DE69829231T2

DE69829231T2 - Verfahren zum Sammeln und Auftauen polarisierter Gase, dessen Sammler und Heizmanschette

Info

Publication number: DE69829231T2
Application number: DE69829231T
Authority: DE
Inventors: Daniel Deaton; Bastiaan Driehuys; Kenton C. Hasson; David Zollinger; Alan Langhorn
Original assignee: Medi Physics Inc
Current assignee: Medi Physics Inc
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: US20040211191A1; ES2239192T3; NO20002930L; BR9813492A; JP2002500337A; US6199385B1; EP1051602A2; US20020035836A1; US6305190B1; DE69813904D1; AU3448499A; DK1051602T3; IL136494A; ATE290194T1; EP1051602B1; JP2010094504A; PL341598A1; AU757090B2; IL136494A0; ATE238540T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tieftemperaturspeicher und ein Verfahren zum Aufnehmen von gefrorenen polarisierten Edelgasen.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmlicherweise wurde MRI verwendet, um Bilder durch Anregen der Kerne von Wasserstoffmolekülen (vorhanden in Wasserprotonen) im menschlichen Körper zu erzeugen. Jedoch wurde kürzlich entdeckt, daß polarisierte Edelgase verbesserte Bilder bestimmter Gebiete und Bereiche des Körpers erzeugen können, die vordem weniger als zufriedenstellende Bilder in dieser Modalität erzeugen. Es wurde gefunden, daß polarisiertes Helium 3 („³He") und Xenon-129 („¹²⁹Xe") besonders für diesen Zweck geeignet sind. Unglücklicherweise, wie es weiter unten diskutiert werden wird, ist der polarisierte Zustand der Gase gegenüber Handhabungs- und Umgebungsbedingungen empfindlich und kann sich unerwünschterweise relativ schnell vom polarisierten Zustand abbauen.
Hyperpolarisatoren werden zum Erzeugen und Akkumulieren (Speichern) polarisierter Edelgase verwendet. Hyperpolarisatoren verstärken künstlich die Polarisation von bestimmten Edelgaskernen (wie ¹²⁹Xe oder ³He) über die natürlichen oder Gleichgewichts-Niveaus, d.h. die Boltzmann-Polarisation. Ein derartiger Anstieg ist erwünscht, weil er die Signalintensität der Magnetresonanzbildgebung („MRI") verstärkt und erhöht, was Medizinern ermöglicht, bessere Bilder der Substanz im Körper zu erhalten. Siehe US-Patent Nr. 5,545,396 für Albert et al.
Um das hyperpolarisierte Gas zu erzeugen, wird das Edelgas typischerweise mit optisch gepumpten Alkalimetall-Dämpfen, wie Rubidium („Rb") vermischt. Diese optisch gepumpten Metalldämpfe kollidieren mit den Kernen des Edelgases und hyperpolarisieren das Edelgas durch ein Phänomen, das als „Spin-Austausch" bekannt ist. Das „optische Pumpen" des Alkalimetall-Dampfes wird durch Bestrahlen des Alkalimetall-Dampfes mit zirkular polarisiertem Licht bei der Wellenlänge der ersten Hauptresonanz für das Alkalimetall (z.B. 795 nm für Rb) erzeugt. Allgemein ausgedrückt werden die Grundzustandsatome angeregt und bauen sich nachfolgend dann zum Grundzustand zurück ab. Unter einem schwachen Magnetfeld (10 Gauss) kann die Kreislaufführung von Atomen zwischen dem Grund- und angeregten Zustand nahezu 100% Polarisation der Atome in ein paar Mikrosekunden ergeben. Diese Polarisation wird allgemein durch die Ionenvalenzelektronen-Eigenschaften des Alkalimetalls getragen. Bei Vorhandensein von nicht-Null-Kernspin-Edelgasen können die Alkalimetalldampfatome mit den Edelgasatomen in einer Weise kollidieren, in der die Polarisation der Valenzelektronen zu den Edelgaskernen durch einen wechselseitigen Spinflip-„Spin-Austausch" übertragen wird.
Herkömmlicherweise wurden Laser verwendet, um die Alkalimetalle optisch zu pumpen. Verschiedene Laser emitieren Lichtsignale über verschiedene Wellenlängenbänder. Um den Prozeß des optischen Pumpens für bestimmte Typen von Lasern (insbesondere jene mit Emissionen einer breiteren Bandbreite) zu verbessern, kann die Absorptions- oder Resonanzlinienbreite des Alkalimetalls breiter gemacht werden, um näher mit der besonderen Laseremissionsbandbreite des ausgewählten Lasers übereinzustimmen. Diese Verbreiterung kann durch Druckverbreiterung erreicht werden, d.h. durch Verwenden eines Puffergases in der Kammer des optischen Pumpens. Kollisionen des Alkalimetall-Dampfes mit einem Puffergas werden zu einer Verbreiterung der Bandbreite der Alkaliabsorption führen.
Zum Beispiel ist es bekannt, daß die Menge von polarisiertem ¹²⁹Xe, die pro Zeiteinheit erzeugt werden kann, zu der von Rb-Dampf absorbierten Lichtleistung direkt proportional ist. Daher nimmt das Polarisieren von ¹²⁹Xe in großen Mengen im allge meinen eine große Menge der Lichtleistung. Wenn ein Diodenlaserarray verwendet wird, wird die natürliche Rb-Absorptionslinien-Bandbreite typischerweise viele Male enger als die Laseremissions-Bandbreite. Der Rb-Absorptionsbereich kann unter Verwenden eines Puffergases vergrößert werden. Natürlich kann auch die Auswahl eines Puffergases unerwünschterweise den Rb-Edelgas-Spinaustausch durch ggf. Einführen eines Verlustes des Drehimpulses des Alkalimetalls an das Puffergas eher als wie erwünscht an das Edelgas beeinflussen.
In jedem Fall wird, nachdem der Spinaustausch abgeschlossen ist, das hyperpolarisierte Gas von dem Alkalimetall vor der Einführung in einen Patienten getrennt. Unglücklicherweise kann sich vor und nach dem Aufnehmen (Sammeln) das hyperpolarisierte Gas verschlechtern oder relativ schnell abbauen (seinen hyperpolarisierten Zustand verlieren) und muß deshalb sorgfältig gehandhabt, aufgenommen (gesammelt), transportiert und gespeichert werden. Daher ist die Handhabung des hyperpolarisierten Gases kritisch, wegen der Empfindlichkeit des hyperpolarisierten Zustandes gegenüber Umgebungs- und Handhabungsfaktoren und dem Potential für einen unerwünschten Abbau des Gases von seinem hyperpolarisierten Zustand.
Einige Speichersysteme setzen Tieftemperaturspeicher ein, um das Puffergas von dem polarisierten Gas zu trennen und das aufgenommene polarisierte Gas einzufrieren. Unglücklicherweise können Verringerungen in der Polarisation des Gases problematisch sein, da nach dem schließlichen Auftauen des gefrorenen Gases das Polarisationsniveau des Gases ggf. unerwünschterweise um soviel wie eine Größenordnung verringert werden kann. Weiter und unvorteilhafterweise können die extrem niedrigen Betriebstemperaturen des Speichers nahe der Kryogenquelle manchmal den Aufnahmebereich des Speichers verstopfen, wodurch die Geschwindigkeit des weiteren Aufnehmens verringert oder dieses sogar verhindert wird.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht des Vorstehenden ist es deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tieftemperaturspeicher und ein Verfahren anzugeben, die in einer Um gebung einer im wesentlichen kontinuierlichen Herstellung verwendet werden können.
Diese Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung durch einen Tieftemperaturspeicher umfassend die Merkmale des Anspruches 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 22 gelöst.
In einer bevorzugten Ausführungsform definieren die äußere Umhüllung und die Außenwand des zweiten Strömungswegs einen Puffergas-Austrittsweg dazwischen und die (sich ringsum erstreckende) Innenwand des zweiten Strömungswegs definiert den ersten Strömungsweg. Es ist auch bevorzugt, daß das zweite Ende des ersten Strömungswegs als eine Düse konfiguriert ist und daß der zweite Strömungsweg als ein Erwärmungs- oder Heizmantel konfiguriert ist, um zirkulierende trockene Raumtemperatur-Gase, wie Stickstoff, durch zu leiten. Der zirkulierende Stickstoff ist von dem Strömungsweg getrennt und wirkt zum Kompensieren oder Schützen des Düsenbereiches vor dem kalten Puffergas, das entlang der Außenseite des ersten Strömungsweges austritt, und vor den Tieftemperaturen, die mit dem Kryogenbad in Zusammenhang stehen. Vorteilhafterweise kann ein derartiger zweiter Strömungsweg die Wahrscheinlichkeit verringern, daß die erste Strömungsdüse von der Sublimation des Edelgases einfrieren und verstopfen wird.
