausdrücklich für die integrierte Detektion von Polarisationsniveaus für hyperpolarisiertes ³He an der optischen Zelle innerhalb des Temperatur-regulierten Ofens, der die Zelle einschließt, vorgeschlagen. Siehe Saam et al., Low Frequency NMR Polarimeter for Hyperpolarized Gases, Jnl. of Magnetic Resonance 134, 67–71 (1998). Magnetic Imaging Technologies, Inc. ("MITI") und andere haben eine Niedrig-Feld-NMR-Vorrichtung für eine integrierte Polarisationsmessung verwendet.
Jedoch bleibt es eine Notwendigkeit fähig zu sein, effizient und zuverlässig das Niveau der Polarisation von polarisierten Gasen in verschiedenen Punkten im Herstellungszyklus zu bestimmen und/oder zu überwachen. Dies ist besonders wichtig für die Durchfluss-Herstellungs-Modalität, die für bei Tieftemperatur gesammeltes ¹²⁹Xe verwendet wird, das, wie oben angemerkt wurde, gefroren und aufgetaut wird während des Herstellungszyklus.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um das Hyperpolarisationsniveau einer Menge von hyperpolarisiertem Gas bei verschiedenen Punkten im Herstellungszyklus effizient zu überwachen.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hyperpolarisator mit einem Mittel zum Überwachen des Polarisationsniveaus von bei Tieftemperatur gesammeltem hyperpolarisierten Gas bereitzustellen, sowohl bevor das Gas gefroren ist, als auch nachdem das Gas aufgetaut ist.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Polarisationsniveaus von fließendem hyperpolarisierten Gas bereitzustellen, das in einer im wesentlichen kontinuierlichen Durchfluss-Herstellungsumgebung verwendet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die/das die Komplexität und die Anzahl von Komponenten, die zum Überwachen des Niveaus der Polarisation in dem polarisierten Gas sowohl während des optischen Pumpprozesses als auch nachfolgend zum optischen Pumpprozess nötig sind verringert.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, um das Polarisationsniveau von gefrorenem polarisiertem Gas zu überwachen.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Vorhersagbarkeit eines Herstellungsprozesses für ein bei Tieftemperatur hyperpolarisiertes Gas verbessern kann.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die zuverlässig ausreichende Gehalte von polarisiertem Gas während des Auftauens nach der Sammlung ergeben kann.
Diese und andere Aufgaben werden erfüllt durch die vorliegende Erfindung durch einen Hyperpolarisator nach Anspruch 1.
Insbesondere ist ein erster Aspekt der Erfindung gerichtet auf einen Hyperpolarisator zum Herstellen von polarisierten Edelgasen. Der Hyperpolarisator umfasst eine optische Pumpzelle mit einem Einlassanschluss für nicht-polarisiertes Gas und einem Auslassanschluss für polarisiertes Gas und eine Magnetfeldquelle, die betreibbar mit der optischen Pumpzelle verbunden ist. Die Magnetfeldquelle ist konfiguriert, um einen Bereich von Homogenität bereitzustellen. Der Hyperpolarisator umfasst auch eine NMR-Spule mit einem ersten und einem zweiten entgegengesetzten Ende. Das erste Ende ist benachbart zur optischen Pumpzelle innerhalb des Bereiches von Homogenität positioniert. Der Hyperpolarisator umfasst auch einen Tieftemperatursammler in Fluid-Verbindung mit dem Auslassanschluss der optischen Pumpzelle und einen Auslass zum Abgeben des polarisierten Gases in Fluid-Verbindung mit dem Tieftemperatursammler. Ein Ausgangsfließweg des polarisierten Gases erstreckt sich zwischen dem Tieftemperatursammler und dem Auslass zum Abgeben des polarisierten Gases und ein Sekundärreservoir ist positioniert benachbart zum zweiten Ende der NMR-Spule in Fluid-Verbindung mit dem Ausgangsfließweg des polarisierten Gases. Während des Betriebs des Hyperpolarisators ist die NMR-Spule konfiguriert, um etwas einer Menge von polarisiertem Gas, das in der optischen Zelle vorhanden ist, und eine Menge von polarisiertem Gas, das in dem Sekundärreservoir vorhanden sind, anzuregen. Bevorzugt überwacht die NMR-Spule vorwiegend die Polarisation in der optischen Zelle während des Betriebs der Zelle, aber während der Zeit nach dem Auftauen ist die Polarisation in der optischen Zelle weg und das einzige messbare Signal wird von dem polarisierten Gas in dem Kolben nach dem Auftauen stammen.
In einer bevorzugten Ausführungsform definiert die Magnetfeldquelle einen Bereich von Homogenität, der einen Abschnitt der optischen Pumpzelle und ein (räumliches) Volumen umfasst, das sich eine Entfernung unter der optischen Pumpzelle erstreckt. Die NMR-Spule wird auf einem unteren Abschnitt der optischen Pumpzelle positioniert und die NMR-Spule und mindestens ein Abschnitt des Sekundärreservoirs sind innerhalb des Bereichs der Homogenität positioniert.
Ein bevorzugtes Verfahren des Betreibens einer NMR-Spule, die benachbart zum Auslassanschluss der optischen Zelle positioniert ist, umfasst Durchlaufenlassen des hyperpolarisierten Gases durch die optische Zelle und aus dem Anschluss in einer erwünschten Geschwindigkeit. Der Fluss des hyperpolarisierten Gases wird bevorzugt zeitlich gestoppt oder verlangsamt und ein NMR-Signal wird über die Spule auf dem Auslassanschluss (oder -arm) aufgenommen, und der Fluss wird dann wieder aufgenommen. Diese Konfiguration und dieses Verfahren kann ein Signal erzeugen, das für das fließende hyperpolarisierte Gas repräsentativ ist, wenn es aus der optischen Zelle austritt.
Ein noch anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Überwachen des Polarisationsniveaus von polarisiertem Gas während der Herstellung, wie definiert in Anspruch 9.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die optische Pumpkammer einen primären Gehäuseabschnitt und einen Auslassanschluss für polarisiertes Gas, definiert durch einen sich longitudinal erstreckenden Schenkel, und die NMR-Anregungsspule ist positioniert um den Schenkel benachbart zum primären Gehäuseabschnitt der Kammer des optischen Pumpens. Es ist auch bevorzugt, dass das Verfahren weiter umfasst Sammeln des polarisierten Gases bei Tieftemperatur in einem Tieftemperatursammler, währenddessen ein Teil des polarisierten Gases gefroren wird, und dann nachfolgend Auftauen des gefrorenen polarisierten Gases vor dem Abgabeschritt und nach dem Auftauschritt. Es ist auch bevorzugt, dass während oder nach dem Auftauschritt ein geringerer Teil der Menge des aufgetauten polarisierten Gases von einem Hauptteil des hyperpolarisierten Gases in den Gasfließweg in der Nähe der NMR-Spule weggeleitet wird.
Vorteilhafterweise kann die vorliegende Erfindung die Polarisation während der Herstellung und sogar am Abgabeanschluss überwachen, wobei günstige MRI-Patienten-zugeschnittene Mengen (wie 0,5–2 Liter von polarisiertem Gas) aus dem Hyperpolarisator geleitet werden. So ist das Polarisationsniveau beim Versenden und vor der Lagerung leicht identifizierbar, bevor der Behälter von der Hyperpolarisatoreinheit für den einfachen Transport an eine entfernte Stelle ablösbar freigegeben wird. Die verbesserte integrierte, in den Prozess einbezogene Polarisationsüberwachung kann die Herstellung verbessern und günstig das Niveau der Polarisation des Gases an mehreren Schlüsselpunkten einschließlich dem Abgabeanschluss anzeigen. Weiter kann die NMR-Spule einer dualen Symmetrie es ermöglichen, dass eine einzelne NMR-Spule die Polarisation sowohl bei der optischen Pumpzelle während des optischen Pumpprozesses als auch an einem zweiten Punkt im Herstellungszyklus, wie an einer Position nach dem Auftauen misst. Weiter konfiguriert die vorliegende Erfindung nun einen Kühlfinger zum Freisetzen von bei Tieftemperatur gesammeltem hyperpolarisierten Xenon abhängig von einem vorhersagbareren Indikator, dem Druck. Weil das Freisetzen des aufgetauten Gases bei einem vorbestimmten Druck weniger abhängig ist von Prozessvariationen, wie Fließgeschwindigkeiten und gesammelte Mengen von Gas, kann ein vorhersagbarerer Prozess erhalten werden, wodurch eine zuverlässiger steuerbare Herstellungsfähigkeit bereitgestellt wird.
Die vorstehenden und anderen Aufgaben und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Detail hier erklärt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Hyperpolarisatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine Seitenansicht einer NMR-Spule einer dualen Symmetrie.
2B ist eine Seitenansicht der NMR-Spule der 2A und veranschaulicht schematisch den elektrischen Draht, der um den NMR-Spulenkörper gebunden ist und darauf angeordnet ist.
2C ist eine Draufsicht auf 2A.
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Sekundärreservoirs.
3A ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Sekundärreservoirs.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines teilweisen Leitungs-Layouts für einen Hyperpolarisator mit einer NMR-Spule und einem Sekundärreservoir gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein schematisches Diagramm für eine Arbeitsbeziehung einer elektrischen Überwachungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Hyperpolarisators mit mehrfachen, in den Prozess einbezogenen Polarisationsüberwachungspunkten gemäß der vorliegenden Erfindung.
7A ist eine Vorderansicht einer optischen Zelle und einer NMR-Spule, die veranschaulicht, dass die NMR-Spule entlang dem Ausgangsgasfießweg der optischen Zelle positioniert ist.
7B ist eine Explosionsansicht der optischen Zelle und NMR-Spule der 7A, und stellt ein Herstellungsverfahren zum Positionieren einer NMR-Überwachungsspule entlang des Ausgangsfließweges des Hyperpolarisators der 6 dar.
8 ist eine schematische Darstellung einer noch anderen Ausführungsform eines Hyperpolarisators mit einer Mehrfach-Punkt-Überwachung gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung einer zusätzlichen Ausführungsform eines Hyperpolarisators gemäß der vorliegenden Erfindung und stellt eine bei Tieftemperatur positionierte NMR-Anregungsspule dar.
9A ist eine vergrößerte schematische Darstellung der NMR-Spule, die als eine Solenoid-Spule wie in 9 gezeigt konfiguriert ist.
10 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer bei Tieftemperatur positionierten NMR-Oberflächenspule und von extern positionierten Permanentmagneten (d.h. Permanentmagneten, die auf der Außenseite zum Kühlmittelbad positioniert ist).
11 ist eine schematische Darstellung einer Vorderansicht eines statischen magnetischen Haltefeldes, das an einen Elektromagneten oder eine Solenoid-Spule am Kühlfinger angelegt ist.
12 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung für einen Hyperpolarisator mit mehrfachen NMR-Spulen gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Diagramm, das Detektionsverfahren des Standes der Technik darstellt, und zeigt einen Vergleich eines Direkt-Detektions-FID mit einem typischen Mixed-down-two-channel-FID.
14 ist eine schematische Darstellung einer NMR-Polarisationsniveau-Detektionsschaltung des Standes der Technik, die modifiziert ist, um ein Schaltungsschaltmittel hinzuzufügen, um zusätzliche Punkte im Produktionszyklus zu überwachen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun vollständiger beschrieben im Folgendem mit Bezug auf die beigefügten Figuren, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch ausgeführt werden in vielen verschiedenen Formen und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen begrenzt verstanden werden. Gleiche Nummern beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente. In den Zeichnungen können Schichten, Bereiche oder Komponenten zu Zwecken der Klarheit übertrieben sein.
In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die folgt, werden bestimmte Begriffe eingesetzt, um sich auf die Positionsbeziehung bestimmter Strukturen relativ zu anderen Strukturen zu beziehen. Wie hierfür verwendet, bezieht sich der Begriff „vorwärts" und Abwandlungen davon auf die allgemeine Richtung, in der die Gasmischung wandert, wenn sie sich durch die Hyperpolarisatoreinheit bewegt; dieser Begriff ist als synonym zum Begriff „stromabwärts" gemeint, der oft in Herstellungsumgebungen verwendet wird, um anzuzeigen, dass ein bestimmtes Material, das bearbeitet wird, sich weiter weg im Herstellungsprozess befindet als ein anderes Material. Umgekehrt beziehen sich die Begriffe „rückwärts" und „stromaufwärts" und Abwandlungen davon auf die entsprechenden entgegengesetzten Richtungen, die vorwärts- und stromabwärts-Richtungen. Auch werden, wie hier beschrieben, polarisierte Gase gesammelt, gefroren, aufgetaut und verwendet in MRI-Anwendungen. Für die Einfachheit der Beschreibung bedeutet der Begriff „gefrorenes polarisiertes Gas", dass das polarisierte Gas zu einem festen Zustand gefroren worden ist. Der Begriff „flüssiges polarisiertes Gas" bedeutet, dass das polarisierte Gas zu einem flüssigen Zustand verflüssigt worden ist oder wird. So wird, obwohl jeder Begriff das Wort „Gas" umfasst, dieses Wort verwendet, um das Gas zu benennen und über eine Beschreibung zu treffen, das über einen Hyperpolarisator erzeugt wurde, um ein polarisiertes „Gas"-Produkt zu erhalten. So ist, wie hier verwendet, der Begriff „Gas" an bestimmten Stellen verwendet wurden, um über eine Beschreibung ein hyperpolarisiertes Edelgasprodukt anzuzeigen und kann verwendet werden mit Modifikatoren, wie fest, gefroren und flüssig, um den Zustand oder die Phase jenes Produktes zu beschreiben.
Verschiedene Techniken wurden eingesetzt, um polarisierte Gase zu sammeln und einzufangen. Zum Beispiel beschreibt US-Patent Nr. 5,642,625 für Cates et al. einen Hyperpolarisator hohen Volumens für spin-polarisiertes Edelgas und US-Patent Nr. 5,809,801 für Cates et al. beschreibt einen Tieftemperatursammler für spin-polarisiertes ¹²⁹Xe.