Weiter und bevorzugt umfaßt der Speicher ein erstes und ein zweites Absperrventil in Verbindung mit dem ersten Strömungsweg und dem Austrittsweg für das Puffergas. Das erste Absperrventil ist am ersten Ende des ersten Strömungsweges positioniert und kann zum Regeln des Durchflusses eines bestimmungsgemäßen Gases verwendet werden. Das zweite Absperrventil ist durch einen Abstand von dem geschlossenen Ende der äußeren Umhüllung getrennt entlang des Austrittsweges für das Puffergas positioniert, um den Austritt des Puffergases dadurch freisetzbar zu unterbinden und zu steuern. In dieser Ausführungsform ist der Speicher konfiguriert zum Enthalten von Mengen (wie 0,5–2 l polarisiertem Gas) einer für MRI ausgelegten Größe und ist abtrennbar von einer Hyperpolarisatoreinheit freisetzbar für den einfachen Transport zu einer entfernten Stelle.
Der Heizmantel umfaßt eine Außenwand mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden und eine Innenwand mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden. Die Innenwand ist von der Außenwand durch einen Abstand getrennt. Die Innenwand ist konfiguriert, um in nächster Nähe zu einem Aufnahmeweg für das polarisierte Gas zu sein. Der Mantel umfaßt auch ein oberes und ein unteres Ende, um jeweils die Außen- und Innenwände zu überbrücken und abzudichten. Die oberen, unteren Enden und Außen- und Innenwände definieren mindestens einen eingeschlossenen Fluid(wie ein Gas oder eine Flüssigkeit)-Zirkulationsweg dazwischen. Der Mantel umfaßt auch ein Fluid und eine Fluidaustrittsöffnung, die jeweils in Verbindung mit dem Zirkulationsweg stehen. Die Fluideinlaßöffnung und -auslaßöffnung sind so konfiguriert, daß der Fluß eines Fluides, Gases oder einer Gasmischung im Zirkulationsweg ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform steht die Heizmantel-Fluideinlaßöffnung derart mit einem Ventil betreibbar in Verbindung, daß sie konfiguriert ist, um eine vorbestimmte Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Zirkulationsweg bereitzustellen. Es ist auch bevorzugt, daß sich die Innenwand ringsum um eine zentrale Öffnung erstreckt, um einen Strömungsweg dadurch für ein polarisiertes Gas zu definieren.
Es ist zusätzlich bevorzugt, daß die Innenwand einen ersten Abschnitt umfaßt, der einen ersten Durchmesser des Strömungswegs definiert, und einen zurücktretenden Abschnitt umfaßt, der einen zweiten Durchmesser des Strömungswegs definiert. In dieser Ausführungsform ist der zweite Durchmesser kleiner als der erste Durchmesser und definiert eine Strömungswegdüse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Hyperpolarisatorvorrichtung.
2 ist eine perspektivische Seitenansicht eines Speichers oder „Cold Finger" der Vorrichtung der 1, der teilweise in ein flüssiges Kryogen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingetaucht ist.
3 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Speichers der 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Vorderansicht des Speichers, der in 3 dargestellt ist.
5 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer zusätzlichen Ausführungsform eines Speichers der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine perspektivische Teilschnittzeichnungsansicht des in 3 dargestellten Speichers.
7 ist eine perspektivische Teilschnittzeichnungsansicht des in 5 dargestellten Speichers.
8 stellt den Speicher der 7 dar, wobei während eines Auftauprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Wärme angewandt wird.
9 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Speichern von polarisiertem Gas darstellt.
10 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Auftauen von gefrorenem polarisierten Gas darstellt.
11 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Verlängern der Nutzungsdauer eines polarisierten Gases darstellt.
12A stellt graphisch Polarisationsniveaus nach dem Auftauen versus Akkumulationsströmungsgeschwindigkeiten eines polarisierten Gases, das unter Verwenden eines herkömmlichen Auftauverfahrens aufgetaut wurde, dar.
12B stellt Beispiels-Polarisationsniveaus nach dem Auftauen versus Akkumulationsströmungsgeschwindigkeiten eines aufgetauten polarisierten Gases dar.
13 stellt graphisch Beispiels-Polarisationsniveaus von polarisiertem Gas vor dem Einfrieren und nach dem Auftauen dar.
13A stellt graphisch vorhergesagte und experimentelle Beispiels-Polarisationsniveaus von polarisiertem Xenon entsprechend der Polarisationsströmungsgeschwindigkeit für experimentelle Daten, nach dem Auftauen aufgenommen, wenn das Xenon verarbeitet wird, dar.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun vollständiger im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Gleiche Nummern beziehen sich überall auf gleiche Elemente. Schichten und Bereiche können aus Gründen der Klarheit übertrieben dargestellt werden. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die folgt, werden bestimmte Begriffe eingesetzt, um sich auf die Positions-Beziehung bestimmter Strukturen relativ zu anderen Strukturen zu beziehen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „vorwärts" und Ableitungen davon auf die allgemeine Richtung, in die die Gasmischung wandert, wenn sie sich durch die Hyperpolarisator-Einheit bewegt; dieser Begriff ist so gemeint, daß er mit dem Begriff „stromabwärts" synonym ist, der oft in Herstellungsumgebungen verwendet wird, um anzuzeigen, daß ein bestimmtes Material, auf das eingewirkt wird, weiter weg entlang des Herstellungsprozesses ist als ein anderes Material. Umgekehrt beziehen sich die Begriffe „rückwärts" und „stromaufwärts" und Ableitungen davon auf die entgegengesetzten Richtungen bzw. die Vorwärts- und Stromabwärts-Richtungen. Auch werden, wie hier beschrieben, polarisierte Gase aufgenommen, gefroren und aufgetaut und bei der MRI-Spektroskopie oder in MRI-Anwendungen verwendet. Für die Einfachheit der Beschreibung bedeutet der Begriff „gefrorenes polarisiertes Gas", daß das polarisierte Gas zu einem festen Zustand gefroren wurde. Der Begriff „flüssiges polarisiertes Gas" bedeutet, daß das polarisierte Gas in einem flüssigen Zustand war oder dazu verflüssigt wird. Daher wird, obwohl jeder Begriff das Wort „Gas" umfaßt, dieses Wort verwendet, um das Gas zu bezeichnen und über eine Beschreibung zu verfolgen, das über einen Hyperpolarisator erzeugt wird, um ein polarisiertes „Gas"-Produkt zu erhalten. Daher wurde, wie hier verwendet, der Begriff an bestimmten Stellen verwendet, um ein hyperpolarisiertes Edelgasprodukt beschreibend zu bezeichnen und kann mit Modifikatoren, wie fest, gefroren und flüssig, verwendet werden, um den Zustand oder die Phase jenes Produktes zu beschreiben.
Verschiedene Techniken wurden eingesetzt, um polarisierte Gase aufzunehmen und einzufangen. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 5,642,625 für Cates et al. einen Hochvolumen-Hyperpolarisator für spinpolarisiertes Edelgas und die US-Patentanmeldung Nr. 08/622,865 für Cates et al. beschreibt einen Tieftemperaturspeicher für spinpolarisiertes ¹²⁹Xe. Wie hier verwendet, bedeuten die Begriffe „hyperpolarisieren", „polarisieren" und dergleichen, die Polarisation bestimmter Edelgaskerne über die natürlichen oder Gleichgewichtsniveaus zu verstärken. Ein derartiger Anstieg ist erwünscht, weil er eine stärkere Darstellung von Signalen entsprechend besseren MRI-Bildern der Substanz und eines Zielgebietes des Körpers ermöglicht. Wie jenen Fachleuten bekannt ist, kann eine Hyperpolarisation durch Spin-Austausch mit einem optisch gepumpten Alkalimetall-Dampf oder alternativ durch einen Metastability Exchange induziert werden. Siehe Albert et al., US-Patent Nr. 5,545,396.
Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 stellt eine Hyperpolarisator-Einheit 10 dar. Diese Einheit ist eine Hochvolumen-Einheit, die konfiguriert ist, um kontinuierlich spinpolarisierte Edelgase zu erzeugen und aufzunehmen, d.h. die Strömung des Gases durch die Einheit ist im wesentlichen kontinuierlich. Wie gezeigt, umfaßt die Einheit 10 eine Edelgasversorgung 12 und einen Versorgungsregulator 14. Ein Reiniger 16 ist in der Leitung angeordnet, um Verunreinigungen, wie Wasserdampf, aus dem System zu entfernen, wie weiter unten diskutiert werden wird. Die Hyperpolarisator-Einheit 10 umfaßt auch einen Durchflußmesser 18 und ein Einlaßventil 20, das stromaufwärts von der Polarisatorzelle 22 angeordnet ist. Eine optische Lichtquelle, wie ein Laser 26 (bevorzugt ein Diodenlaserarray), ist in die Polarisatorzelle 22 durch verschiedene Fokussierungs- und Lichtverteilungsmittel 24, wie Linsen, Spiegel und dergleichen gerichtet. Die Lichtquelle ist zirkular polarisiert, um die Alkalimetalle in der Zelle 22 optisch zu pumpen. Ein zusätzliches Ventil 28 ist stromabwärts von der Polarisatorzelle 22 angeordnet.