Wie hier verwendet, bedeuten die Begriffe „hyperpolarisieren", „polarisieren" und dergleichen, die Polarisation bestimmter Edelgaskerne künstlich über die natürlichen oder Gleichgewichtsniveaus zu verstärken. Ein derartiger Anstieg ist erwünscht, weil er stärkere Bildgebungssignale entsprechend besseren MRI-Bildern der Substanz eines Zielgebiets des Körpers ermöglicht. Wie jenen Fachleuten bekannt ist, kann eine Hyperpolarisation durch Spinaustausch mit einem optisch gepumpten Alkalimetalldampf oder alternativ durch Metastabilitätsaustausch induziert werden. Siehe Albert et al, US-Patent Nr. 5,545,396.
Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, 1 stellt eine bevorzugte Hyperpolarisatoreinheit 10 dar. Diese ist eine Einheit hohen Volumens, die konfiguriert ist, um spin-polarisierte Edelgase im Wesentlichen kontinuierlich herzustellen und zu sammeln, d.h. der Fluss von Gas durch die optische Zelle ist im Wesentlichen kontinuierlich während der Sammlung. Wie gezeigt, umfasst die Einheit 10 eine Edelgasmischungsversorgung 12 und einen Versorgungsregulator 14. Ein Reiniger 16 ist in der Leitung positioniert, um Verunreinigungen, wie Wasserdampf, aus dem System zu entfernen, wie weiter unten diskutiert wird. Diese Hyperpolarisatoreinheit 10 umfasst auch einen Durchflussmesser 18 und ein Einlassventil 20, das stromaufwärts von einer Polarisator- oder optischen Zelle 22 positioniert ist. Eine optische Lichtquelle, wie ein Laser 26 (bevorzugt ein Diodenlaserarray) ist in die Polarisatorzelle 22 über verschiedene Fokussier- und Lichtverteilungsmittel 24 gerichtet, wie Linsen, Spiegel und dergleichen. Der Laser 26 ist zirkular polarisiert, um Alkalimetalle in der Zelle 22 optisch zu pumpen. Die Zelle 22 ist positioniert innerhalb eines Temperatur-regulierten Ofens (schematisch dargestellt durch eine doppelt gepunktete Linie) 122. Ein zusätzliches Ventil 28 ist stromabwärts von der Polarisatorzelle 22 angeordnet.
Als nächstes in der Leitung befindet sich, wie in 1 bezeichnet ist, ein Kühlfinger oder Sammler 30. Der Sammler 30 ist mit der Hyperpolarisatoreinheit 10 über ein Paar von freisetzbaren Mechanismen, wie mit Gewinde versehenen Elementen oder Quick-Disconnects 31, 32, verbunden. Dies ermöglicht, dass der Sammler 30 leicht abgebaut, entfernt oder zugefügt wird, zum und vom System 10. Der Sammler 30 ist betreibbar mit einer Kältequelle oder einem Kühlungsmittel 42 verbunden. Bevorzugt und wie gezeigt ist die Kältequelle 42 ein Bad 43 eines flüssigen Kühlmittels. Der Sammler 30 wird detaillierter hier im Folgendem diskutiert werden.
Wie in 1 und 9 gezeigt ist, umfasst der Hyperpolarisator 10 auch eine Vakuumpumpe 60, die sich in Verbindung mit dem System befindet. Zusätzliche Ventile zum Steuern des Flusses und Leiten von Ausgangsgas sind an verschiedenen Punkten gezeigt (gezeigt als 52, 55). Ein Schließventil 47 ist benachbart an einer „integrierten" Ausgangsgasfalle 50 angeordnet. Bestimmte der Ventile stromabwärts vom Sammler 30 werden für „integriertes" Auftauen und Liefern des gesammelten polarisierten Gases, wie weiter unten beschrieben wird, verwendet.
Die Einheit 10 umfasst auch einen digitalen Druckaufnehmer 54 und Durchflusssteuerungsmittel 57 zusammen mit einem Schließventil 58. Das Schließventil 58 steuert bevorzugt den Fluss von Gas durch die gesamte Einheit 10; es wird verwendet, um den Gasfluss an – und auszuschalten, wie unten beschrieben werden wird. Wie von jenen Fachleuten verstanden werden wird, können andere Flussststeuerungsmechanismen und Vorrichtungen (analog und elektronisch) innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Im Betrieb wird eine Gasmischung in die Einheit 10 bei der Gasquelle 12 eingeleitet. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Quelle 12 ein unter Druck stehender Gastank, der eine vorgemischte Gasmischung hält. Allgemein beschrieben wird für durch Spinaustausch optisch gepumpte Systeme eine Gasmischung in die Hyperpolarisatorvorrichtung stromaufwärts von der Polarisatorzelle 22 eingeleitet. Die meisten Xenon-Gasmischung umfassen ein Puffergas, wie auch eine magere Menge des Gases, das für die Hyperpolarisation bestimmt ist, und werden bevorzugt in einem kontinuierlichen Durchflusssystem hergestellt. Z.B. ist zum Herstellen von hyperpolarisierten ¹²⁹Xe die vorgemischte Gasmischung ungefähr 85 bis 98% He (bevorzugt ungefähr 85–89% He), über 5% oder weniger ¹²⁹Xe, und ungefähr 1 bis 10% N₂ (bevorzugt ungefähr 6 bis 10%). Im Gegensatz dazu wird zum Herstellen von hyperpolarisierten ³He eine typische Mischung von ungefähr 99,25% ³He und 0,75% N₂ auf 8 atm (0,81 MPa) oder mehr unter Druck gesetzt und erwärmt und der optischen Laserlichtquelle ausgesetzt, typischerweise in einem System eines diskontinuierlichen Modus. In jedem Fall wird, sobald das hyperpolarisierte Gas aus der Polarisatorzelle (d.h., der Pumpkammer) 22 austritt, es in einen Auffang- oder Sammelbehälter geleitet.
So umfasst, wie oben beschrieben, in einer bevorzugten Ausführungsform die vorgemischte Gasmischung eine Mager-Edelgas- (das zu hyperpolarisierende Gas) und Puffergasmischung. Die Gasmischung lässt man durch den Reiniger 16 laufen und führt sie in die Polarisatorzelle 22 ein. Die Ventile 20, 28 sind An/Aus-Ventile, die betreibbar mit der Polarisatorzelle 22 verbunden sind. Der Gasregulator 14 regelt bevorzugt den Druck der Gastankquelle 12 (die typischerweise bei 2000 psi oder 136 atm (12,8 MPa) arbeitet) schrittweise auf ungefähr 6 bis 10 atm (0,61–1,01 MPa) für das System herunter. So wird während des Sammelns der gesamte Verteiler (die Leitung, die Polarisatorzelle, der Sammler, etc.) auf den Zelldruck unter Druck gesetzt (ungefähr 6 bis 10 atm (0,61–1,01 MPa)). Der Fluss in der Einheit 10 wird aktiviert durch das Öffnungsventil 58 und wird gesteuert durch Einstellen des Flusssteuermittels 57.
Die typische Verweilzeit des Gases in der Zelle 22 beträgt ungefähr 10 bis 30 Sekunden; d.h. es dauert in der Größenordnung von 10 bis 30 Sekunden, dass die Gasmischung hyperpolarisiert wird, während sie sich durch die Zelle 22 bewegt. Die Gasmischung wird bevorzugt in die Zelle 22 bei einem Druck von 6 bis 10 atm (0,61–1,01 MPa) eingeleitet. Natürlich sind, wie es jenen Fachleuten bekannt ist, mit einer Hardware, die fähig ist, bei erhöhten Drücken zu arbeiten, Arbeitsdrücke von über 10 atm (1,01 MPa), wie ungefähr 20 bis 30 atm (2,01–3,04 MPa) bevorzugt, um das Alkalimetall (wie Rubidium („Rb")) Druck-zu-verbreitern und die Absorption von (annähernd bis zu 100%) des optischen Lichts zu vereinfachen. Im Gegensatz dazu können für Laserlinienbreiten, die geringer sind als die herkömmlichen Linien breiten, niedrigere Drücke eingesetzt werden. Die Polarisatorzelle 22 ist eine Hochdruck-Zelle zum optischen Pumpen, untergebracht in einer erwärmten Kammer mit Öffnungen, die konfiguriert sind, um den Eintritt von Laser-emittiertem Licht zu ermöglichen. Bevorzugt hyperpolarisiert die Hyperpolarisatoreinheit 10 ein ausgewähltes Edelgas, wie ¹²⁹He (oder ³He) über einen herkömmlichen Spin-Austausch-Prozess. Ein verdampftes Alkalimetall, wie Rb, wird in die Polarisatorzelle 22 eingeleitet. Der Rb-Dampf wird optisch gepumpt über eine optische Lichtquelle 26, bevorzugt einen Diodenlaser.
Die Einheit 10 setzt Heliumpuffergas ein, um die Rb-Dampf-Absorptionsbandbreite druck-zu-verbreitern. Die Auswahl eines Puffergases ist wichtig, weil das Puffergas – während die Absorptionsbandbreite verbreitert wird – auch unerwünscht den Alkalimetall-Edelgas-Spinaustausch durch möglicherweise Einführen eines Drehimpulsverlustes des Alkalimetalls in das Puffergas, eher als in das Edelgas, wie erwünscht, beeinflussen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ¹²⁹He durch Spinaustausch mit dem optisch gepumpten Rb-Dampf hyperpolarisiert. Es ist auch bevorzugt, dass die Einheit 10 ein Heliumpuffergas mit einem Druck verwendet, der viele Male größer ist als der ¹²⁹Xe-Druck für eine Druckverbreiterung, in einer Weise, die die Rb-Spinzerstörung minimiert.
Wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird, reagiert Rb mit H₂O. Deshalb kann jegliches Wasser oder Wasserdampf, der in die Polarisatorzelle 22 eingeleitet wird, verursachen, dass das Rb die Laserabsorption verliert und das Ausmaß oder die Effizienz des Spinaustauschs in der Polarisatorzelle 22 verringert wird. So kann als eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme ein Extrafilter oder Reiniger (nicht gezeigt) vor dem Einlass der Polarisatorzelle 22 positioniert werden, mit einer zusätzlichen Oberfläche, um sogar zusätzliche Mengen dieser unerwünschten Verunreinigung zu entfernen, um weiter die Effizienz des Polarisators zu vergrößern.
Hyperpolarisiertes Gas, zusammen mit der Puffergasmischung, tritt aus der Polarisatorzelle 22 aus und tritt in ein Auffangreservoir 75 ein, das sich am Boden des Sammlers 30 befindet. In Betrieb wird am unteren Abschnitt des Sammlers 30 das hyperpolarisierte Gas Temperaturen unter seinem Gefrierpunkt ausgesetzt und aufgefangen als ein gefrorenes Produkt 100 in dem Reservoir 75. Das hyperpolarisierte Gas wird aufgefangen (wie auch gespeichert, transportiert und bevorzugt aufgetaut) bei Vorhandensein eines Magnetfeldes, im Allgemeinen in der Größenordnung von mindestens 500 Gauss (0,05 Tesla) und typischerweise ungefähr 2 Kilo-Gauss (0,2 Tesla), obwohl höhere Felder verwendet werden können. Niedrigere Felder können möglicherweise unerwünschter Weise die Relaxationsgeschwindigkeit vergrößern oder die Relaxationszeit des polarisierten Gases verringern. Wie in 1 gezeigt ist, wird das Magnetfeld durch Permanentmagneten 40 bereitgestellt, die in den Kühlmittelbad positioniert sind und um ein Magnetjoch 41 angeordnet sind.
Die Hyperpolarisatoreinheit 10 kann auch Kapital schlagen aus der Temperaturänderung in der Auslassleitung zwischen der erwärmten Pumpzelle 22 und der gekühlten Kältefalle oder Sammler 30, um das Alkalimetall aus dem polarisierten Gasstrom in der Leitung oberhalb des Sammlers 30 auszufällen. Wie von einem Fachmann anerkannt werden wird, kann das Alkalimetall aus dem Gasstrom bei Temperaturen von ungefähr 40°C ausfallen. Die Einheit 10 kann auch einen Alkalimetall-Rückflusskondensator (nicht gezeigt) oder ein Filter nach der Zelle (nicht gezeigt) umfassen. Der Rückflusskondensator setzt eine vertikale in rückflussbildende Auslassröhre ein, die bei Raumtemperatur gehalten wird. Die Gasfließgeschwindigkeit durch die rückflussbildende Röhre und die Größe der rückflussbildende Auslassröhre ist derart, dass der Alkalimetalldampf kondensiert und in die Pumpzelle durch Schwerkraft tropft. Alternativ kann ein Rb-Filter verwendet werden, um überschüssiges Rb aus dem hyperpolarisierten Gas vor dem Auffangen oder dem Sammeln zu entfernen. In jedem Fall ist es erwünscht, Alkalimetall vor dem Abgeben von polarisiertem Gas an einem Patienten zu entfernen, um einen nicht-toxische, sterile oder pharmazeutisch annehmbare Substanz (d.h. eine die für in-vivo-Verabreichung geeignet ist) bereitzustellen.