Als nächstes ist in der Leitung, wie in 1 gezeigt ist, ein Cold Finger oder Speicher 30 vorgesehen. Der Speicher 30 ist mit der Hyperpolarisator-Einheit 10 durch ein Paar von freisetzbaren Mechanismen, wie mit einem Gewinde versehene Elemente oder Schnell-Trennkupplungen 31, 32 verbunden. Dies ermöglicht, daß der Speicher auf einfache Weise an das und von dem System 10 abgetrennt, entfernt oder hinzugefügt werden kann. Der Speicher 30 steht betreibbar mit einer Kältequelle oder einem Kühlmittel 42 in Verbindung. Bevorzugt und wie gezeigt ist, ist die Kältequelle 42 ein flüssiges Kryogenbad 43. Der Speicher wird im folgenden detaillierter beschrieben werden.
Eine Vakuumpumpe 60 steht in Verbindung mit dem System. Zusätzliche Ventile zum Regeln des Flusses und zum Leiten von Austrittsgas sind an verschiedenen Punkten gezeigt (gezeigt als 52, 55). Ein Startventil 47 ist benachbart zu einem „on-board"-Austrittsgasanschluß 50 angeordnet. Bestimmte Ventile stromabwärts des Speichers 30 werden für ein „on-board"-Auftauen und Abgabe des aufgenommenen polarisierten Gases verwendet, wie weiter unten beschrieben werden wird. Das System umfaßt auch einen digitalen Druckmeßfühler 54 und ein Flußregelungsmittel 57 zusammen mit einem Startventil 58. Das Startventil 58 regelt bevorzugt den Fluß des Gases durch das gesamte System oder die 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 Flußregelungsmechanismen, -vorrichtungen (analog und elektronisch) verwendet werden.
In Betrieb wird eine Gasmischung in das System bei der Gasquelle 12 eingeleitet. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Quelle 12 ein unter Druck stehender Gasbehälter, der eine vorgemischte Gasmischung hält. Die Gasmischung umfaßt ein schwaches Edel- und Puffergasmischungs-Gas (das zu hyperpolarisierende Gas ist als eine relativ kleine Menge in der vorgemischten Gasmischung vorhanden). Bevorzugt beträgt zum Herstellen von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe die vorgemischte Gasmischung ungefähr 95% bis 98% He, ungefähr 5% oder weniger als ¹²⁹Xe, und ungefähr 1% N₂.
Es ist auch bevorzugt, daß die vorgemischte Gasmischung eine minimale Menge des Xenon-131-Isotops (oder ¹³¹Xenon) (reduziert von seinen natürlichen Gehalten) umfaßt. In der Natur sind die typischen Xenon-Isotopenhäufigkeiten wie folgt:
Tabelle 1
„Angereicherte" ¹²⁹Xe-Mischungen werden verwendet, um ausreichende Mengen des ¹²⁹Xe-Gases für die hyperpolarisierte Gasmischung bereitzustellen. Wie hier verwendet, bedeutet die Form „angereichert" Vergrößern der Häufigkeit von ¹²⁹Xe über sein natürliches Häufigkeitsniveau. Jedoch umfaßt das angereicherte ¹²⁹Xe typischerweise auch andere Xenon-Isotope. Unglücklicherweise kann mindestens ein besonderes Isotop-131-Xe mit gefrorenem ¹²⁹Xe (besonders bei niedrigen Temperaturen, wie 4,2°K) in einer Weise Wechselwirken, die das ¹²⁹Xe veranlassen kann, zu depolarisieren. Bei niedrigen Temperaturen wirkt ¹³¹Xe wie eine „Spin-Senke", um die ¹²⁹Xe-Polarisation zu absorbieren oder abzubauen, und wird zu einem ggf. dominanten Relaxationsmechanismus an den Kristallkorngrenzen des gefrorenen, „festen", polarisierten ¹²⁹Xe-Gases.
Wie in Tabelle 1 oben gezeigt ist, ist ¹³¹Xe ein Isotop mit einem Kernspin größer als ½. Als solches besitzt es ein „Quadrupol-Moment", was bedeutet, daß ¹³¹Xe fähig ist, durch Wechselwirkung mit Gradienten des elektrischen Feldes zu relaxieren. Siehe Gatzke et al., "Extraordinarily slow nuclear spin relation in frozen laser-polarized ¹²⁹Xe", Phys. Rev. Lett. 70, Seiten 690–693 (1993).
Es wurde vorgeschlagen, daß bei 4,2°K der dominante Festphasenrelaxationsmechanismus eine „Cross-Relaxation" zwischen den ¹²⁹Xe- und ¹³¹Xe-Isotopen an den Kristallkorngrenzen ist. Zusätzlich besitzt, wo das „gefrorene" oder „feste" ¹²⁹Xe-Gas eine Form ähnlich einer Flocke (wie eine Schneeflocke) annimmt, die Form eine relativ große Oberfläche. Unglücklicherweise kann diese relativ große Oberfläche auch stärkere Depolarisationswechselwirkungen mit dem ¹³¹Xe ermöglichen. Es wird geglaubt, daß die stärkste oder „am meisten wirksame" Wechselwirkung an den Kristallkorngrenzen stattfindet, weil das typisch ist, wo die elektrischen Felder am stärksten sind. Diese elektrische Feldstärke kann dann ermöglichen, daß die ¹³¹Xe-Kernspin-Flipenergie nahezu dieselbe wird wie die ¹²⁹Xe-Kernspin-Flipenergie.
Beispiele von angereicherten ¹²⁹Xe-Mischungen mit einem verringerten ¹³¹Xe-Isotopengehalt sind unten angegeben.
Beispiel 1: Zu 82,3% angereicherte ¹²⁹Xe-Gasmischung
Beispiel 2: Zu 47,2% angereicherte ¹²⁹Xe-Gasmischung
In einer bevorzugten Ausführungsform, wenn das aufgenommene polarisierte ¹²⁹Xe kalten Temperaturen ausgesetzt und gefroren werden wird, umfaßt die angereicherte ¹²⁹Xe-Gasmischung bevorzugt weniger als ungefähr 3,5% ¹³¹Xe, und bevorzugter weniger als ungefähr 0,1% ¹³¹Xe.
In jedem Fall wird die „angereicherte" Gasmischung durch den Reiniger 16 geleitet und in die Polarisatorzelle 22 eingeleitet. Die Ventile 20, 28 sind Ein/Aus-Ventile, die betreibbar mit der Polarisatorzelle 22 in Verbindung stehen. Der Gasregulator 14 regelt den Druck von der Gasbehälterquelle 12 (die typischerweise bei 13.780,2 kPa (2.000 psi oder 136 atm) arbeitet) auf ungefähr 608 bis 1.013,25 kPa (6 bis 10 atm) für das System herunter. So wird während des Speicherns der gesamte Verteiler (Leitung, polarisierte Zelle, Speicher etc.) auf den Zelldruck (ungefähr 608 bis 1.013,25 kPa (6 bis 10 atm)) unter Druck gesetzt. Der Fluß in der Einheit 10 wird durch das Öffnungsventil 58 aktiviert und durch Einstellen des Flußregelungsmittels 57 geregelt.
Die typische Verweilzeit des Gases in der Zelle 22 beträgt ungefähr 10 bis 30 Sekunden, d.h. sie nimmt die Größenordnung von 10 bis 30 Sekunden für die Gasmischung, die hyperpolarisiert werden soll, an, während sie sich durch die Zelle 22 bewegt. Die Gasmischung wird bevorzugt in die Zelle 22 bei einem Druck von ungefähr 608 bis 1.013,25 kPa (6 bis 10 atm) eingeleitet. Natürlich sind mit einer Hardware, die fähig ist, bei erhöhten Drücken zu arbeiten, die Betriebsdrücke über 1.013,25 kPa (10 atm), wie ungefähr 2.026,5 bis 3.039,75 kPa (20 bis 30 atm) bevorzugt, um das Rb mit Druck zu verbreitern und bis zu 100% des optischen Lichtes zu absorbieren. Im Gegensatz dazu können für Laserlinienbreiten geringer als herkömmliche Linienbreiten niedrigere Drücke eingesetzt werden. Die Polarisatorzelle 22 ist eine Zelle zum optischen Pumpen bei hohem Druck, die in einer geheizten Kammer mit Öffnungen untergebracht ist, die konfiguriert sind, um den Eintritt des vom Laser emitierten Lichtes zu ermöglichen. Bevorzugt hyperpolarisiert die Hyperpolarisator-Einheit 10 ein ausgewähltes Edelgas, wie ¹²⁹Xe (oder ³He) über einen herkömmlichen Spinaustauschprozeß. Ein verdampftes Alkalimetall wie Rubidium („Rb") wird in die Polarisatorzelle 22 eingeleitet. Der Rb-Dampf wird über eine optische Lichtquelle 26, bevorzugt einen Diodenlaser, optisch gepumpt.
Die Einheit 10 setzt Helium-Puffergas ein, um die Rb-Dampf-Absorptionsbandbreite mit Druck zu verbreitern. Die Auswahl eines Puffergases ist wichtig, weil das Puffergas – während es die Absorptionsbandbreite verbreitert – auch unerwünschterweise den Alkali-Metall-Edelgas-Spin-Austausch durch ggf. Einführen eines Verlustes des Drehmomentes des Alkalimetalls an das Puffergas eher als an das Edelgas, wie gewünscht, beeinflussen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ¹²⁹Xe durch Spin-Austausch mit dem optisch gepumpten Rb-Dampf hyperpolarisiert. Es ist auch bevorzugt, daß die Einheit 10 ein Helium-Puffergas mit einem Druck verwendet, der viele Male größer ist als der ¹²⁹Xe-Druck, zum mit Druck Verbreitern in einer Weise, die die Rb-Spin-Zerstörung minimiert.
Wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird, ist Rb fähig, mit H₂O zu reagieren. Deshalb kann jegliches Wasser oder Wasserdampf, das/der in die Polarisator-Zelle 22 eingeleitet wird, das Rb dazu veranlassen, Laserabsorption zu verlieren und das Ausmaß oder die Effizienz des Spin-Austausches in der Polarisator-Zelle 22 verringern. Daher kann als eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme ein Extrafilter oder Reiniger (nicht gezeigt) vor dem Einlaß der Polarisator-Zelle 22 mit einer zusätzlichen Oberfläche angeordnet werden, um sogar zusätzliche Mengen dieser unerwünschten Verunreinigung zu entfernen, um die Effizienz des Polarisators weiter zu vergrößern.
Hyperpolarisiertes Gas, zusammen mit der Puffergasmischung, tritt aus der Polarisator-Zelle 22 aus und tritt in den Speicher 30 ein. Es wird nun auf 3 bis 7 Bezug genommen. Das polarisierte Gas und Puffergas werden einen ersten Strömungsweg 80 herunter und in ein Aufnahmereservoir 75 geleitet, das am Boden des Speichers 30 angeordnet ist. In Betrieb wird am unteren Abschnitt des Speichers 30a das hyperpolarisierte Gas Temperaturen unter seinem Gefrierpunkt ausgesetzt und als ein gefrorenes Produkt 100 im Reservoir 75 aufgenommen. Der Rest der Gasmischung bleibt gasförmig und tritt aus dem ersten Strömungsweg 80 und dem Reservoir 75 durch Gegenfließen in einen Austrittsweg 90, der sich von dem ersten Strömungsweg 75 unterscheidet, derart aus, daß es aus dem Speicher 30 geleitet wird. Der Speicher 30 wird unten detaillierter beschrieben werden. Das hyperpolarisierte Gas wird bei Vorhandensein eines Magnetfeldes, allgemein in der Größenordnung von mindestens 500 Gauss und typischerweise von ungefähr 2 Kilo-Gauss, obwohl höhere Felder verwendet werden können, gespeichert (wie auch gelagert, transportiert und bevorzugt aufgetaut). Niedrigere Felder können ggf. unerwünscht die Relaxationsgeschwindigkeit des polarisierten Gases vergrößern oder die Relaxationszeit des polarisierten Gases verringern. Wie in 2 gezeigt ist, wird das Magnetfeld durch Permanentmagneten 40, die um ein Magnetjoch 41 angeordnet sind, bereitgestellt.
Die Hyperpolarisator-Einheit 10 kann auch die Temperaturänderung in der Auslaßleitung zwischen der erwärmten Pumpzelle 22 und der gekühlten Kühlfalle oder dem Speicher 30 verwenden, um das Alkalimetall aus dem Strom des polarisierten Gases in der Leitung über dem Speicher 30 zu präzipitieren. Wie von jenen Fachleuten anerkannt werden wird, kann das Alkalimetall aus dem Gasstrom bei Temperaturen von ungefähr 40°C präzipitieren. Die Einheit kann auch einen Alkalimetall-Rückflußkühler (nicht gezeigt) umfassen. Bevorzugt setzt der Rückflußkühler eine vertikale Rückfluß-Auslaßröhre ein, die bei Raumtemperatur gehalten wird. Die Geschwindigkeit des Gasflusses durch die Rückfluß-Röhre und die Größe der Rückfluß-Auslaßröhre sind derart, daß der Alkalimetalldampf kondensiert und in die Pumpzelle durch Schwerkraft tropft. In jedem Fall ist es erwünscht, das Alkalimetall derart zu entfernen, daß das Produkt nicht toxisch ist und Regelstandards (z.B. mindestens bis zu einem Niveau bei oder unterhalb 10 ppb) vor der Verabreichung des polarisierten Gases an einen Patienten erfüllt.
Gegebenenfalls kann eine Zwischen-Kühlfalle auch zwischen dem Ausgang der Polarisatorzelle 22 und dem Cold Finger 30 angeordnet sein. Die Temperatur der Zwischen-Kühlfalle (nicht gezeigt) wird so gestaltet, daß sie jegliches Alkalimetall (z.B. Rb) abfängt, während das Edelgas und das Trägergas (es) frei belassen wird, um den Cold Finger 30 zu erreichen. Dies kann für in-vivo-Anwendungen wichtig sein, wo es wichtig ist, das Rb aus dem hyperpolarisierten Gas zu entfernen (d.h. das Rb auf ein Niveau derart zu entfernen, daß nicht mehr als Mengen von Spuren wie in der Größenordnung eines ppb oder weniger in dem hyperpolarisierten Gas verbleiben, wenn es an einen Patienten verabreicht wird).
Sobald eine erwünschte Menge von hyperpolarisiertem Gas in dem Speicher 30 aufgenommen wurde, kann der Speicher von dem System abgetrennt oder isoliert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil 28 geschlossen, wodurch die Zelle 22 unter Druck belassen wird. Dies ermöglicht, daß der Speicher 30 und die Stromabwärts-Installationen beginnen, belüftet zu werden, weil das Flußventil 58 offen ist. Bevorzugt wird der Einheit 10 stromabwärts von dem Ventil 28 ermöglicht, auf ungefähr 1,5 atm belüftet zu werden, 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 die Auslaßinstallation evakuiert ist, werden die Ventile 35 und 37 geschlossen. Falls das gesammelte Gas „on-board" verteilt werden soll, d.h. ohne Entfernen des Speichers 30 von der Einheit 10, kann ein Behälter, wie ein Beutel oder ein anderes Gefäß an dem Auslaß 50 befestigt sein. Das Ventil 47 kann geöffnet werden, um den befestigten Beutel (nicht gezeigt) zu evakuieren. Sobald der Beutel evakuiert ist und das Gas bereit ist, aufzutauen, kann das Ventil 52 ggf. geschlossen werden. Dies minimiert den Kontakt des polarisierten Gases mit dem Druckmeßfühlerbereich 59 der Einheit 10. Dieser Bereich umfaßt typischerweise Materialien, die eine depolarisierende Wirkung auf das polarisierte Gas besitzen. Daher fördern lange Kontaktzeiten mit diesem Bereich die Relaxation des polarisierten Gases.
Falls das Ventil 52 nicht geschlossen ist, dann ist Ventil 55 bevorzugt geschlossen, um die Evakuierung von polarisierten aufgetauten Gasen zu verhindern. Es ist auch bevorzugt, daß die Strömungswege auf der Stromabwärtsseite der Zelle 22 aus Materialien gebildet sind, die die abbauende Wirkung auf den polarisierten Zustand des Gases minimieren. Es können auch Beschichtungen wie jene verwendet werden, die in US-Patent Nr. 5,612,103 beschrieben sind, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme enthalten ist, als wenn es vollständig hier zitiert wäre. Beim „on-board"-Auftaubetrieb wird das Ventil 37 geöffnet, um das Gas herauszulassen. Es läuft dann durch Ventil 47 weiter und tritt aus dem Auslaß 50 aus.
Im Ausfriermodus des „abgetrennten oder transportierten Speichers" werden das erste und zweite Speicherabsperrventil 35 und 37 nach dem Herabsetzen des Druckes und der Evakuierung des Speichers 30 geschlossen. Evakuieren des Speichers 30 ermöglicht, daß jegliches Restgas in dem Speicher entfernt wird. Zurücklassen von Restgas in dem Speicher 30 mit dem gefrorenen polarisierten Gas kann zur Wärmelast auf das gefrorene Gas beitragen, möglicherweise die Temperatur des gefrorenen Gases anheben und ggf. die Relaxationszeit verkürzen. Daher wird in einer bevorzugten Ausführungsform nach dem Herabsetzen des Druckes und der Evakuierung und dem Schließen der Absperrventile 35, 37 der Speicher 30 von der Einheit 10 über die Freisetzpunkte 31, 32 abgekoppelt.