Sobald eine erwünschte Menge von hyperpolarisiertem Gas im Sammler 30 aufgefangen ist, kann der Sammler 30 abgenommen oder von der Einheit 10 isoliert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ventil 28 geschlossen, wobei die Zelle 22 unter Druck zurückgelassen wird. Dies ermöglicht, dass der Sammler 30 und das stromabwärts gelegene Leitungssystem beginnt Druck abzubauen, weil das Flussventil 58 offen ist. Bevorzugt wird dem Abschnitt der Einheit 10 stromabwärts vom Ventil 28 ermöglicht, Druck abzubauen auf ungefähr 1,5 atm, bevor das Flussventil 58 geschlossen wird. Nach dem Schließen des Flussventils 58 kann das Ventil 55 geöffnet werden, um das verbleibende Gas im Verteiler zu evakuieren. Sobald das Auslassleitungssystem evakuiert ist, werden die Ventile 35 und 37 geschlossen. Falls das gesammelte Gas „integriert" verteilt werden soll, d.h. ohne Entfernen des Sammlers 30 von der Einheit 10, kann ein Behälter, wie ein Beutel 525 oder ein anderes Gefäß, wie in 9 gezeigt, an dem Auslass 50 angebracht werden. Das Ventil 47 kann geöffnet werden, um den angebrachten Beutel zu evakuieren. Sobald der Beutel 525 evakuiert ist und das Gas bereit ist, aufzutauen, kann das Ventil 52 gegebenenfalls geschlossen werden. Dies minimiert den Kontakt des polarisierten Gases mit der Druckabnehmerregion 59 der Einheit 10.
Diese Region kann Materialien umfassen, die einen depolarisierenden Effekt auf das polarisierte Gas besitzen. So können lange Kontaktzeiten mit dieser Region die Relaxation des polarisierten Gases fördern.
Falls das Ventil 52 nicht geschlossen wird, wird das Ventil 55 bevorzugt geschlossen, um die Evakuierung von polarisierten ausgetauten Gasen zu verhindern. Es ist auch bevorzugt, dass die Fließkanäle auf der Stromabwärtsseite der Zelle 22 (einschließlich dem Sekundärreservoir und der unten diskutierten Abflussleitung) aus Materialien gebildet sind, die den kontakt-induzierten Depolarisationseffekt auf den polarisierten Zustand des Gases minimieren. Beschichtungen können auch verwendet werden, wie jene, die beschrieben sind in US-Patent Nr. 5,612,103.
In dem „integrierten" Auftauschritt wird das Ventil 37 geöffnet, um das Gas herauszulassen. Es läuft dann weiter durch Ventil 47 und aus dem Auslass 50.
Im Auftaumodus des „abgebauten oder „transportierten Sammlers" werden erste und zweite Sammler-Isolierventile 35, 37 geschlossen nach dem Druckabbau und der Evakuierung des Sammlers 30. Evakuieren des Sammlers 30 ermöglicht, dass beliebiges Restgas in Sammler 30 entfernt wird. Das Zurücklassen von Gas im Sammler 30 mit dem gefrorenem polarisiertem Gas kann zur Wärmelast auf das gefrorene Gas beitragen, was möglicherweise die Temperatur des gefrorenen Gases anhebt und möglicherweise die Relaxationszeit verkürzt. So wird in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Druckverringerung und Evakuierung und dem Schließen der Isolierventile 35, 37 der Sammler 30 von der Einheit 10 über Freisetzungspunkte 31, 32 abgekoppelt.
Die Isolierventile 35, 37 stehen in Verbindung mit dem primären Fließkanal 80 bzw. dem Puffergasausgangskanal 90 und können jeweils das Ausmaß des Flusses durch diese einstellen, wie auch die entsprechenden Wege schließen, um den Sammler von der Einheit 10 und der Umgebung zu isolieren. Nachdem der gefüllte Sammler 30 entfernt ist, kann ein anderer Sammler 30 leicht und relativ schnell an den Freisetzungspunkte 31, 32 angebracht werden. Bevorzugt wird, wenn der neue Sammler 30 angebracht wird, der Auslassverteiler evakuiert unter Verwendung des Ventils 55 (wobei die Ventile 52, 35, 37 geöffnet sind). Wenn ein geeignetes Vakuum erreicht ist (wie ungefähr 100 mm Torr), was typischerweise innerhalb einer Minute oder so erfolgt, wird das Ventil 55 geschlossen. Das Ventil 28 wird dann wieder geöffnet, was den Auslassverteiler auf den Betriebszelldruck unter Druck setzt. Das Ventil 58 wird dann geöffnet, um den Fluss in die Einheit 10 wieder aufzunehmen. Bevorzugt wird, sobald der Fluss wieder aufgenommen ist, flüssiger Stickstoff auf den Sammler 30 angewandt, um das Auffangen des hyperpolarisierten Gases fortzusetzen. Typischerweise dauert ein derartiger Austausch in der Größenordnung von weniger als ungefähr 5 Minuten. So wird eine bevorzugte Hyperpolarisatoreinheit 10 konfiguriert, um einen kontinuierlichen Fluss von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe-Gas für eine kontinuierliche Herstellung und Sammlung desselben bereitzustellen.
Integrierter Polarisationsmonitor nach der optischen Zelle
In vorherigen Polarisationseinheiten wurde typischerweise eine NMR-Anregungsspule im Ofen 122 benachbart zur optischen Zelle 22 (auch in dem Ofen) positioniert, um das Polarisationsniveau, das von dem Gas in der Zelle 22 erreicht wurde, zu bestimmen. Ferner benutzte mindestens ein Labor auch einen kleinen abdichtbaren (ungefähr 5 cm³) Glaskolben, der mit einer Probe von hyperpolarisiertem Gas an dem selben Punkt wie das Auffanggefäß oder der Dosisbeutel gefüllt war. Der kleine Kolben wurde dann zu einem separaten 4,7 T-Spektrometer gebracht, um das Niveau der Polarisation, das mit dem Auffanggefäß verbunden ist, zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung stellt nun günstigerweise eine (in die Hyperpolarisatoreinheit 10) integrierte Polarisationsniveaumessung verbunden mit dem polarisierten Gas an verschiedenen Punkten im Herstellungszyklus bereit, wie beispielsweise sowohl an der Polarisatorzelle 22 als auch an einem oder mehreren Gasherstellungspunkt(en) vor dem Abgeben und nach dem Auftauen. Wie in 1 gezeigt ist, beginnt in einer bevorzugten Ausführungsform der Gasausgangsweg 113 (nach dem Auftauen) (der Gasausgangsweg, der in der gepunkteten Linie veranschaulicht ist) an dem Kühlfinger-Sammler 30, erstreckt sich herunter zur Ausgangsleitung 113a zum Ventil 47 und dann zur abgebenden Auslassleitung 114. Die abgebende Auslassleitung 114 endet am Xenonauslass 50. Eine kleine Abflussleitung 115 steht in Fluid-Verbindung mit dem Xenonauslass 50. Bevorzugt, wie in 1 gezeigt ist, ist die Abflussleitung 115 mit der abgebenden Auslassleitung 114 in einer Entfernung oberhalb des Xenonauslasses 50 verbunden. Jedoch kann die Abflussleitung 115 alternativ entlang der Ausgangsleitung 113a positioniert sein, ist aber bevorzugt positioniert benachbart zum abgebenden Auslass 50, um eine zuverlässigere Anzeige des polarisierten Zustandes des Gases am Auslass 50 bereitzustellen. Die Abflussleitung 115 steht in Fluid-Verbindung mit der abgebenden Auslassleitung 114 und definiert einen sekundären Fließweg für das hyperpolarisierte Gas, wobei die Abflussleitung 115 konfiguriert ist und in der Größe bemessen ist, um eine kleine Menge des hyperpolarisierten Gases zum Sekundärreservoir 120 zu leiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Menge von hyperpolarisiertem Gas bei Tieftemperatur gesammelt wie oben beschrieben, um eine Menge von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe in gefrorener oder Eisform aufzufangen. Ventile 35 und 37 sind geschlossen. Das gefrorene hyperpolarisierte ¹²⁹Xe-Gas wird dann erwärmt, bevorzugt durch Anwenden von Wärme und Vergrößern des Drucks im Sammler 30 derart, dass der Feststoff im Wesentlichen direkt zur flüssigen Phase übergeht. Typischerweise wird, nach ungefähr einer Verzögerung von 8 Sekunden vom Zeitpunkt der Anwendung der Wärme, wird das Xenonisolationsventil 52 geschlossen und der Sammler 30 wird über das Ventil 37 geöffnet, um dem Gas nach dem Auftauen zu ermöglichen, in die Ausgangsleitung 113 durch das Tor 32 einzutreten. Das hyperpolarisierte Gas fließt dann durch das Ventil 47 in die abgebende Auslassleitung 114 und ein Hauptteil des Gases wird in ein Auffanggefäß am Xenonauslass 50 geleitet. Während dieses Abschnitts des Herstellungszyklus kann das Ventil 52 offen bleiben, aber es ist bevorzugt, dass das Ventil 55 zur Drucküberwachung geschlossen ist.
Kürzlich wurde die Hyperpolarisatoreinheit 10 rekonfiguriert, um mit ggf. sogar mehr zuverlässigen Auftauvorgängen gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung zu arbeiten. Wie oben diskutiert, haben vorherige Auftauverfahren vergrößerte Polarisationsniveaus nach dem Auftauen bereitgestellt. Bezug nehmend auf 9 wurden in diesem vorherigen Verfahren beide Kühlfingerventile 35, 37 geschlossen und eine Warteperiode (typischerweise gesetzt auf ungefähr 8 Sekunden) wurde eingesetzt, bevor eines oder mehrere der Ventile 35, 37 geöffnet wurden, um das Gas freizusetzen, wodurch der Innendruck im Kühlfinger 30 während der kritischen Auftauphase anstieg, bevor das aufgetaute Gas freigesetzt wurde. Jedoch wurde entdeckt, dass die „optimale" Haltezeit oder Warteperiode variieren kann, abhängig von der Menge des gesammelten Gases, der Fließgeschwindigkeit, die während des Sammelns verwendet wurde, und dergleichen. Deshalb ist es, um eine zuverlässige Polarisation nach dem Auftauen zu vergrößern, bevorzugt, dass die Hyperpolarisatoreinheit 10 konfiguriert ist, um den Druck des Gases in dem (stromabwärts) Leitungssystem, das mit dem Kühlfinger 30 verbunden ist, zu überwachen, und dann das aufgetaute Gas bei einem vorbestimmten Druck eher als bei einer voreingestellten Zeit freizusetzen. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Hyperpolarisatoreinheit 10 konfiguriert ist, um die Totvolumina in dem Leitungssystem zwischen dem Ventil 37 und dem Ventil 52, wie auch das Totvolumen des Druckaufnehmers (52–54) zu minimieren.
In Betrieb wird das Auftauverfahren mit dem geöffneten Kühlfingerventil 37, dem noch geschlossenen Ventil 47, dem geöffneten Ventil 52 und dem noch geschlossenen Ventil 55 und 58 ausgeführt. Diese Konfiguration fügt ein kleines Totvolumen von ungefähr 7,3 cm³ zum Kühlfinger 30 hinzu, dessen Innenvolumen typischerweise ungefähr 22 cm³ beträgt. So wird die Auftaugeschwindigkeit selbst im Allgemeinen nicht nachteilig beeinflusst durch die Konfigurationsänderung, aber die Drucküberwachung, die nun bereitgestellt wird, ermöglicht ein vorhersagbareres und wiederholbareres Öffnen des Ventils, das mit der Steuerung des Gases verbunden ist, das aus dem Kühlfinger 30 austritt (nun Ventil 47). Das heißt, dass während des Auftauens ein Hauptteil des hyperpolarisierten Gases direkt von einem gefrorenen Feststoff in eine flüssige Phase übergeht entsprechend dem Druck in dem Kühlfinger während des Auftauschrittes. Bevorzugt ist der vorbestimmte Freisetzungsdruck auf ungefähr mindestens eine Atmosphäre (0,1 MPa) gesetzt. Das Öffnen des Ventils nachdem der Druck 1 atm erreicht, hat eine verbesserte Freisetzung des Xenons nach dem Auftauen für 100 bis 600 cm³ von gesammeltem ¹²⁹Xe gezeigt. Interessanterweise kann das Verringern des Freisetzungsdruckes (wie auf 0,8 atm (0,08 Mpa)) unzuverlässige Polarisationsniveaus nach dem Auftauen einführen und die Geschwindigkeit verlangsamen, mit der das polarisierte Gas aus dem Kühlfinger austritt.
Obwohl polarisiertes aufgetautes ¹²⁹Xe in das Totvolumen in einen Weg nach dem Auftauen geleitet wird (der Weg stromabwärts vom Ventil 47 und zwischen den Ventilen 52–55–58) und darin depolarisieren kann, ist die schnelle Freisetzung des aufgetauten polarisierten Gases, sobald das Ventil 47 geöffnet ist, derart, dass wenig des polarisierten Gases in den Ausgangsweg 114, 114a eintritt (d.h. sobald sich das Ventil 47 öffnet, fließt im Wesentlichen das gesamte aufgetaute Gas in den Weg, der zwischen den Ventilen 37–47–50 definiert ist). In jedem Fall ist es, sogar falls depolarisiertes Gas in den Totvolumina sich mit dem primären polarisierten aufgetauten Gas vermischt, ein relativ kleines Volumen verglichen mit dem typischen Auffangvolumina, so dass die Gesamtpolarisation minimal reduziert wird. Bevorzugt, wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird, können auch andere Drucküberwachungssensoren und Leitungssystemkonfigurationen eingesetzt werden, in denen der Druckmonitor und das Leitungssystem konfiguriert sind, um das Totvolumen, das vom hyperpolarisierten Gas während der Auftauphase des Prozesses durchlaufen wird, zu minimieren.
In jedem Fall umfasst, wenn das hyperpolarisierte Gas in die Ausgangsleitung 114 fließt, der Gasausgangsfließweg sowohl einen primären Fließweg 114a, der das Gas in Richtung des Füllpunktes 50 leitet, als auch einen sekundären Fließweg entlang der Abflussleitung 115. So wird eine kleine Menge des hyperpolarisierten Gases von dem primären Fließweg 114 weg in den sekundären Fließweg, der von der Abflussleitung 115 und dem Sekundärreservoir 120 gebildet wird, weggeleitet. Bevorzugt ist das Sekundärreservoir 120 in der Größe bemessen und konfiguriert derart, dass es ein minimales Volumen besitzt, d.h. eine Menge, die ausreicht, um ein zuverlässiges Polarisationsniveau zu bestimmen, das nicht wesentlich das nutzbare Volumen des hyperpolarisierten Gases vermindert. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Sekundärreservoir 120 ein inneres freies Raumvolumen von ungefähr 2 cm³. Auf ähnliche Weise ist die Abflussleitung 115 konfiguriert und in der Größe bemessen, um ein minimales Volumen entlang seiner Länge, wie ¼ Inch (6,4 mm) Außendurchmesserrohrleitung, zu besitzen, die typischerweise ungefähr ein 3–4 cm³ Innenvolumen entlang ihrer Länge besitzt. So nutzt in einer bevorzugten Ausführungsform die Sekundärfließwegpolarisationsmessung nur ungefähr 6 cm³ Gas, ein relativ unwesentliches Volumen im Vergleich zum typischen 1 Liter-Volumen des Gases, das am Ausgang 50 aufgefangen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 1 gezeigt ist, ist eine NMR-Spule 100 einer dualen Symmetrie derart positioniert, dass eine Oberfläche mit der Polarisatorzelle 22 in Kontakt steht, während die andere mit dem Sekundärreservoir 120 in Kontakt steht. Ein Magnetfeld, das mit der optischen Zelle 22 (typischerweise bereitgestellt von einem Paar von Helmholtz-Spulen, wie jene, die in 9 beim Element 500 schematisch gezeigt sind) betreibbar verbunden ist, besitzt eine Region von Homogenität, die davon definiert ist. Bevorzugt umgibt die Region von Homogenität einen Hauptabschnitt der Polarisatorzelle 22, der NMR-Spule 100 und mindestens einen oberen Abschnitt des Sekundärreservoirs 120a, d.h. den Abschnitt des Sekundärreservoirs 120 benachbart zur NMR-Spule 100. Eine typische Region von Homogenität ist schematisch veranschaulicht durch den Kasten der gepunkteten Linie, der in 1 B₀ bezeichnet ist. Bevorzugt ist die Homogenität ausreichend in der Messregion, um ein zuverlässiges Lesen des hyperpolarisierten Gases zu ermöglichen, da Magnetfeldgradienten wirken können, um das abgetrennte Gas (d.h. das hyperpolarisierte Gas im Sekundärreservoir 120) zu depolarisieren, was möglicherweise eine ungenaue Mess-Repräsentation der Polarisation nach dem Auftauen einführt.
Bevorzugt ist es für effektive Polarimetriemessungen bevorzugt, dass der T₂*-Wert über ungefähr 5 ms beträgt (die typische stumme Zeit, nachdem der Puls übertragen wird, beträgt ungefähr 3 ms). Dies bedeutet, dass für eine Hyperpolarisatoreinheit 10 mit einem Magnetfeld, dass durch „integrierte" 19 Inch-(48 cm)-Durchmesser Helmholtzspulen 500 erzeugt wird, die Spulen positioniert und konfiguriert sind, um eine Region von Homogenität zu erzeugen, die durch einen virtuellen Zylinder mit einer Länge von ungefähr 2 Inch (5,1 cm) und einem Radius von ungefähr 2 Inch (5,1 cm) zentriert zwischen den Spulen 500 definiert ist. Der Polarisator oder die optische Zelle 22, von dem/der ein Beispiel in 9 gezeigt ist, besitzt so eine/ein entsprechende(s) Konfiguration und Volumen, die das entworfen ist, um im Wesentlichen in die Region der Homogenität zu passen. Zusätzlich ist das Magnetmittel konfiguriert, um den Bereich der Homogenität derart zu erstrecken, dass er ausreichend ist, um die Dimensionen der Spule 100 einer dualen Symmetrie und mindestens das geschlossene Ende des Sekundärreservoirs 120 einzuschließen. Zum Beispiel würde eine Polarisatorzelle 22 mit einem Radius von ungefähr 0,75 Inch (1,9 cm) eine NMR-Überwachungsspule 100 einer dualen Symmetrie von ungefähr 0,375 Inch (0,95 cm) und das Sekundärreservoir 120 von ungefähr 0,5 Inch (1,27 cm) geeignet sein (1,625 Inch (4,13 cm)).
In einer Ausführungsform, wie in 6 gezeigt ist, ist das Zentrum des Magnetfeldes, das von den Helmholtz-Spulen 500 erzeugt wird, verschoben, um relativ zum Zentrum der optischen Zelle 22 versetzt zu sein. Dieser Offset ist schematisch gezeigt durch eine erste Magnetfeldzentralachse entlang der Linie A-A zu einer zweiten Achse, die näher an die große NMR-Spule 100 verschoben ist, und durch die Axenlinie A'-A' angezeigt ist. Der Offset kann die Konfiguration des Magnetfeldes vereinfachen, das genügend homogen in der Region ist, die mit der NMR-Spule 100 und/oder der NMR-Spule 150 verbunden ist, für ein empfindlicheres Überwachen der Polarisation des Gases dort.
Natürlich kann das Sekundärreservoir 120 und der damit verbundene NMR-Spulen- und Betriebsschaltkreis (zusammen kann ein NMR-Spulen- und darauf bezogener Pulsmess-Betriebsschaltkreis, wenn er nach der Polarisatorzelle 22 positioniert ist, als ein „Überwachungssystem nach der optischen Zelle" beschrieben werden) auch für Nicht-Tieftemperatur-Sammelsysteme arbeiten. Zum Beispiel kann nach dem optischen Pumpen des Gases, wie während des Befüllens, ein kleiner Teil eines hyperpolarisierten Gases vom Gasfließweg in das Sekundärreservoir 120 weggeleitet werden, um den Grad der Polarisation am Füllpunkt im Herstellungszyklus anzuzeigen (wie wenn ³He über einen Füllanschluss (nicht gezeigt) in einen tragbaren Behälter gefüllt wird). Alternativ kann ein Sekundärfließweg vorgesehen sein an anderen kritischen oder erwünschten Überwachungspunkten im Herstellungszyklus.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 8 gezeigt ist, ist das Sekundärreservoir 120 benachbart zur NMR-Spule 100 mit einer dualen Symmetrie positioniert, welche benachbart zur Polarisatorzelle 22 im Ofen 122 positioniert ist, derart, dass sie die Polarisation des hyperpolarisierten Gases sowohl in der Zelle 22 als auch in einem Sekundärreservoir (oder Kolben nach dem Auftauen) 120 überwachen kann. Das heißt, die NMR-Spule 100 ist nach Art eines Sandwiches zwischen der Polarisationszelle 22 auf einer Seite und dem Sekundärreservoir 120 auf der anderen eingeschlossen. So ist das Sekundärreservoir 120 bevorzugt positioniert im Ofen 122 entlang des Bodens der optischen Zelle 22. Der NMR-Spulenanschluss 111 (wie auch der Anschluss 106, der in 2B gezeigt ist), ist konfiguriert, um am Boden des Ofens 122 auszutreten und dann elektrisch mit einer Detektionsschaltung 100D (5) verbunden zu sein. In Betrieb ist es, wenn das Sekundärreservoir 120 aktiviert wird, bevorzugt, dass die Ofentemperatur bekannt ist und gesteuert wird, weil bei hohen Temperaturen die Gasdichte von Xenon gemäß der Beziehung verringert sein wird, die durch das Gesetz des idealen Gases (PV = nRT) ausgedrückt ist. Zum Beispiel, falls der Ofen 122 auf 150°C gesetzt wird, beträgt die Dichte von Xenon im Sekundärreservoir 120 ungefähr (295 K/423 K oder 0,70) der Raumtemperaturdichte. Das Signal, das mit dem hyperpolarisierten Gas im Sekundärreservoir 120 verbunden ist, wird entsprechend verringert. Deswegen können die Signaldaten für bekannte Ofen-122-Temperaturwerte korrigiert werden, um ein repräsentatives Raumtemperaturlesen wiederzugeben.
2A und 2B veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform einer NMR-Spule 100 einer dualen Symmetrie. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 2A gezeigt ist, umfasst der Körper der NMR-Spule 100 gegenüberliegende erste und zweite Flanschabschnitte 101, 102 und einen zentralen Spulen-aufnehmenden Abschnitt 105a. Der Körper ist bevorzugt gebildet aus einem nicht-leitenden Material wie FLUOROSINT 500. Eine leitende Spule 105 ist um den zentralen Spulen-aufnehmenden Abschnitt 105a des Spulenkörpers gewunden. Bevorzugt sind ungefähr 350 Wicklungen von 30AWG(Kupfer)-Draht um den zentralen Spulen-aufnehmenden Abschnitt 105a gewunden. Die Drahtwindungen der leitenden Spule 105 können gesichert werden auf dem zentralen Spulen-aufnehmenden Abschnitt 105a des NMR-Spulenkörpers, wie mit ¼ Inch-(6,4 mm)Glasband. Es ist auch bevorzugt, dass der Draht, der die leitende Spule 105 bildet, ausgewählt ist, um eine kontinuierliche 200°C-Betriebsbelastbarkeit zu besitzen. Dies wird ermöglichen, dass die Windung den Betriebstemperaturen innerhalb des Ofens 120 (typischerweise ungefähr 160°C bis 200°C) widersteht. Wie in 2B gezeigt ist, umfasst die NMR-Spule 100 auch eine Länge eines Drahtes 106, der sich von der Spule 100 erstreckt, um sie mit einer NMR-Polarisationsdetektionsschaltung 100D (5) zu verbinden. Ein erster Hauptabschnitt dieser Drahtlänge 106 ist bevorzugt gebildet als gesetzte Anschlüsse mit einem verdrillten Hauptabschnitt 106A mit einer verdrillten Konfiguration von ungefähr 8 Verdrehungen pro Inch (3 Verdrehungen pro cm) und sich erstreckend mit einer damit verbundenen Länge von ungefähr 16 Inch (41 cm). Wie auch in 2B gezeigt ist, ist ein geringfügiger Abschnitt 106B der zwei Anschlüsse 106 unverdrillt. Bevorzugt beträgt der geringfügige Abschnitt ungefähr 2 Inch in der Länge (weniger als ungefähr 20% der verdrillten Länge). In einer bevorzugten Ausführungsform ist der unverdrillte Abschnitt 106B der Leitungen 106 abisoliert und beschichtet mit einer leitenden Metallbeschichtung, wie Zinn. Die NMR-Spule 100 ist bevorzugt derart konfiguriert, dass der Spulenkörper-Zentrums-Empfangsabschnitt 105a ungefähr einen 0,5 Inch-(127 cm)Durchmesser besitzt, wobei die Spulenschichten die Spule 105 auf ungefähr einen 0,85 Inch-(2,16 cm) und typischerweise unter 1,0 Inch-(2,54 cm))Durchmesser nach außen winden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die NMR-Spule 100 konfiguriert, um einen Gleichstrom-Widerstand von ungefähr 7,0 ± 1,0 Ω und eine Induktivität von ungefähr 2,13 ± 0,2 mH bereitzustellen.
Typischerweise ist die NMR-Spule 100 abgestimmt, um bei ungefähr 25 KHz eine Resonanz zu besitzen, die einem festen Kondensator von ungefähr 20.000 pF entspricht. Dies ergibt einen Q-Wert von ungefähr 20.
Der erste und der zweite Flanschabschnitt 101, 102 besitzen eine „duale Symmetrie" in Bezug auf den zentralen Spulenabschnitt 105a (d.h. sie sind gleich in der Größe bemessen und konfiguriert). Vorteilhafterweise ermöglicht die Konfiguration einer dualen Symmetrie der NMR-Spule 100, dass dieselbe NMR-Spule 100 und dieselbe NMR-Polarisationsdetektionsschaltung 100D verwendet werden, um die Polarisation des Gases bei zwei verschiedenen Punkten im Produktionszyklus zu messen, d.h. an zwei verschiedenen Stellen in der Hyperpolarisatoreinheit 10; an der Polarisatorzelle 22 und am Sekundärreservoir 120, verbunden mit dem Gas, das in der Nähe des abgebenden Auslasses 50 ist. So ist in Betrieb in einer bevorzugten Ausführungsform eine obere freigelegte planare Umfangsoberfläche 100a des ersten Flanschabschnittes 101 positioniert, um mit der optischen Zelle in Kontakt zu stehen, und die untere freigelegte Umfangsoberfläche 100b des zweiten Flanschabschnitts 102 ist positioniert, um mit dem Sekundärreservoir 120 in Kontakt zu stehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die zwei Flanschabschnitte 101, 102 eine relativ kleine oder dünne Breite von weniger als ungefähr 0,1 Inch (2,54 mm) und bevorzugter von weniger als 0,063 Inch (1,6 mm). Diese kleine oder dünne symmetrische Flanschabschnittskonfiguration kann ermöglichen, dass der leitende Spulenabschnitt 105 näher an dem hyperpolarisierten Gas auf beiden Flanschseiten 101, 102 der NMR-Spule 100 positioniert ist. Die NMR-Spule 100 hat eine Höhe von ungefähr 0,250 Inch (ungefähr 0,63 cm). Wie gezeigt ist, umfasst die NMR-Spule 100 auch eine zentrale Apertur 103, die dadurch gebildet ist. Alternativ kann die Apertur 103 gefüllt oder Körper gebildet sein als ein festes, nicht-leitendes Material in diesem Volumen.