Es ist auch bevorzugt, daß der Speicher O-Ringe in Rillen (2, 220) umfaßt, um das Abdichten der Schnellkupplungen (oder anderer Befestigungsmittel) an die Leitungslinien im System zu unterstützen. Diese Art von O-Ring/Rillen-Dichtungsmechanismus kann dabei helfen, die Dichtungsintegrität sogar bei den erhöhten Betriebsdrücken (d.h. 608 bis 1.013,25 kPa (6 bis 10 atm) und größer) der Einheit zu sichern.
Die Absperrventile 35, 37 stehen in Verbindung mit dem ersten Strömungskanal 80 bzw. dem Puffergas-Austrittskanal 90 und jedes kann das Ausmaß des Durchflusses einstellen, wie auch die entsprechenden Wege schließen, um den Speicher von dem System 10 und der Umgebung zu isolieren. Nachdem der gefüllte Speicher 30 entfernt ist, kann ein anderer Speicher auf einfache Weise und relativ schnell an den Freisetzungspunkten 31, 32 befestigt werden. Bevorzugt wird, wenn der neue Speicher 30 befestigt wird, der Ausgangsverteiler unter Verwenden des Ventils 55 evakuiert (wobei die Ventile 52, 35, 37 offen sind). Wenn ein geeignetes Vakuum er reicht ist (wie ungefähr 13,3 Pa (100 MilliTorr), was typischerweise innerhalb ungefähr einer Minute oder so erfolgt, wird das Ventil 55 geschlossen. Das Ventil 28 wird dann wieder geöffnet, was den Auslaßverteiler wieder auf 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 wird, flüssiger Stickstoff auf den Speicher 30 angewandt, um das Aufnehmen des hyperpolarisierten Gases fortzusetzen. Typischerweise dauert ein derartiger Austausch in der Größenordnung von weniger als fünf Minuten. Daher ist eine bevorzugte Hyperpolarisator-Einheit 10 konfiguriert, um eine kontinuierliche Strömung hyperpolarisierten ¹²⁹Xe-Gases für die kontinuierliche Produktion und Akkumulation desselben bereitzustellen.
Zur 2 kommend, ist ein Speicher und ein Magnetjochaufbau 230 gezeigt. Der Speicher 30 ist von einer Trägerplattform 210 getragen, die über dem Kryogenbad 43 positioniert ist. Ein Paar von Platten 215 erstrecken sich longitudinal von der Trägerplattform 210 und verbinden sich mit dem Magnetjoch 41. Das Magnetjoch 41 ist benachbart zu und in nächster Nähe zum Auffangreservoir 75 des Speichers 30 angeordnet, um das erwünschte Magnetfeld dem gesammelten polarisierten Gas bereitzustellen. Wie gezeigt ist, umfaßt der Speicher 30 einen Trägerkontaktabschnitt 211, der zum Anlegen an die Trägerplattform 210 konfiguriert ist.
Der Speicher
3 und 4 zeigen eine Ausführungsform eines Speichers 30 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, umfaßt der Speicher 30 einen zentralen ersten Strömungsweg 80, einen zweiten Strömungsweg 95 und einen Austrittsweg für das Puffergas 90. Der zweite Strömungsweg oder Kanal 95 ist zwischen dem ersten Strömungswegkanal 80 und dem Pufferaustrittskanal 90 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Speicher 30 eine Düse 110 am unteren Ende des ersten Strömungswegs. Die Düse 110 kann dabei helfen, die Lokalisierung des hyperpolarisierten Gases zu verbessern, da sie die kalten Oberflächen des Reservoirs 75 beaufschlagt. Die Düse 110 kann auch eine Joule-Thompson-Expansion des Kühlens des Gasstromes auf gut unter den Gefrierpunkt des hyperpolarisierten Gases ermöglichen, was vorteilhafterweise die Wärmelast auf dem stationären und aufgenommenen hyperpolarisierten Gas minimiert und dabei ggf. seine Relaxationszeit verlängert. In jedem Fall ist der Speicher 30 bevorzugt in das Kryogen-Bad 43 derart eingetaucht, daß das Reservoir 75 und ungefähr 7,62 bis 15,24 cm (3 bis 6 Inches) der Röhre eingetaucht sind. Falls sie im flüssigen Stickstoff eingetaucht sind, werden die Außenwand der äußeren Umhüllung 103 und die Außenwand des Reservoirs 75 auf ungefähr 77°K sein. Der Gefrierpunkt von Xenon beträgt annähernd 160°K. Daher trifft beim Austreten aus dem ersten Strömungsweg 80 das hyperpolarisierte Gas die kalte Oberfläche und gefriert in das Reservoir 75, während das Puffergas den Speicher über den Austrittskanal 90 verläßt. Das Reservoir kann eine Oberflächenbeschichtung umfassen, um dabei zu helfen, daß die Relaxation verhindert wird, die durch den Kontakt des polarisierten Gases mit demselben verursacht wird. Siehe US-Patent Nr. 5,612,103 „Improved Coatings for the Production of Hyperpolarized Noble Gases". Alternativ kann der Behälter aus anderen Materialien gebildet sein oder sie umfassen, wie hochreine nicht-magnetische Metallfilme.
Wie in 4 gezeigt ist, besitzt der zweite Strömungsweg 95 einen Einlaß bzw. einen Auslaß 125, 126, die ungefähr 180° entfernt bei einem oberen Abschnitt des Speichers 30 angeordnet sind. Natürlich, wie es von einem Fachmann anerkannt werden wird, können auch alternative Anordnungen des Einlasses und Auslasses 125, 126 des zweiten Strömungsweges eingesetzt werden. Bevorzugt sind der Einlaß und der Auslaß 125, 126 konfiguriert, um über dem Kryogen-Bad 43 oder anderen Kühlmitteln zu sein, wenn der Speicher 30 daran angebaut ist. Mit Ausnahme seiner entsprechenden Einlaß- und Auslaßsanschlüsse 125, 126 ist der zweite Strömungsweg 95 eingeschlossen und getrennt von dem ersten Strömungsweg 80 und dem Gasaustrittsweg 90. Als solches umfaßt der zweite Strömungsweg 95 ein abgedichtetes geschlossenes Ende 96.
Im Betrieb, wie in 6 gezeigt ist, stellt der zweite Strömungsweg 95 einem Bereich des Speichers 30 Wärme bereit. Bevorzugt definiert der zweite Strömungsweg einen Heizmantel 93. Der Heizmantel 93 ist konfiguriert, um einen enthaltenen warmen Strom eines Fluids, bevorzugt eines Gases, um den ersten Strömungsweg 80 bereitzustellen. Bevorzugter leitet der Heizmantel 93 warmen Stickstoff oder Stickstoff bei Umgebungstemperatur den zweiten Strömungsweg zu einem Bereich herunter, der dem unteren Abschnitt des ersten Wegs 80 benachbart ist; d.h. der Abschnitt des zweiten Weges ist in nächster Nähe oder benachbart zum Reservoir 75. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das wärmende Gas in dem Heizmantel 93 zum Düsenbereich 110 des ersten Strömungsweges 80 über den zweiten Strömungsweg 95 geleitet. Vorteilhafterweise kann ein derartiges wärmendes Gas die unerwünschte Tendenz dieses Bereiches des ersten Strömungsweges, aufgrund gefrorenen Gases, das in dem Strömungsweg 80 eingefangen ist, einzufrieren und zu verstopfen, kompensieren. Weiter und vorteilhafterweise kann diese Konfiguration jegliche damit verbundene Wärmelast minimieren, die in das Reservoir 75 und auf das gesammelte gefrorene polarisierte Gas gerichtet ist. Das Verstopfungsproblem kann besonders störend in Speichern mit Düsen-Ausgestaltungen sein, da sogar kleine Mengen einer Anhäufung in dem reduzierten Austrittsbereich der Düse 110 den ersten Strömungsweg 80 blockieren und ein weiteres Aufnehmen von polarisiertem Gas verringern und sogar verhindern können. „Erwärmen" wie hier verwendet, kann die Anwendung von Wärme bei jeglicher Temperatur über dem Gefrierpunkt des ausgewählten polarisierten Gases sein, d.h. über 160°K für ¹²⁹Xe.
Allgemein ausgedrückt ist die Relaxationszeit von festem polarisiertem Gas (insbesondere ¹²⁹Xe) stark von der Temperatur des gefrorenen Gases abhängig. Anders ausgedrückt, je niedriger die Temperatur des gefrorenen Gases, um so länger die Relaxationszeit. Daher ist es wichtig, die Wärmelast auf das akkumulierte gefrorene Gas zu minimieren. Die Wärmelast, die durch den Gasstrom präsentiert wird, der den ersten Strömungsweg 80 herunter geleitet wird, ist größtenteils der Notwendigkeit zum Kühlen des Puffergases von Raumtemperatur zur kryogenen Temperatur (wie hier beschrieben für flüssigen Stickstoff (LN₂) oder 77°K) zuzuschreiben. Diese Wärmelast wird als in der Größenordnung von 2W eingeschätzt. Daher ist es erwünscht, um die Wärmelast auf das akkumulierte polarisierte ¹²⁹Xe zu minimieren, den Gasstrom auf nahe bei (aber über) der Gefriertemperatur des polarisierten Gases vor dem Austrittspunkt der Düse 110 zu kühlen. Für ¹²⁹Xe wird das Puffergas bevorzugt gerade über 160°K gekühlt, unterhalb der das Xe in der Düse einfrieren kann, was möglicherweise eine Verstopfung oder eine Blockierung verursacht. Vorteilhafterweise kann Kühlen des Austrittsgases auf 160°K die Wärmelast auf das gefrorene polarisierte Gas um soviel wie 50% abschneiden. Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung ermöglicht, daß dieser Austrittskanal so durch den Gegenfluß des Puffergases gekühlt wird. Vorteilhafterweise setzt dieser kühlende Gegenfluß die Düse 110 nicht übermäßig niedrigen Temperaturen aus, weil die Düse 110 oder der am meisten empfindliche Bereich des Strömungsweges 80 von dem Austrittskanal durch den Heizmantel oder den zweiten Strömungsweg 95 getrennt ist.
Wieder bezugnehmend auf 4 ist, wie gezeigt, der erste Strömungsweg 80 durch die Form der Innenwand 93a des Heizmantels 93 definiert. Bevorzugt erstreckt sich die Innenwand 93a ringsum um eine Öffnung, um den ersten Strömungsweg 80 zu definieren. Auf ähnliche Weise definiert die Außenwand 93b des Heizmantels 93 zusammen mit der äußeren Umhüllung 103 des Speichers 30 den Pufferaustrittsweg 90. Wie in 6 gezeigt ist, sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Innenwand 93a, die Außenwand 93b und die äußere Umhüllung 103 radial ausgerichtet. Die Innenwand des Heizmantels 93 umfaßt einen zurücktretenden Abschnitt 193 mit einem Durchmesser geringer als der Durchmesser des vorhergehenden Abschnittes der Innenwand. Dieser zurücktretende Abschnitt ist konfiguriert, um die Düse 110 in dem ersten Strömungsweg 80 bereitzustellen.
5 und 7 stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines Speichers 30' gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie in dieser Ausführungsform gezeigt ist, umfaßt der Heizmantel 93 mindestens eine verlängerte Leitung 145, die sich entlang eines Hauptteils des zweiten Strömungsweges 95 erstreckt. Da die Leitung 145 kryogenen Temperaturen ausgesetzt wird, sollte sie aus geeigneten, im wesentlichen nicht-depolarisierenden und kryo-akzeptierenden Materialien, wie PTFE und dergleichen erzeugt sein. Geeignete Materialien umfassen Materialien, die eine Niedrigtemperatur-Widerstandsfähigkeit besitzen. Ein Beispiel einer Marke eines derartigen Materials ist TEFLON^TM oder mit Metallfilm beschichtete Oberflächen. Die Leitung 145 leitet das wärmende Gas herunter zu dem unteren Teil des ersten Strömungsweges 80 und bevorzugter leitet es das wärmende Gas zum Düsenbereich 110 des ersten Strömungsweges oberhalb des Reservoirs 75. So ist das untere Ende 145a der Leitung bevorzugt benachbart zur Düse 110 angeordnet. Sobald es freigesetzt ist, wandert das wärmende Gas den sich ringsum erstreckenden zweiten Strömungsweg 95 herauf und tritt an der Auslaßöffnung 126 aus. Dieses wärmende Gas kann der Kälte-/Verstopfungswirkung, die der Gegenfluß des kalten Puffergases auf den ersten Strömungsweg in dem Bereich hat, der gegenüber Verstopfen wie oben diskutiert anfällig ist, entgegenwirken. Natürlich können auch zusätzliche Wärmemanteleinlässe, Leitungen und Auslaßöffnungen (nicht gezeigt) innerhalb des Umfangs der Erfindung eingesetzt werden.
Beispiele geeigneter Durchmesser des ersten Strömungsweges 80, des zweiten Strömungsweges 95 und des Puffergasaustrittsweges 90 sind 6,35, 12,7 bzw. 19,05 mm (0,25, 0,5 und 0,75 Inch). In einer Ausführungsform erstreckt sich die Düse 110 entlang des ersten Strömungsweges für ungefähr 25,4 mm (1,0 Inch). Bevorzugt ist der Speicher 30 aus Glas wie PYREX^TM gebildet und ist konfiguriert, um ungefähr 608 bis 1.013,25 kPa (6 bis 10 atm) oder einem höheren Druck zu widerstehen.
Im Betrieb ist es bevorzugt, daß während der Akkumulation von gefrorenem hyperpolarisiertem Gas das wärmende Gas in den zweiten Weg mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 7,8658 bis 47,2 ml/s (1 bis 6 ft³/h) eingeleitet wird, bevorzugter bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 15,732 bis 39,329 mm/s (2 bis 5 ft³/h) und noch bevorzugter bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 23,597 ml/s (3 ft³/h). Bevorzugt arbeitet während des Auffangens der Speicher 30 bei demselben Druck wie die optische Pumpzelle.
Wie oben diskutiert, ist das bevorzugte wärmende Gas trockener N₂ bei Umgebungstemperatur (N₂ besitzt annähernd zweimal die Wärmekapazität von Helium), aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Beispielhaft bevorzugte Temperaturen des wärmenden Gases sind ungefähr 10 bis 26,7°C (50° bis 80°F) und bevorzugter ungefähr 20 bis 25,6°C (68° bis 78°F). In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine entsprechende „Heizgas"-Strömungsgeschwindigkeit auf ein minimales Niveau entsprechend einer vorbestimmten Temperatur des wärmenden Gases eingestellt; d.h. die minimale Geschwindigkeit wird für eine bestimmte Temperatur eingestellt, unterhalb derer ein Verstopfen erfolgt, wobei diese minimale Geschwindigkeit als „kritische Strömungsgeschwindigkeit" bezeichnet werden kann. Falls höhere Temperaturen verwendet werden, werden niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten typischerweise erforderlich sein. Beispiele anderer wärmender Gase umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Helium, trockene Luft und dergleichen. Bevorzugt wird, falls „wärmende" Gase höherer Temperatur verwendet werden, eine geringere entsprechende Strömungsgeschwindigkeit verwendet. Im Gegensatz dazu wird, falls „wärmende" Gase niedrigerer Temperatur verwendet werden, eine höhere entsprechende Strömungsgeschwindigkeit verwendet.
Vorteilhafterweise kann die vorliegende Erfindung ungefähr 80 bis 100% des polarisierten Gases im Gasstrom aufnehmen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung ein polarisiertes Gasprodukt mit einer verlängerten Nutzungsdauer ergeben. Dies wird den verbesserten Aufnahme- und/oder Auftautechniken zugeschrieben, die ein polarisiertes Gasprodukt ergeben können, das größere Polarisationsniveaus im Vergleich zu herkömmlichen Techniken beibehält, wie weiter unten diskutiert werden wird.
Auftauen
Wie oben angemerkt, setzt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine kompakte Permanentmagnetenanordnung ein, die um das hyperpolarisierte Gas angeordnet ist. Unglücklicherweise kann das Magnetfeld, das durch eine solche Anordnung bereitgestellt ist, etwas inhomogen sein. Wenn Gas aufgetaut wird, kann diese Inhomogenität das hyperpolarisierte Gas relativ schnell depolarisieren. Frisch aufgetautes ¹²⁹Xe ist besonders empfänglich gegenüber durch Inhomogenität induziertem Abbau („Verlust der Polarisation"). Zum Beispiel ist die Relaxation von gasförmigem ¹²⁹Xe besonders störend, wenn es durch inhomogene Felder diffundiert. Diese Relaxation steigt im allgemeinen linear mit dem umgekehrten Druck des Gases. Das heißt, daß bei niedrigen Gasdrücken, die bei Beginn des Auftauprozesses auftreten, die durch Inhomogenität (Feldgradienten) induzierte Relaxationswirkung die stärkste ist (Relaxation von ¹²⁹Xe bei 101,325 kPa (1 atm) des Gasdruckes wurde bei nur 22 Sekunden gemessen). Dieses Problem wird durch Schließen der Absperrventile 35, 37 im Speicher 30 während des anfänglichen Auftauens gelöst. Wenn das polarisierte Gas auftaut, baut sich schnell Druck auf, der schnell 1 atm überschreitet und sich weiter aufbaut. Wenn der Druck ansteigt, geht das verbleibende feste ¹²⁹Xe eher in die flüssige Form als in die gasförmige Form über. Das flüssige ¹²⁹Xe ist relativ unempfindlich gegenüber Magnetfeldgradienten, Inhomogenitäts-Relaxation, Temperatureffekten und magnetischen Feldstärken, wodurch es zu den robusteren Formen von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe gemacht wird. Flüssiges ¹²⁹Xe hat typische Relaxationszeiten von ungefähr 20 bis 30 Minuten. Siehe K. L. Sauer et al., Laser Polarized Liquid Xenon, Appl. Phys. Lett. (angenommen 1997). Der flüssige Zustand hilft weiter, um die Wärme an das verbleibende feste ¹²⁹Xe schnell zu verteilen, wodurch das Auftauen weiter beschleunigt wird.