3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines Sekundärreservoirs 120 dar (auch in der Beschreibung genannt ein Kolben nach dem Auftauen für Tieftemperatursammleranwendungen). Wie gezeigt ist, umfasst das Sekundärreservoir 120 einen eingeschlossenen Endabschnitt 121, der konfiguriert ist, um das hyperpolarisierte Gas darin einzufangen. In Position auf der Hyperpolarisatoreinheit 10, wie in 1 gezeigt ist, ist der eingeschlossene Endabschnitt 121 positioniert, um der benachbart in Kontakt stehenden Oberfläche der NMR-Spule 101b gegenüberzuliegen. Das eingeschlossene Ende 121 ist bevorzugt konfiguriert mit einem dünnen Wandflächenabschnitt, d.h. der Abschnitt, der konfiguriert ist, um mit der NMR-Spule 100 in Kontakt zu stehen. Bevorzugt ist das eingeschlossene Ende 121 aus PYREX gebildet, das ungefähr 1–2 mm dick ist. Natürlich können die mit dem Gas in Kontakt stehenden Oberflächen des Sekundärreservoirs 120 (und/oder die/das damit verbundene Leitungen oder Leitungssystem) mit Oberflächenrelaxations-widerstandsfähigen Materialien beschichtet sein oder aus verschiedenen Materialien gebildet sein, um T₁ zu vergrößern. Metallfilmoberflächen können auch verwendet werden, aber Sorgfalt sollte aufgebracht werden, dass sie ausreichend dünn konfiguriert sind, um Signalverschlechterung/stärke auszuschließen.
3 stellt den eingeschlossenen Endabschnitt 121 als eine im wesentlichen planare Fläche dar, die bevorzugt konfiguriert ist, um gegen den Boden der NMR-Spule 100 zu liegen. Jedoch wird von einem Fachmann anerkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt ist. Zum Beispiel veranschaulicht 3A eine alternative Konfiguration für das Sekundärreservoir 120', das das eingeschlossene Ende 121P mit einer am Umfang positionierten aufrecht stehenden Kante 121P konfiguriert. Diese Kante ist konfiguriert und in der Größe bemessen, um den äußeren Durchmesser des Bodenflansches der NMR-Spule 100 darin aufzunehmen. Diese Konfiguration kann eine einfache Ausrichtung mit der Spule 100 bereitstellen. Eine präzise Ausrichtung und eine zuverlässige wiederholbare Positionierung der NMR-Spule 100 kann die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Kalibration über mehrfache Hyperpolarisatoren während vergrößerter Herstellungs-Aufbauten verbessern und kann auch eine wiederholbarere erneute Anordnung der Spule in dem Feld vereinfachen.
Das Sekundärreservoir 120 umfasst auch ein zweites Ende 122, das konfiguriert ist, um das Leitungssystem der Hyperpolarisatoreinheit 10 entlang des Ablussweges 115 anzubringen. Das Sekundärreservoir 120 umfasst auch einen sich longitudinal erstreckenden zentralen Abschnitt. Das Sekundärreservoir 120 umfaßt eine Passage 124, die ein freies Volumen von ungefähr 3 bis 4 Kubikzentimeter definiert und die offen ist, um zu ermöglichen, dass Gas durch das eingeschlossene Ende 121 davon fließt. Da die Abflussleitung 115 und das Sekundärreservoir 120 mit hyperpolarisiertem Gas in Kontakt stehende Oberflächen besitzen, ist es bevorzugt, dass sie konfiguriert sind, um eine Kontakt-induzierte Depolarisation zu minimieren, d.h. die Wände und Ventile, O-Ringe und dergleichen sind aus Polarisations-freundlichen Materialien oder Beschichtungen gebildet. Siehe U.S.-Patent Nr. 5,612,103 für Driehuys et al. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sekundärreservoir 120 mit einem Körper konfiguriert, der eine Oberflächen-induzierte Kontaktrelaxation besitzt, die länger ist als ungefähr 10 s, bevorzugter länger als ungefähr 30 s und am meisten bevorzugt länger als ungefähr 2,0 min, um eine ausreichende Zeit zu ermöglichen, um ein NMR-Signal zu sammeln und ein Polarisationslesen zu erhalten.
4 stellt eine perspektivische Ansicht eines Leitungssystemdiagramms für eine bevorzugte Ausführungsform einer Hyperpolarisatoreinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie gezeigt ist, ist die NMR-Spule benachbart zu einem lateral intermediären Bodenabschnitt der Polarisatorzelle 22 positioniert (kann aber natürlich alternativ positioniert sein, solange wie sie innerhalb eines geeigneten homogenen Magnetfeldes ist). Die NMR-Spule 100 ist positioniert zwischen der Polarisatorzelle 22 an einem Ende und der Sekundärreservoirzelle 120 an dem anderen.
5 stellt ein elektrisches Blockdiagramm-Layout für eine bevorzugte integrierte Polarisationsüberwachungsausführungsform für die NMR-Spule 100 der vorliegenden Erfindung dar. Wie gezeigt ist, kann eine einzige einheitliche Detektionsschaltung 100D eingesetzt werden, um das Polarisationsniveau des Gases über die NMR-Spule 100 während des Herstellungszyklus zu überwachen, nämlich das Polarisationsniveau an der optischen (Polarisator-)Zelle 22P und das Polarisationsniveau des polarisierten Gases am Sekundärreservoir 120P. Diese Konfiguration ermöglicht derselben NMR-Spule, derselben Schaltung und Kabeln, zwei Gasstellen zu überwachen. Diese bestimmte Schaltung 100D kann das Schalten von Kabeln und Pulsparametereinstellungen eliminieren, die für den Betrieb nötig sind. Für zusätzliche NMR-Spulen, die in alternativen Stellen entlang des Herstellungsweges positioniert sind, wie in einer Region nach dem Sammeln, einer Region vor dem Abgeben oder an einer Position entlang des Ausgangsfließweges 113P in der Hyperpolarisatoreinheit 10, kann man physikalisch oder elektrisch Kabel oder einen anderen Betriebsschaltkreis schalten, um an der erwünschten Position zu erscheinen (siehe z.B. in 14 als 302S). Zum Beispiel kann in dem Fall eines festen ¹²⁹Xe (gefroren) ein unterschiedlicher NMR-Schaltkreis verwendet werden, um einen höheren Frequenzanregungspuls zu betreiben, wie weiter unten diskutiert werden wird.
Herkömmlicherweise, wie in dem unteren Diagramm der 13 gezeigt ist, nutzt NMR Heterodyn-Bildungs- oder Homodyn-Bildungstechniken, um das empfangene Signal mit einem Träger ähnlicher Frequenz zu mischen. Im Betrieb ergeben diese Techniken eine Summen- und Differenzfrequenz, wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird. Jedoch, außer ein Quadratur-(Zwei-Kanal-)Detektionsschema wird verwendet und das Signal wird Fourier-transformiert (FT) vor der Analyse, können ungenaue Signalmessungen folgen, insbesondere bei niedrigen Differenzzfrequenzen. Niedrige Differenzfrequenzen sind typischerweise nötig, um innerhalb der Bandbreite der Spulenantwort zu bleiben und die Kerne nahe ihrer Resonanzfrequenz zu pulsen. Dies kann problematisch sein, wenn versucht wird, das Signal zu analysieren und die Polarisation zu berechnen.
14 stellt eine geeignete NMR-Detektionsschaltung 100D des Stands der Technik dar, die modifiziert worden ist, um ein Schaltungsschaltmittel 302S hinzuzufügen. Allgemein beschrieben verwendet die NMR-Detektionsschaltung 100D ein Niedrig-Feld-Spektrometer oder einen Transmitter 302T, das/der umfasst eine Stromversorgung 310, einen Pulsgenerator 300 und einen Übertragungsverstärker 302. Eine Übertragungs/Empfangsleitung (111) verbindet die Spule 100 sowohl mit den Transmitter 302T als auch einen Empfänger 305R. Der gezeigte Empfänger 305R umfasst einen Empfangsverstärker 305 und einen Computer 309 und kann auch ein Filter 307 umfassen. Wie auch gezeigt ist, umfasst die NMR-Detektionsschaltung 100D auch bevorzugt Diodengates 209, um das Signal vom Transmitter zur Spule 100 oder von der Spule 100 zum Empfangsabschnitt der Schaltung 100D gemäß des Betriebsmodus der NMR-Detektionsschaltung zu leiten. In einer Ausführungsform kann die Schaltung 100D einen einzelnen Empfangsanalysator einsetzen, der einen Peak-zu-Peak-Detektor umfasst, der die Peak-Detektion in ein Polarisationsniveau und eine einfache Anzeige- oder Oszilloskopausgabe übersetzt (es erfordert keinen Computer, um die Polarisation zu bewerten oder zu messen).
Bevorzugt ist die NMR-Detektionsschaltung 100D konfiguriert, um die Notwendigkeit zu vermeiden, das empfangene Signal zu mischen. Stattdessen wird das empfangene Signal verstärkt, gefiltert und analysiert über FID (free induction decay) direkt. Diese direkte FID-Analyse ermöglicht eine nicht komplexe Einzelkanal-Detektion und reduziert vorteilhafterweise die Komplexität des Signalanalyse-Schaltkreises (keine komplizierten FTs). 13 zeigt einen graphischen Vergleich eines direkten Detektionsverfahrens mit einem typischen Mixed-down (Zwei-Kanal FID). Die ursprüngliche FID-Frequenz beträgt 75,1 KHz und die damit verbundene T₂* betrögt 5,16 ms. Die Mixed-down-FID-Frequenz beträgt 200 Hz. Beide Kanäle des Mixed-down-FID unterbewerten die Peak-zu-Peak-Amplitude des Signals. Weiteres Verstimmen kann mehr Oszillationen liefern, aber die Signalstärke kann verringert sein, weil der Anregungspuls weiter weg von der Resonanz der Spins angelegt wird. Das Direkt-Detektions-FID-Verfahren ermöglicht einen Betrieb direkt auf der Resonanz der NMR-Spule und der Spins. Viele der Oszillationen erfolgen vor dem Entphasen, so dass eine genauere Messung der Peak-zu-Peak-Amplitude durchgeführt werden kann.
Die Polarisation ist proportional zur Peak-zu-Peak-Amplitude des FID, wobei sie analysiert werden kann unter Verwenden von Cursern oder einem relativ kostengünstigen Peak-Detektionsschaltkreis. In diesem bevorzugten Verfahren erfolgen zahlreiche Zyklen in dem Direkt-Detektionsmodus, bevor die Abschwächung aufgrund von T₂* einsetzt. Demgemäß ist das Direkt-Detektionsverfahren genauer gegenüber herkömmlichen Mixed-down-FID-Messungen. Ferner kann man wegen der Eliminierung des Erfordernisses für Homodyn-Bildung direkt auf der Spulenantwortsresonanz arbeiten, was auch eine verbesserte Genauigkeit ermöglicht. Natürlich können andere Polarimetriekonfigurationen verwendet werden, wie es jenen Fachleuten bekannt ist. Siehe z.B. Saam et al., Low Frequency NMR Polarimeter for Hyperpolarized Gases, Jnl. of Mag. Res., 134, Seiten 67–71 (1998).
Wie in 14 gezeigt ist, ist es bevorzugt, daß die NMR-Detektionsschaltung 100D ein Hot-Carrier-Shottky-Dioden-Gate 209 einsetzt, das eine 0,25 V-Leitungsspannung besitzt. Dieser Typ von Dioden-Gate kann eine Störung verringern (Standard-Dioden-Gates in NMR sind 1N914A-Dioden mit Leitungsspannungen von ungefähr 0,6 V). Dies kann auch die Abfrage-Zeit einer NMR-Spule nach der Anregung auf ungefähr 0,2 ms reduzieren, wodurch ermöglicht wird, dass das FID ungefähr 3,5 ms früher als andere Überwachungssysteme für Hyperpolarisatoreinheiten geprüft wird. Es ist auch anzumerken, dass das Verwenden eines Dioden-Gates Signal-Leck-Probleme einführen kann. Das Dioden-Gate 209 umfasst zwei Dioden, die parallel mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden sind. In Betrieb ist eine der Dioden immer leitend (angenommen die Spannung liegt oberhalb des Diodenabfalls), ungeachtet des Zeichens der Spannung. Falls die Spannung unterhalb des Diodenabfalls ist, wirken beide Dioden, um jegliches Signal zu blockieren und vom Durchlaufen abzuhalten (d.h. sie wirken als ein Gate-Keeper). Wie in 14 gezeigt ist, wirken die Dioden-Gates 209, um kleine Signale von der Spule 100 (ein Signal mit einer Spannung, die unterhalb des Diodenspannungsabfalls liegt) zum Empfänger 305R zu senden, eher als zurück in den Transmitter 302T. Jedoch wirken während der Übertragung der Pulse (bei Spannungen viel größer als der Diodenspannungsabfall), die Dioden-Gates 209 als ein Leiter für die Spule 100.
Wie auch in 14 gezeigt ist, setzt die NMR-Detektionsschaltung 100D einen einzelnen festen Kondensator 213 zum Abstimmen einer entsprechenden NMR-Spulenschaltung 200 ein. NMR-Spulenschaltungen 200 werden typischerweise „abgestimmt" durch Setzen einen Kondensators „C" parallel zur Anregungsspule (die eine damit verbundene Induktanz „L" besitzt). Die Spulenschaltung ist in Resonanz bei einer Frequenz „f" und kann deshalb die Antwort auf Signale an oder nahe jener Frequenz verstärken, während sie auch eine verringerte Antwort auf Rauschen ausserhalb ihrer Frequenzbandbreite besitzt. In typischen NMR-Schaltungen werden eine Reihen-/parallele Kombination von einstellbaren Kondensatoren verwendet, um die Schaltung auf die Resonanz abzustimmen und eine Impedanz von 50 Ohm zu besitzen (typischerweise erforderlich für Hochfrequenzbetrieb). Dieser Typ von Kondensatorkonfiguration kann wiederholte und sorgfältige Einstellungen an derselben erfordern, um eine genau abgestimmte Schaltung sicherzustellen. So ist es bevorzugt, dass ein einzelner Hochpräzisions-Festwertkondensator in der NMR-Detektionsschaltung 100D verwendet wird, um die NMR-Spulen, die hier beschrieben sind, abzustimmen. Dies wird ausgeführt durch auch Verwenden des Dioden-Gates 209 und niedriger Betriebsfrequenzen (ungefähr 1 bis 400 kHz) in der NMR-Detektionsschaltung 100D.
Fließweg-Überwachungsspule
6 stellt eine alternative Hyperpolarisatoreinheit 10 mit zwei getrennten NMR-Spulen 100, 150 dar. Wie in 7A gezeigt ist, ist die zweite NMR-Spule 150 vorteilhafterweise entlang dem Fließweg 122 nach dem Polarisator oder der optischen Zelle oder benachbart zum Zellenausgangsanschluss 22b positioniert. Diese Positionierung kann ein zuverlässigeres Niveau der Polarisation des Gases liefern als es tatsächlich aus der Zelle 22 austritt, eher als das Niveau, das herkömmlicherweise durch NMR-Spulen überwacht wird, die typischerweise unterhalb des Zentrumsabschnitts der optischen Zelle montiert sind. Obwohl die herkömmliche Konfiguration gute Ablesungen ohne Fluss und während des Flusses ergeben, ist das Gas, das über die Spule läuft, typischerweise nicht voll polarisiert im Vergleich zu dem Niveau, das es erhalten sollte, wenn es schließlich aus dem Ausgangsanschluss der optischen Zelle fließt. So kann die Position einer NMR-Spule 150 benachbart zum Polarisatorzellenauslass 22b ein NMR-Signalniveau ergeben, das dem Fluss des Gases, wie es aus der Polarisatorzelle 22 austritt, entspricht, und kann so einen verbesserten Herstellungssteuerungs-Messparameter für das Polarisationsniveau des Gases, das an diesem Prozessfließpunkt erreicht wurde, bereitstellen. Obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer optischen Zelle 22 eines im wesentlichen kontinuierlichen Xenon-Flusses gezeigt, kann diese Fließwegüberwachung natürlich auch verwendet werden mit Hyperpolarisatoren eines diskontinuierlichen Modus (typischerweise verwendet, um hyperpolarisiertes ³He herzustellen). Dies kann eine günstige NMR-Spulenmessung vor dem Abgeben, aber in dem Gasausgangsfließweg benachbart zur Polarisatorzelle 22 ermöglichen.
7B veranschaulicht eine Herstellungstechnik zum Einschließen einer derartigen Überwachungsspule 150 auf dem Zellenausgangsschenkel 22b benachbart zum Hauptzellenkörper. Wie von einem Fachmann anerkannt werden wird, ist die Polarisatorzelle 22 typischerweise von einem bewanderten Techniker des Bildens aus geschmolzenem Glas gebildet. So wird der Glaskörper typischerweise gebildet und dann werden die Schenkel darin gebildet, um die optische Zelle 22 zu bilden. Um eine NMR-Spule 150 entlang des Glaskörpers 119B benachbart zum Ausgangsanschluss 22 zu positionieren, kann der herkömmliche Herstellungsprozess geändert werden, wie in 7B gezeigt ist. In diesem Verfahren wird der Glaskörper 119B gebildet und ein oberer Abschnitt des Schenkels 119L (die oberen und unteren Abschnitte 119L1, 119L2, die den Ausgangsschenkel 122 definieren) wird gebildet (geblasen). Als nächstes wird die NMR-Spule 150 über den teilweise gebildeten Schenkel 119L1 geschoben und positioniert, um sich oberhalb des unteren Abschnitts des Schenkels 119L2 zu erstrecken, der den erweiterten Abschnitt und die Leitungssystemanbringungen 28 umfasst, um die NMR-Überwachungsspule 150 der optischen Zelle wie in 7A gezeigt bereitzustellen. Alternativ kann die NMR-Spule 150 an einem Zellenkörper an einer Ausgangsaperturregion angebracht werden und ein einzelner integraler Schenkel 122 kann angebracht oder durchgezogen werden (nicht gezeigt).
Die NMR-Überwachungsspule 150 ist bevorzugt konfiguriert mit einer zentralen Apertur, die in der Größe bemessen ist, um etwas größer zu sein als der Außendurchmesser des Schenkels 221, so dass die NMR-Spule 150 über den Schenkel gleiten kann und positioniert werden kann benachbart zum primären Körper der optischen Zelle, während sie auch in der Größe bemessen und konfiguriert ist, um sicher daran gehalten zu werden. Der Glaskörper 119B und die Schenkel 119L1, 119L2 können aus PYREX^® gebildet sein. Alternativ können der Körper und die Schenkel aus Materialien gebildet sein, die im wesentlichen nicht-paramagnetisch und nicht-leitend sind, wie Alumosilikate und dergleichen.
Im Betrieb ist es bevorzugt, dass für NMR-Spulen 150, die entlang des Ausgangsfließwegarms der Zelle 22 positioniert sind, der Fluss des hyperpolarisierten Gases zeitweilig beendet oder verlangsamt wird, während das Polarisationsmesssignal in der NMR-Spule 150 erhalten wird, um eine ausreichende Menge des polarisierten Gases benachbart zur NMR-Spule 150 zu halten, während das FID-Signal erhalten wird. Zum Beispiel lässt man Xenongas bei einer erwünschten Fließgeschwindigkeit durch die Polarisatorzelle 22 und aus dem Ausgangsanschluss 22b laufen. Die Ventile können zeitweilig geschlossen werden, um den Fluss des polarisierten Gases aus dem Ausgangsanschluss 22b zu beenden, das NMR-Signal über die NMR-Spule auf dem Auslassarm 150 zu empfangen und den Fluss des polarisierten Gases wieder aufzunehmen. Dieser Fluss-Unterbrechungs-Zeitzyklus ist bevorzugt kurz, wie unter 10 Sekunden. Natürlich kann auch eine Abflussleitung (nicht gezeigt) in Fluid-Verbindung mit dem Ausgangsanschluss 22b positioniert sein und verwendet werden, um eine kleine Menge des polarisierten Gases zu einer im Prozess integrierten Mess-NMR-Spule (wie die NMR-Spule einer dualen Symmetrie oder eine andere getrennte NMR-Spule (nicht gezeigt)) in einer homogenen Feldregion des Hyperpolarisators für ein im Prozess integriertes Fluss-Ablesen zu leiten, wobei so nicht erforderlich ist, dass der Fluss für eine zuverlässige Fließwegmessung unterbrochen wird. Alternativ kann die NMR-Spule 150 die Zelle selbst berühren und konfiguriert und in der Größe bemessen sein um die Zelle, um eine zuverlässige Information über die Polarisation des Gases, wenn es sich dem Zellenausgang nähert, bereitzustellen. Natürlich können auch andere Fließweg-NMR-Spulenkonfigurationen verwendet werden, wie ein anderes Leitungssystem oder andere Ventil-Konfigurationen, um eine ausreichende Menge von Gas in den Fließweg zu leiten und einzufangen, um die Polarisation des Gases in dem Fließweg zu messen. Vorteilhafterweise kann eine Signalinformation, die für die Polarisation des fließenden Gases repräsentativ ist, eine präzisere Einstellung von Prozessparametern (wie in dem Betrieb der optischen Zelle) und Echt-Zeit-Prozess-Information ermöglichen.
Obwohl die 6 den Hyperpolarisator 10' mit sowohl der NMR-Überwachungsspule 150 als auch der Spule 100 einer dualen Symmetrie darstellt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Z.B. kann der Hyperpolarisator 10' alternativ konfiguriert sein, nur mit der NMR-Überwachungsspule 150 am Auslassarm und/oder mit der NMR-Überwachungsspule 150 räumlich versetzt sein, um an einer unterschiedlichen Position entlang des Ausgangsschenkels der optischen Zelle montiert zu sein.
Tieftemperatur-Überwachung
8 stellt eine noch andere Ausführungsform einer Hyperpolarisatoreinheit 10'' gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Ausführungsform umfasst die Hyperpolarisatoreinheit 10'' eine Tieftemperatur-NMR-Überwachungsspule 175. Wie gezeigt ist, ist die Überwachungsspule 175 bevorzugt in der Hyperpolarisatoreinheit 10'' positioniert, um die Polarisation des aufgefangenen, d.h. gefrorenen (vereisten) polarisierten Gases zu überwachen. Weil diese Überwachungsspule 175 extremen Bedingungen (Tieftemperaturen) ausgesetzt werden kann, ist es bevorzugt, dass die NMR-Überwachungsspule 175 aus Körper- und Leitungsmaterialen gebildet ist, die für dieselben geeignet sind. Ein Beispiel eines geeigneten Drahtes ist ein thermoplastischen beschichteter Kupferdraht, andere geeignete Materialien umfassen Ultem^®-, Nylatron^®- oder Torlon^®-Polymere und dergleichen. Natürlich wird der Widerstand der Drähte bei den niedrigeren Temperaturen verringert sein und die NMR-Detektionsschaltung 100D'' ist bevorzugt konfiguriert, um einer temperaturinduzierten Varianz Rechnung zu tragen. Der niedrigere spezifische Widerstand des Drahtes kann das „Q" dieser Schaltung verbessern, aber, wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird, ist der niedrigere spezifische Widerstand typischerweise unwesentlich, wenn er mit der Zwischen-Draht-Kapazität in Niedrig-Feld-Anwendungen verglichen wird (die das „Q" der Schaltung dominiert). Das heißt, die NMR-Spulen der vorliegenden Erfindung setzen zahlreiche Wicklungen (typischerweise 100–300) im Vergleich zu ein paar Windungen eines Drahts auf einer Spule für typische Hoch-Feld-Anwendungen ein (wo das „Q" durch den spezifischen Drahtwiderstand dominiert sein kann).
Die Tieftemperatur-NMR-Überwachungsspule 175 kann auf verschiedene Arten konfiguriert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist, wie in 9 gezeigt, die NMR-Spule 175 als ein Solenoid konfiguriert, das um die Auffangkammer des Kühlfingers 30 positioniert ist. Wie in 9A gezeigt ist, ist die NMR-Spule 175 als ein Solenoid 175a konfiguriert (im Gegensatz zu dem Oberflächenspulentyp 175b, der in 10 gezeigt ist), um sich um einen unteren Abschnitt des Äußeren des Kühlfingers 30 oder die Auffangkammer selbst zu wickeln. Bevorzugt kann das Solenoid 175a konfiguriert und in der Größe bemessen sein, um sich am und nahe des Äußeren des Kühlfingers derart zu erstrecken, dass es sich benachbart zu im wesentlichen dem gesamten Eisreservoir oder der Halteregion der Auffangkammer (d.h. der Region, in der das gefrorene Gas positioniert ist) erstreckt.
Wie jenen Fachleuten gut bekannt ist, ist, damit die NMR-Messung genau arbeitet, die Magnetfeldquelle bevorzugt konfiguriert, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das transversal orientiert ist (senkrecht oder in der Normale) zur Richtung des Feldes, das mit dem Pulsen der entsprechenden NMR-Spule verbunden ist. Deshalb ist die Magnetfeldquelle, die betreibbar verbunden ist mit der Tieftemperatur-NMR-Spule 175 (ob Permanentmagneten 40 oder Elektromagneten 40'), konfiguriert, um das genau ausgerichtete Magnetfeld wie auch einen ausreichenden Grad von Homogenität für die NMR-Messung zu erzeugen.
9 stellt die Magnetfeldquelle für die Tieftemperatur-NMR-Spule 175 als ein Set von Permanentmagneten 40 dar. Jedoch kann die Magnetfeldquelle auch konfiguriert sein als ein Elektromagnet oder Solenoid 400 und positioniert sein, um räumlich getrennt zum Kühlfinger 30 dazwischen um die untere Region des Kühlfingers positioniert zu sein, die das gefrorene Gas hält. In Betrieb ist die Größe der Magnetfeldquelle (gezeigt z.B. als Permanentmagnet 40 in 9 und als Elektromagnet 400 in 11) bevorzugt konfiguriert, um ein im wesentlichen festes oder konstantes Magnetfeld niedrigen Niveaus von mindestens ungefähr 0,05 T (500 G) derart zu erzeugen, dass die Resonanzfrequenz von ¹²⁹XE bei ungefähr 589 kHz liegt. Ermöglicht man ungefähr 300 pF Kapazität in der Signalmess-/Detektionsschaltung, um das aufgefangene gefrorene Gas in Resonanz zu bringen, ist es bevorzugt, dass die NMR-Spule 175a mit einer Induktivität von ungefähr 0,24 mH oder weniger konfiguriert ist. Zusätzlich ist es, weil das Magnetfeld im wesentlichen fixiert ist, bevorzugt, dass die Messungs- oder Detektionsschaltung abstimmbar ist mit einer variablen Kapazität, um das Abstimmen einzustellen, um die Larmorfrequenz des gefrorenen ¹²⁹Xe zu treffen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die auf Kühlmittel basierende NMR-Spule 175a und die damit verbundene Detektionsschaltung mit einer Kapazität, die eine abstimmbare Menge von ungefähr 0–100 pf, und ungefähr 100 pf aufgrund der Verkabelung oder der Verdrahtung umfasst, und einem ungefähr 100 pF-fixierten Kondensator konfiguriert. Bevorzugt ist die NMR-Spule 175a derart in der Größe bemessen, dass sie die gesamte ¹²⁹Xe-Eisauffangregion abdeckt (sich darum erstreckt). Zum Beispiel kann eine NMR-Spule 175a mit einer Windungslänge von ungefähr 2 cm und einem Radius von ungefähr 1 cm geeignet sein. In diesem Beispiel werden ungefähr 220 Windungen eines Drahtes ungefähr 0,24 mH Induktivität bereitstellen.