Der Heizmantel 93 kann auch den Auftauprozeß des gefrorenen polarisierten Gases verbessern. Es ist wichtig, das gefrorene polarisierte Gas in einen flüssigen Zustand schnell zu transformieren, da sowohl der feste als auch der Gaszustand von Xenon extrem empfindlich gegenüber Depolarisation während des Übergangs sind. Zum Beispiel wenn festes oder gefrorenes ¹²⁹Xe nahe an seinem Schmelzpunkt erwärmt wird, wird die Relaxationszeit dramatisch von 3 Stunden bei 77°K zu gerade ein paar Sekunden nahe dem Phasenübergangspunkt verringert. Zusätzlich ist die Gas-Relaxation bei Temperaturen gerade über der Sublimationstemperatur von ¹²⁹Xe schnell, mit einer exponentiellen Abhängigkeit von der Temperatur. Zum Beispiel beträgt die Relaxationszeit von gasförmigem ¹²⁹Xe auf einer gegebenen Oberfläche bei 160°K nur 3%, solang wie jene bei 300°K auf derselben Oberfläche. Weiterhin ist während der frühen Stufen des Auftauens, wenn der Xe-Gasdruck niedrig ist, das gasförmige ¹²⁹Xe gegenüber den oben diskutieren Inhomogenitätsproblemen empfänglicher.
Herkömmlicherweise wurde Wärme an das Äußere des Speichers während des Auftauens geliefert. Wenn das gefrorene hyperpolarisierte Gas aufzutauen begann, würde es wieder einfrieren, z.B. am Austrittspunkt des ersten Strömungsweges 80. Dies könnte verursachen, daß das ¹²⁹Xe mehr als einmal während des Auftauprozesses einfriert und auftaut, wie auch das polarisierte Gasprodukt dazu veranlassen, mehr Zeit bei der empfindlichen Übergangsphase zu verbringen, bei der die Relaxation schneller ist.
Vorteilhafterweise kann der oben beschriebene Heizmantel 93 des Speichers 30, 30' zusätzlich den Auftauprozeß verbessern. Zur 8 kommend, der Heizmantel oder zweite Strömungsweg 95 des Speichers kann Wärme an den Düsenbereich 110 des Speichers 30 während des Auftauprozesses liefern. Bevorzugt wird der untere Bereich des Strömungsweges oder der Düsenbereich vor dem Auftauen vorgeheizt, so daß die Düse 110 weit über dem Gefrierpunkt des polarisierten Gases ist, vor dem Anwenden von Wärme auf die äußere Oberfläche des Reservoirs 75. Es ist zusätzlich bevorzugt, daß während des Auftauens Wärme sowohl an das Äußere als auch das Innere des Cold Fingers geliefert wird. Das innere Erwärmen wird bevorzugt auf den unteren Bereich des Speichers, d.h. den Düsenbereich angewandt. Die Düse 110 wird so durch das zirkulierende Fluid (bevorzugt Gas) in dem Wärmemantel 93 erwärmt. Verschiedene wärmende Gase, wie jene, die oben beschrieben sind, können verwendet werden. Bevorzugt ist die Strömungsgeschwindigkeit des wärmenden Gases höher als jene, die während des Akkumulationsprozesses verwendet wurde, wie ungefähr 39,329 bis 94,39 ml/s (5 bis 12 ft³/h) und bevorzugter ungefähr 78,658 ml/s (10 ft³/h) während des Auftauens. Auf ähnliche Weise sind die bevorzugten Temperaturen des „wärmenden" Gases, das während des Auftauens geliefert wird, typische intern geregelte Umgebungsbedingungen (z.B. Raumtemperaturgase, wie 20 bis 25,6°C (68 bis 78°F)).
Für einen „transportierten" Speicher 30 wird, sobald das gesamte ¹²⁹Xe flüssig ist, das Absperrventil 35 bevorzugt geöffnet, was zu einer befestigten evakuierten Kammer oder Beutel oder einem anderen Abgabemittel oder Aufnahmegefäß führt. Natürlich kann eines der beiden Ventile 35, 37 geöffnet werden, abhängig davon, wo das Abgabegefäß oder die Aufnahme befestigt ist (nicht gezeigt). Für einen „on-board"-Speicher ist das Absperrventil 37 das Betriebsventil, wie oben beschrieben. Die plötzliche Abnahme im Druck verursacht, daß das flüssige ¹²⁹Xe gasförmig wird und den Speicher 30 schnell verläßt, wodurch es vorteilhafterweise eine minimale Zeitdauer im inhomogenen Magnetfeld im gasförmigen Zustand verbringt. Auf ähnliche Weise wird, falls die „on-board"-Freisetzung eingesetzt wird, das Absperrventil 37 geöffnet und das Gas fließt durch das Ventil 47 und tritt durch den Auslaß 50 in ein Abgabegefäß aus. Herkömmliche Verfahren des Auftauens umfaßten das Öffnen des Cold Fingers (Speicher) zum zu füllenden Gefäß und dann Beginnen mit dem Auftauen. Dieses Auftauen konnte typischerweise 30 Sekunden oder mehr dauern, um Dosismengen für einen einzelnen Patienten zu vervollständigen. Im Vergleich und vorteilhafterweise kann das vorliegende Auftauverfahren in weniger als ungefähr 10 Sekunden abgeschlossen werden, und bevorzugt in weniger als ungefähr 5 bis 6 Sekunden für Einzeldosismengen von gefrorenem hyperpolarisiertem Gas. Eine typische Patientendosis beträgt ungefähr 0,20 bis 1,25 l („L") und bevorzugt ungefähr 0,5 bis 1,0 l. Das Umwandlungsgewicht beträgt ungefähr 5,4 g/l Xe. Auf ähnliche Weise beträgt die Dichte von festem Xe ungefähr 3,1 g/cm³ und ein entsprechendes Patientenvolumen von polarisiertem gefrorenem Xe kann auf ungefähr 1,8 cm³/l berechnet werden.
Vorteilhafterweise zeigen Beobachtungen des vorliegenden Auftauverfahrens eine Verbesserung um einen sicheren Faktor von ungefähr 2 oder mehr in dem Endpolarisationsniveau von aufgetautem ¹²⁹Xe im Vergleich zu jenem, das durch herkömmliche Verfahren aufgetaut wurde.
Es wird auf 12A und 12B Bezug genommen, 12A stellt die Polarisationsergebnisse dar, die durch eine herkömmliche Auftautechnik erhalten werden, während 12B Ergebnisse graphisch darstellt, die durch das verbesserte Auftauverfahren wie oben beschrieben erhalten werden. Jede der graphischen Darstellungen zeichnet die Prozentpolarisation von ¹²⁹Xe nach dem Auftauen im Verhältnis zu der gesamten Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Polarisationszelle 22 (und daher der gesamten Einheit). Die entsprechende ¹²⁹Xe-Strömungsgeschwindigkeit sind die Prozente der gesamten Gasmischung. Im gezeigten Beispiel macht ¹²⁹Xe ungefähr 1% der gesamten Gasmischung aus, so ist die ¹²⁹Xe-Strömungsgeschwindigkeit die gesamte Strömungsgeschwindigkeit dividiert durch 100. Zum Beispiel bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1.000 Standard-cm³ (standard cubic centimeters per minute („sccm")) wird ¹²⁹Xe typischerweise bei einer Geschwindigkeit von 10 cm³ pro Minute oder 600 cm³ pro Stunde akkumuliert. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten sind erwünscht, um den Durchsatz an ¹²⁹Xe zu vergrößern. Jedoch wird die Polarisation bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten verringert. Dies wird der verringerten Zeit zugeschrieben, die das ¹²⁹Xe in Verweilzeit im Spin-Austausch-Kontakt mit dem optisch gepumpten Rb bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten verbringt. Das heißt, daß die Xe-Verweilzeit in der Zelle 22 im allgemeinen mathematisch als gleich dem Gasdruck multipliziert durch das Zellvolumen dividiert durch die Strömungsgeschwindigkeit (PV/m) beschrieben werden kann.