Im Betrieb ist das angelegte statische Magnetfeld (B₀) orientiert, um senkrecht oder in der Normalen zum NMR-Spulen-RF-Feld (B₁), das durch die NMR-Spule bereitgestellt wird, zu sein. So ist, falls B₀ transversal ist, B₁ axial, oder falls B₀ axial ist, B₁ transversal. Zur Klarstellung bedeutet die axiale Richtung die Richtung, die parallel oder co-linear mit dem aufrechten Kühlfinger 30 ist (gezeigt in Position in 10 und 11).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird, um ein transversales Magnetfeld B₀ zu erzeugen, ein Paar gegenüberliegender keramischer Magnete verwendet wie oben beschrieben, und das entsprechende B₁ ist so axial und wird über eine NMR-Spule 175a, die als ein Solenoid konfiguriert ist, angelegt. Jedoch, wie es jenen Fachleuten bekannt ist, kann eine Elektromagnetspule 40' (wie ein Helmholtz-Paar) auch konfiguriert sein, um ein transversales statisches Magnetfeld B₀ zu erzeugen. Eine andere Alternative ist es, ein transversal orientiertes Solenoid für das statische Feld mit einem axial orientierten B₁ zu verwenden, das mit der NMR-Spule 175a, wie sie schematisch in 11 gezeigt ist, verbunden ist. Elektromagnet-Konfigurationen, die geeignete axiale Felder bereitstellen, umfassen ein relativ großes Solenoid für ein axiales B₀ (wie ein 20–30 cm langes und 10 cm im Durchmesser) und ein kleines Solenoid verbunden mit dem B₁ der NMR-Spule (wie ein 2 cm langes und 2 cm im Durchmesser).
In herkömmlichen Tieftemperatur-Sammlern wird die typische Magnetfeldstärke, die das gefrorene gesammelte polarisierte Gas umgibt, durch eine Permanentmagnetenanordnung bereitgestellt, die ein relativ niedriges Feld und ein nicht besonders homogenes Magnetfeld erzeugt. Die dadurch erzeugte Homogenität ist geeignet für gefrorenes Gas, das nicht besonders empfänglich für Magnetgradienten ist, aber unglücklicherweise ist die in der Vergangenheit verwendete Permanentmagnetenanordnung im allgemeinen nicht homogen genug für eine empfindliche und/oder Präzisions-NMR-Messung. Siehe z.B. US-Patent Nr. 5,809,801 für Cates et al. für mehr Details des Tieftemperatur-Permanentmagnetenjochs.
Deshalb ist es in einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 10 gezeigt, wenn eine Permanentmagnetenanordnung mit dem Tieftemperatur-NMR-Spulen-Monitor 175 versehen ist, bevorzugt, dass die Permanentmagnetenanordnung 40' modifiziert ist, um ausserhalb des Kühlmittelbads 43 zu passen. Bevorzugt ist die Permanentmagnetenanordung 40' in der Größe bemessen und konfiguriert, um ein Magnetfeld von 1–2000 Gauss (1 × 10^–4 T bis 0,2 T), bevorzugter ungefähr 50 bis 1000 Gauss (0,005 T bis 0,1 T) zu erzeugen, und noch bevorzugter ungefähr 500 bis 1000 Gauss (0,5 T bis 0,1 T). Es ist auch bevorzugt, dass das Magnetfeld eine homogene Region besitzt, die ausreichend ist, um sich über den unteren Abschnitt des Tieftemperaturabteils zu erstrecken. Bevorzugt ist die Homogenität ausreichend hoch, so dass eine Gradienten-induzierte T₂* länger ist als die T₂ des Eises. Zum Beispiel länger als ungefähr 1 ms, was die intrinsische T₂ ist, die assoziert ist mit festem ¹²⁹Xe bei 77 K. Siehe Yen et al., Nuclear Magnetic Resonance of 129Xe in Solid and Liquid Xenon, Phys. Rev. 131, 269–275 (1963).
Bevorzugt, und um eine ausreichende Homogenität zu erhalten, ist die Permanentmagnetenanordnung 40 mit einem physikalisch größeren Magnetenaufbau relativ zu jenem konfiguriert, der für die Tieftemperatur-Kühlfinger-Sammlung in der Vergangenheit verwendet wurde. Zum Beispiel ist es eine Konfiguration, ungefähr 20 cm-Durchmesser-Magneten (Scheiben) mit Magnetpolen einzusetzen, die über dem Dewar oder dem Badbehälter des flüssigen Kühlmittels durch eine Trennentfernung von ungefähr 8 cm getrennt sind, was ungefähr ein 500 Gauss-(0,05 T)Feld mit ausreichender Homogenität um die erwünschte Region bereitstellen kann. Anders ausgedrückt ist ein Set einzelner Permanentmagneten 40 gegenüber dem anderen quer zur Aussenwand des Dewar-Kolbens oder Kühlmittelbadbehälters 43 derart positioniert, dass die diametral gegenüberliegenden Permanentmagneten 40 eine diametrale Trennung von ungefähr 8 cm (3 in) besitzen. Alternativ können die Permanentmagneten 40 eine Reihe von keramischen Magneten eines stärkeren Feldes sein (die letzteren können die Feldstärke, die durch sie selbst erzeugt wird, vergrößern).
Wie in 10 gezeigt ist, können die Permanentfeld-Scheibenmagneten 40 durch ein strukturelles Joch 401 ausgerichtet werden und/oder können eine Flussumkehr umfassen. Wie durch einen Fachmann anerkannt werden wird, kann eine Flussumkehr die Feldstärke dieser Anordnung vergrößern, während sie auch die Interferenz von magnetischem Streufluss minimiert. Die Flussumkehr kann konfiguriert sein als ein weiches Eisenmaterial. Alternativ, anstelle eines Jochs 401, können die Magneten 40 selbst an der Aussenwand des Kühlmittelbehälters oder Kolbens 42, der das Kühlmittelbad 42 hält, gesichert oder auf andere Weise getragen sein, um die erwünschte räumliche Trennung und Ausrichtung bereitzustellen. Natürlich, wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird, können andere Magnetgeometriekonfigurationen verwendet werden, um eine geeignete Magnetfeldstärke und Homogenität bereitzustellen.
10 stellt auch eine Sammler- und Magnetenanordnung 230 dar. Der Sammler 30 wird getragen von einer Trägerplattform 210, die über dem Kühlmittelbad 43 positioniert ist. Die Magnete sind durch eine Entfernung „D" getrennt und positioniert außen am Kühlmittelbad 43. Wie oben diskutiert beträgt die Trennentfernung „D" mindestens ungefähr 8 cm für eine Magnetscheibe mit ungefähr 20 cm Durchmesser. Ein Paar von Platten 215 erstreckt sich longitudinal von der Trägerplattform 210 und ist verbunden mit dem Boden der Halteanordnung 275, die in der Größe bemessen ist, um die NMR-Spule 175b zu halten, um mit dem Boden des Auffangreservoirs 75 des Sammlers 30 in Kontakt zu stehen, um das erwünschte Magnetfeld dem aufgefangenen polarisierten Gas bereitzustellen. So umfasst der Sammler 30 einen Trägerkontaktabschnitt 211, der konfiguriert ist, um gegen die Trägerplattform 210 zu ruhen und besitzt ein seitliches Trägerelement 215a, das sich erstreckt, um den oberen Abschnitt des Auffangreservoirs 75 zu halten. In jedem Fall ist der Sammler 30 bevorzugt in dem Kühlmittelbad 43 derart eingetaucht, dass das Reservoir 75 und ungefähr 3–6 Inch (7,5–15 cm) des Rohrs eingetaucht sind. Falls eingetaucht in flüssigen Stickstoff, wird die externe Wand der äußeren Hülse 103 und die externe Wand oder das Reservoirs 75 auf ungefähr 77°K sein. Der Gefrierpunkt von Xenon beträgt annähernd 160°K. So trifft, beim Anregen des primären Fließweges 80 das hyperpolarisierte Gas auf die kalte Oberfläche und friert in dem Reservoir 75 ein, während die Puffergase aus dem Sammler über einen Ausgangskanal 90 (nicht gezeigt) austreten. Das Reservoir 75 kann eine Beschichtung umfassen, um zu helfen, die Relaxation zu verhindern, die durch den Kontakt des polarisierten Gases mit demselben verursacht wird. 11 stellt die NMR-Spule 175c alternativ konfiguriert und positioniert als eine Solenoid-Typ-Anregungsspule dar, die sich um ungefähr die Länge „L" des Sammelkolbens oder des Reservoirs 75 erstreckt, und ist bevorzugt konfiguriert, um mit dem Äußeren desselben (ein in Kühlmittel eingetauchter Abschnitt) des Reservoirs 75 in Kontakt zu stehen oder sich in dessen nahe Nachbarschaft zu erstrecken.
9 stellt eine Hyperpolarisatoreinheit 10''' mit einem Mehrfach-Punkt-Polarisations-Überwachungssystem dar. Diese Ausführungsform umfasst die erste NMR-Spule 100, die benachbart zur optischen Quelle 22 und dem Sekundärreservoir 120 positioniert ist, wobei die zweite NMR-Überwachungsspule 150 benachbart zum optischen Zellausgang 22 positioniert ist, und die dritte Tieftemperatur-NMR-Überwachungsspule 175 positioniert ist, um die Polarisation des gefrorenen Gases zu überwachen. 9 stellt auch einen evakuierten Beutel oder ein Gefäß 525 dar, der/das an dem Abgabeauslass 50 angebracht ist, und den zweiten Fließweg 115 in Fluidkommunikation mit dem austretenden Gasfließweg nahe dem Gasabgabeanschluss 50. 12 stellt schematisch eine Hyperpolarisator-Detektionsschaltung für ein Mehrfach-NMR-Spulen-Überwachungssystem dar.
Obwohl besonders geeignet für bei Tieftemperatur gesammeltes ¹²⁹Xe, kann das vorliegende Mehrfach- oder Dual-Polarisations-Überwachungsverfahren auch erfolgreich eingesetzt werden auf einem Hyperpolarisator, der mit anderen hyperpolarisierten Edelgasen, wie ³He verwendet wird.
Bevorzugt sind die NMR-Spulen 100, 125, 175 der vorliegenden Erfindung Hoch-Präzisions-NMR-Spulen. D.h. es ist bevorzugt, dass die NMR-Spulen entworfen und hergestellt sind in einer zuverlässigen und im wesentlichen konsistenten Weise (wie in Bezug auf gesteuerte Toleranz und gesteuerte Herstellungsprozesse, bevorzugt auf 6 Sigma-Herstellungsstandards). Dies ermöglicht, dass der Hyperpolarisator einen Kalibrationsstandard etabliert, der im wesentlichen derselbe ist für eine besondere Position auf dem Hyperpolarisator über Ersatzmodule.
Betrieb
Eine „T₁"-Zerfallskonstante, die mit der longitudinalen Relaxationszeit des hyperpolarisierten Gases verbunden ist, wird oft verwendet, um die Länge der Zeit zu beschreiben, die man benötigt, um eine Gasprobe in einer gegebenen Situation zu depolarisieren. Wie oben angemerkt, ist die Handhabung des hyperpolarisierten Gases kritisch wegen der Empfindlichkeit des hyperpolarisierten Zustands gegenüber Umwelt- und Handhabungsfaktoren und dem Potential für unerwünschten Zerfall des Gases von seinem hyperpolarisierten Zustand vor dem geplanten Endverbrauch, d.h. Abgabe an einen Patienten zur Bildgebung. Verarbeiten, Transportieren und Lagern der hyperpolarisierten Gase – wie auch Abgeben des Gases an den Patienten oder Endverbraucher – kann die hyperpolarisierten Gase verschiedenen Relaxationsmechanismen aussetzen, wie Magnetgradienten, Kontakt-induzierte Relaxation, Wechselwirkungen von hyperpolarisierten Gasatomen mit anderen Kernen, paramagnetische Verunreinigungen und dergleichen.
Es wird nun auf 14 Bezug genommen, allgemein beschrieben wird ein ausgewählter RF-Anregungspuls (von vorbestimmter Frequenz, Amplitude und Dauer) von einem Pulsgenerator 300 über einen Verstärker 302 durch einen Satz von Diodengates 209 zur Oberflächenspule 100 übertragen. Der übertragene Anregungspuls regt die Probe 250 des hyperpolarisierten Gases (oder gefrorenen Gases) an. Die Schaltung 100D kann ein Schaltmittel 302S umfassen (elektrisch, mechanisch oder Programm/Software-gerichtete Schalter), um zwischen den unterschiedlich lokalisierten Detektionsspulen im Herstellungszyklus zu schalten. Alternativ oder zusätzlich zu den Schaltmitteln 302S kann für Hoch-Frequenz-Eismessungen eine alternative Transmitter 302T-Schaltung eingesetzt werden. Natürlich können auch eine alternative Empfangsschaltung oder zusätzliche Komponenten, die damit verbunden sind, eingesetzt werden (nicht gezeigt).
Das hyperpolarisierte Gas 250 antwortet auf den Anregungspuls, der ein Antwortsignal zurück zum Empfänger 305R durch einen Verstärkter 305 (gegebenenfalls gefiltert) und dann zu dem einen Computer-angetriebenen Abfragesignalanalysator 309 induziert. So wird ein Antwortsignal entsprechend der Antwort des Gases auf den Anregungspuls empfangen. Das empfangene Signal wird analysiert (bevorzugt peak-to-peak, direkte FID-Detektion), um die Polarisation des hyperpolarisierten Gases zu bestimmen. Günstigerweise erfordert die relativ nicht- komplexe Analyse keinen Computer oder einen komplexen Signalprozessor, sondern kann stattdessen eine Peak-Detektor-Analyseschaltung einsetzen.
Bevorzugt ist der Anregungspuls ein RF-Puls mit einer ausgewählten Pulszeit und -frequenz, die der Stärke des Magnetfeldes und dem besonderen hyperpolarisierten Gas entspricht. Bevorzugt sind die für die ³He-Gasphase verwendeten Frequenzen ungefähr 75 kHz (mit einem statischen Magnetfeld von ungefähr 2,34 × 10^–3 T (23,4 G)) oder mehr (mit einer damit verbundenen Änderung in der Magnetfeldstärke). Eine alternative bevorzugte Frequenz ist ungefähr 24 kHz, wobei die Frequenz für gasförmiges ¹²⁹Xe auch bevorzugt ungefähr 24 kHz beträgt (wobei die Frequenz der gefrorenen Phase vergrößert ist, d.h. eine höhere Frequenz ist als die Gasanregungs-Pulsfrequenz). So kann 24 kHz für sowohl ¹²⁹Xe als auch ³He verwendet werden. Weil ³He ein größeres magnetisches Moment (2,7 mal) verglichen mit ¹²⁹Xe hat, ist das Magnetfeld, das für ³He verwendet wird, typischerweise kleiner bei einer ähnlichen Frequenz. So wird für 24 kHz ungefähr ein 2 × 10^–3 (2,04 × 10^–3) T (20 (20,4) G) bevorzugt verwendet für ¹²⁹Xe, während ungefähr ein Feld von 7 × 10^–4 (7,5 × 10^–4) T (7,5) G) für ³He verwendet wird. Die ¹²⁹Xe-Resonanzfrequenz ist proportional zur Feldstärke mit dem bekannten Verhältnis von 1,18 kHz/G; so beträgt, wie angemerkt, für ein Feld von 2 × 10^–3 T (20 G) die Frequenz ungefähr 24 kHz, während für ein Feld von 0,05 T (500 G) eine geeignete Frequenz für gasförmiges Xenon ungefähr 600 kHz beträgt. Die höhere Detektionsfrequenz, die bevorzugt für das ¹²⁹Xe-Eis (Gas der gefrorenen Phase) verwendet wird, steht in Zusammenhang mit der Tatsache, dass T₁ länger ist bei 5 × 10^–2 T (500 G). Deshalb ist für einen Mehrfach-Punkt-Prozess-Überwachungshyperpolarisator die NMR-Detektionsschaltung 100D (12) bevorzugt konfiguriert, um einen ersten Puls bei einer ersten Frequenz (f₁) für die NMR-Spulen 100, 125 und einer zweiten höheren Frequenz (f₂) für die im Eis positionierte NMR-Spule 175 zu übertragen. In jedem Fall erzeugt der RF-Puls ein oszillierendes Magnetfeld, das eine kleine Fraktion der Kerne des hyperpolarisierten Gases (d.h. ³He oder ¹²⁹Xe) aus ihrer Ausrichtungsposition des statischen Magnetfeldes fehlausrichtet. Die fehlausgerichteten Kerne beginnen an ihrer damit verbundenen Larmor-Frequenz (entsprechend der Pulsfrequenz) zu präzessieren. Die präzessierenden Spins induzieren eine Spannung in der NMR-Oberflächenspule 100. Die Spannung wird zurückempfangen (typischerweise verstärkt) und das Signal ist ein FID-Signal. Die anfängliche Peak-zu-Peak-Spannung dieses Signals ist direkt proportional zur Polarisation (unter Verwenden einer bekannten Kalibrationskonstante). Saam et al. umfasst eine weitere Diskussion über einen Weg, Kalibrationsstandards zu etablieren. Siehe Saam et al., supra.
Bevorzugt umfasst jede der NMR-Spulen-Ausführungsformen 100, 150, 157, die hier beschrieben sind, eine Input-Output-Leitung, wie eine einzelne Koaxial-Signalleitung (handhabt beide Übertragungs/Empfangssignale) 111 (8), die betreibbar mit den Transmitter-302T- und Empfänger-302R-Abschnitten der Detektionsschaltung 100D (14) verbunden ist. Im Betrieb wird der Pulsgenerator 309 bevorzugt konfiguriert sein, um eine vergrößerte Signalfrequenz für das Eis bereitzustellen und zu arbeiten unter Erkennen, dass die T₂* des Eises gegenüber jener des Gases verringert sein wird.
Der Anregungspuls der vorliegenden Erfindung ist derart ausgewählt, dass er zuverlässig das Niveau der Polarisation bestimmt, während das Gas minimal depolarisiert wird. Die optimale Pulsspannung hängt von mehreren Faktoren ab. Bevorzugt ist für die Messung des über Eis eingefangenen hyperpolarisierten Gases die NMR-Spule 175a konfiguriert, um im wesentlichen das gesamte eingefangene gefrorene (Eisphase) hyperpolarisierte Gas in dem Kühlfinger 30 zu umfassen. Im Betrieb werden eine Mehrzahl von Pulsen mit extrem kleinen Flip-Winkeln verwendet, um das gefrorene Gas anzuregen. Wie hier verwendet bedeutet „extrem klein" Pulswinkel von weniger als ungefähr 5° und bevorzugt im Bereich von ungefähr 1–2°. Die extrem kleinen Puls-Flip-Winkel minimieren den Depolarisationseffekt der Signalmessung auf das Gas/Eis. Dies wird der Beziehung zwischen dem Flip-Winkel, der mit dem Anregungspuls verbunden ist, und der zurückgehaltenen Polarisation zugeschrieben. Der Signal-pro-Puls-Flip-Winkel ist proportional zum Sinus des Pulswinkels (theta), während die zurückgehaltene Magnetisierung proportional ist zum Kosinus des Puls-Flip-Winkels (theta). Zum Beispiel beträgt für einen Puls-Flip-Winkel von ungefähr 2° der Kosinus von theta 0,994. Deshalb sollte, sogar falls 10 (2)° Flip-Winkel-Pulse von der Probe aufgenommen wurden, dies die Probe mit ungefähr 99,3% der ursprünglichen Magnetisierung zurücklassen und minimal die ursprüngliche Signalstärke, die mit der nicht gemessenen Polarisation des hyperpolarisierten gefrorenen Gases verbunden ist, beeinflussen. So sind extrem kleine Flip-Winkel bevorzugt, weil man ein wesentliches Signal von dem gefrorenen oder vereisten Gas erwarten kann und das Signal relativ stark ist, sogar mit diesem kleinen Flip-Winkel, weil es sowohl eine Hyperpolarisation als auch die hohe Dichte eines Festkörpers gibt (die feste Phase stellt ungefähr einen 1000-maligen Anstieg über Gasphasendichten bereit). Bei einer Frequenz von ungefähr 589 kHz und Einsetzen der 220-Windungs-Spule 175a mit einer Induktivität von ungefähr 0,24 mH, wie in einer bevorzugten Ausführungsform für die NMR-Spule 175a (9A) oben diskutiert wurde, und unter Verwenden eines 1 V-Pulses, wird ungefähr 2° des Flip-Winkels in der vereisten Probe erhalten.
Das vorstehende ist veranschaulichend für die vorliegende Erfindung und darf nicht als diese begrenzend verstanden werden. Obwohl ein paar beispielhafte Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben worden sind, werden jene Fachleute leicht anerkennen, dass viele Modifikationen in den beispielhaften Ausführungen möglich sind, ohne materiell von den neuen Techniken und Vorteilen dieser Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass alle derartigen Modifikationen innerhalb des Umfangs dieser Erfindung wie in den Ansprüchen definiert eingeschlossen sind. In den Ansprüchen dienen Ausdrücke funktionaler Merkmale dazu, die hier beschriebenen Strukturen als die genannte Funktion ausführend und nicht nur strukturelle Äquivalente sondern auch äquivalente Strukturen abzudecken. Deshalb muss verstanden werden, dass das Vorstehende veranschaulichend für die vorliegende Erfindung ist und darf nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen begrenzt verstanden werden, und jene Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen, wie auch andere Ausführungsformen sind als innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche eingeschlossen beabsichtigt. Die Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Hyperpolarisator zum Herstellen von polarisierten Edelgasen, umfassend: eine optische Pumpzelle (22) mit einem Einlaßanschluß für nicht-polarisiertes Gas und einen Auslaßanschluß für polarisiertes Gas; eine Magnetfeldquelle (500), die betreibbar mit der optischen Pumpzelle verbunden ist, wobei die Magnetfeldquelle konfiguriert ist, um einen Bereich von Homogenität bereitzustellen; einen Sammler (30) in Fluid-Verbindung mit dem Auslaßanschluß der optischen Pumpzelle; einen Auslaß (50) zum Abgeben des polarisierten Gases in Fluid-Verbindung mit dem Sammler (30) über einen Ausgangsfließweg (113a, 114) des polarisierten Gases, der sich zwischen dem Sammler (30) und dem Auslaß (50) zum Abgeben des polarisierten Gases erstreckt; eine NMR-rf-Spule (100) mit einem ersten und einem zweiten entgegengesetzten Ende, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende benachbart zur optischen Pumpzelle (22) innerhalb des Bereichs von Homogenität positioniert ist; und dass ein Sekundärreservoir (120) benachbart zum zweiten Ende der NMR-rf-Spule in Fluid-Verbindung mit dem Ausgangsfließweg (113a, 114) des polarisierten Gases über einen sekundären Fließweg (115) positioniert ist, wobei die NMR-rf-Spule zwischen der optischen Zelle (22) und dem Sekundärreservoir (120) derart angeordnet ist, dass eine Gasmenge, die in entweder der optischen Zelle oder dem Sekundärreservoir positioniert ist, angeregt werden kann.
Hyperpolarisator nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldquelle (500) einen Bereich von Homogenität definiert, der einen Abschnitt der optischen Pumpzelle (22) und ein Volumen umfasst, das sich in einem Abstand unterhalb der optischen Pumpzelle erstreckt, und wobei die NMR-rf-Spule (100) auf einem unteren Abschnitt der optischen Pumpzelle positioniert ist, und wobei die NMR-rf-Spule und mindestens ein Abschnitt des Sekundärreservoirs (120) innerhalb des Bereichs von Homogenität positioniert sind.
Hyperpolarisator nach Anspruch 1, bei dem das Sekundärreservoir (120) ein erstes offenes Ende und ein geschlossenes gegenüberliegendes zweites Ende besitzt und konfiguriert ist, um ein kleines repräsentatives Volumen von hyperpolarisiertem Gas darin einzufangen, und wobei das geschlossene zweite Ende in angrenzendem Kontakt mit dem zweiten Ende der NMR-rf-Spule (100) positioniert ist.
Hyperpolarisator nach Anspruch 3, wobei der Sammler (30) konfiguriert ist, um polarisiertes Gas in einer gefrorenen Phase zu sammeln und Gas in einer gasförmigen Phase nach dem Auftauen freizusetzen, und wobei das Sekundärreservoir konfiguriert ist, um eine Menge des polarisierten Gases nach dem Auftauen von dem Gasausgangsfließweg aufzunehmen und eine Probe des Gases nach dem Auftauen in dem Sekundärreservoir (120) benachbart zum zweiten Ende der NMR-rf-Spule zu positionieren.
Hyperpolarisator nach Anspruch 3, wobei das geschlossene zweite Ende des Sekundärreservoirs einen im wesentlichen planaren Frontabschnitt besitzt, der mit dem zweiten Ende der NMR-rf-Spule in Kontakt steht.
Hyperpolarisator nach Anspruch 1, wobei der Hyperpolarisator weiter eine Menge von hyperpolarisiertem Gas umfasst, und wobei das polarisierte Gas hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe umfasst.
Hyperpolarisator nach Anspruch 1, weiter umfassend eine NMR-Polarisations-Detektionsschaltung (100D), die mit der NMR-rf-Spule (100) betreibbar in Verbindung steht, und wobei die NMR-Detektionsschaltung konfiguriert ist, um die Anregung, die dem polarisierten Gas entspricht, in sowohl der optischen Zelle als auch dem Sekundärreservoir zu detektieren.
Hyperpolarisator nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpzelle (22) einen Zentrumsabschnitt besitzt, und wobei die Magnetfeldquelle (500) derart konfiguriert ist, dass der Bereich von Homogenität von einem Zentrumsabschnitt der optischen Pumpzelle (22) versetzt ist, um sich näher an den unteren Teil der optischen Pumpzelle (22) zu erstrecken.
Verfahren zum Überwachen des Polarisationsniveaus von hyperpolarisiertem Edelgas während der Herstellung davon mit einem Hyperpolarisator nach Anspruch 1, umfassend die Schritte: Polarisieren einer Menge von Edelgas in der optischen Pumpzelle (22), die konfiguriert ist, um Edelgas über Spinaustausch mit optisch gepumptem Alkalimetalldampf zu hyperpolarisieren; Sammeln des polarisierten Gases im Sammler (30), wobei ein Teil des polarisierten Gases gefroren ist; nachfolgend Auftauen des gefrorenen polarisierten Gases vor dem Abgeben des Gases über den Abgabeauslaß (50); wobei während oder nach dem Auftauschritt ein geringerer Teil der Menge des aufgetauten polarisierten Gases von einem größeren Teil des hyperpolarisierten Gases in das Sekundärreservoir (120) weggeleitet wird; Anregen des polarisierten Gases in dem Sekundärreservoir (120) durch Übermitteln eines Anregungssignals an die NMR-rf-Spule (100); Messen des Niveaus der Polarisation, die mit dem hyperpolarisierten Gas in Verbindung steht, über eine NMR-Polarimetrie unter Verwenden der NMR-rf-Spule (100).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die NMR-rf-Spule (100) mit einer NMR-Detektionsschaltung (100D) verbunden ist, und wobei dieselbe NMR-rf-Spule verwendet wird, um die Polarisation des hyperpolarisierten Gases in der optischen Pumpzelle und nach dem Auftauschritt zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Edelgas ¹²⁹Xe ist.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend den Schritt des Orientierens des Magnetfeldbereichs von Homogenität derart, dass die Position des magnetischen Zentrums davon in Längsrichtung von einem Zentrumsabschnitt, der durch das physikalische Zentrum der optischen Pumpkammer (22) definiert ist, in eine Richtung in Richtung des unteren Teils der optischen Pumpkammer derart versetzt ist, dass dieselbe NMR-rf-Spule innerhalb des Bereichs von Homogenität positioniert werden kann, um die Polarisation des Gases in der Pumpzelle und des Gases, das gesammelt und dann aufgetaut wurde, selektiv zu bestimmen.