12A zeigt, daß die herkömmliche Auftautechnik gestreute Polarisationsergebnisse ergibt, die willkürlichen Polarisationsverlusten zugeschrieben werden, die hauptsächlich während des Auftauens auftreten. 12B ist auf Kurs mit den oben beschriebenen Eigenschaften des optischen Pumpens und erzeugt nun vorhersagbare Polarisationsniveaus nach dem Auftauen entsprechend der Akkumulations-Strömungsgeschwindigkeit.
Wie in 12B gezeigt ist, werden, wenn das Auftauen gemäß dem oben beschriebenen verbesserten Verfahren durchgeführt wird (unter Druck und mit innerem und äußerem Erwärmen) für Strömungsgeschwindigkeiten unter 1.000 sccm (oder Standard cm³/min) Polarisationsniveaus nach dem Auftauen von über 10% zuverlässig erreicht. Die in dieser Figur gezeigten Ergebnisse repräsentieren ein 190 cm³-Volumen von ¹²⁹Xe (und Rb-Polarisationsniveaus von ungefähr 0,25 bis 0,49). Natürlich werden, wie von einem Fachmann anerkannt werden wird, verschiedene Volumina (d.h. größer oder kleiner) des polarisierten Gases verschiedene relative Werte besitzen, die damit in Zusammenhang stehen. Zum Beispiel brauchen größere Volumina von ¹²⁹Xe mehr Zeit, um zu polarisieren, und deshalb wird bei denselben Strömungsgeschwindigkeiten die Polarisation des größeren Volumens geringer sein als jenes, das in 12B gezeigt ist. Anders ausgedrückt, für größere Menge polarisierten Gases wird die damit in Zusammenhang stehende Polarisationskurve unter die Werte fallen, die relativ zu jenen für ein beispielhaftes 190 cm³-Volumen von polarisiertem Gas wie in 12B gezeigt sind. Auch können typischerweise größere Mengen von polarisiertem Gas zu einem größeren Verlust führen, der einer Festphasenrelaxation zugeschrieben wird. Jedoch führt, wie durch die graphische Darstellung gezeigt ist, das Verfahren des Auftauens von gefrorenem Gas zu einer Polarisationskurve nach dem Auftauen, die vorhersagbar der anfänglichen Polarisationskurve folgt. Im Gegensatz dazu ist, wie durch 12A gezeigt ist, das herkömmliche Polarisationsniveau nach dem Auftauen sehr unvorhersagbar, bei einem Durchschnitt von ungefähr 4,4%. Tatsächlich beträgt bei ungefähr 900 sccm (Standard-cm³/min) der Polarisationspunkt ungefähr 2,16%, während die Vorhersage 18,7% beträgt, wodurch der Retentionsanteil zu niedrigen 12,2% gemacht wird (verliert ungefähr 87,8% der Ausgangspolarisation). Anders als das herkömmliche Verfahren erzeugt das Verfahren Polarisationsniveaus nach dem Auftauen, die vorhersagbar der während der Akkumulation verwendeten Strömungsgeschwindigkeit entsprechen.
13 stellt experimentelle und theoretische Polarisationsniveaus vor und nach dem Auftauen dar. Die experimentelle Kurve Fließend zeigt die Polarisationsniveaus, die vor dem Einfrieren erreicht wurden (das Niveau gemessen, wenn das ¹²⁹Xe die Pumpzelle 22 verläßt). Die experimentellen Datenpunkte auf der graphischen Darstellung repräsentieren Auftau-Datenpunkte, die durch Auftauen des aufgenommenen gefrorenen polarisierten Gases gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wurden. Die experimentellen Daten bestätigen, daß die Verfahren die Vorhersagbarkeit des Polarisationsretentionsanteils, der nun erreichbar ist, verbessern, wie auch den Wert des Polarisationsretentionsanteils vergrößern (Menge der Polarisation, die nach dem Auftauen beibehalten wurde, relativ zu jener, die vor dem Einfrieren erreicht wurde).
13A stellt eine Strömungskurve dar, die zum Vorhersagen von Polarisationsniveaus verwendet wurde, wie sie von einem aufgetauten polarisierten Xenon- Produkt erwartet werden, wobei diese Kurve Polarisationsniveaus nach dem Auftauen repräsentiert, die unter Abwesenheit von Polarisationsverlusten während des Einfrierens und Auftauens erreichbar sind. Diese Kurve umfaßt Verluste von normaler Relaxation von festem Xe (die im allgemeinen auf ungefähr 2 Stunden bei 77°K eingeschätzt werden kann). Wie gezeigt, besitzen niedrige Strömungsgeschwindigkeiten typischerweise einen damit in Zusammenhang stehenden relativ großen Polarisationsverlust. Dies beruht darauf, daß bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten die Akkumulationszeit beträchtlich sein kann und das Eis „T1" dann eine größere oder dominantere Rolle spielt. Wie gezeigt, beträgt der Polarisationsretentionsanteil, der unter Verwenden der Einfrier- und Auftauverfahren erreicht wird, über 40% für alle Strömungsgeschwindigkeiten, und der Durchschnitt beträgt ungefähr 49,9%. Deshalb ist, wie in 13A gezeigt ist, dieser Polarisationsretentionsanteil im wesentlichen gegenüber Strömungsgeschwindigkeit unempfindlich. Die unten aufgelisteten Daten zeigen beispielhafte Polarisationsretentionsanteile, die nun erreichbar sind.
Zum Beispiel besitzt ein Datenpunkt bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 600 sccm ein theoretisches Polarisationsniveau von 22,1 und einen entsprechenden experimentellen Datenpunkt von 11,18 Polarisation nach dem Auftauen. Das anfängliche Polarisationsniveau (vor Akkumulation/Einfrieren) für diese Strömungsgeschwindigkeit beträgt 22,1%. Deshalb beträgt der Polarisationsretentionsanteil nach dem Einfrier-/Auftau-Prozeß 11,18/22,1 oder 50,6%. Daher bewahrt die vorliegende Auftautechnik vorteilhafterweise mindestens 30% des anfänglichen Polarisationsniveaus und basierend auf diesen Daten bevorzugt über 40% des anfänglichen Polarisationsniveaus, und am meisten bevorzugt über 45%. Weiter vergrößert der verbesserte Retentionsgrad das Polarisationsniveau des Aufgetauten um eine Größenordnung (nun zuverlässig und vorhersagbar über ungefähr 10% im Gegensatz zu herkömmlichen Polarisationsniveaus des Aufgetauten von ungefähr 2%).
Obwohl für ¹²⁹Xe besonders geeignet, kann das vorliegende Auftauverfahren auch erfolgreich mit anderen hyperpolarisierten Edelgasen eingesetzt werden. Weiter wird es durch jene Fachleute anerkannt werden, daß das zum Einfrieren des polarisierten Gases verwendete Kryogen nicht auf flüssigen N₂ beschränkt ist. Jedoch, falls alternierende Kühlquellen oder Kryogene verwendet werden, sollten dann Strömungsgeschwindigkeiten, Akkumulationsgeschwindigkeiten, die Temperaturen des „wärmenden" Gases und dergleichen demgemäß eingestellt werden. Ferner ist es erwünscht, Kühlquellen mit Temperaturen mindestens so niedrig wie flüssiger Stickstoff (77 K) für das Aufnehmen des polarisierten Gases zu verwenden. Niedrigere Temperaturen erhöhen die T1-Zeit des festen polarisierten Gases, was zu vergrößerten Relaxationszeiten führt. Zum Beispiel besitzen polarisierte Gase, die bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs eingefroren wurden, eine Eis-Relaxationszeit (T1) von annähernd 2,8 Stunden, während polarisierte Gase, die bei Temperaturen des flüssigen Heliums eingefroren wurden, eine Eis-Relaxationszeit (T1) von annähernd 12 Tagen besitzen. Deshalb wird das Auftauen, um höhere Polarisationsniveaus nach dem Auftauen zu erreichen, bevorzugt innerhalb der entsprechenden T1-Zeitspanne ausgeführt.
9, 10 und 11 sind Blockdiagramme von Verfahren, die mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang stehen. Die Reihenfolge der Verfahren ist nicht als durch die gezeigten Blocknummern und Reihenfolge beschränkt gemeint. Zusätzliche Schritte können auch umfaßt sein, wie betriebsgemäß oben beschrieben ist.
9 zeigt Schritte zum Akkumulieren oder Aufnehmen von gefrorenem polarisierten Gas nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Gasmischung mit einem polarisierten Gas wird in einen Aufnahmeweg geleitet (Block 900). Das polarisierte Gas wird im Speicher im Aufnahmeweg empfangen. Der Speicher besitzt einen Einlaßkanal, ein Aufnahmereservoir und einen Auslaßkanal (Block 910). Das Aufnahmereservoir wird Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des polarisierten Edelgases ausgesetzt (Block 920). Das polarisierte Gas wird in einem im wesentlichen gefrorenen Zustand im Aufnahmereservoir eingefangen (bevorzugt ein gänzlich fester gefrorener Zustand (Block 930)). Der Rest der Gasmischung wird in den Auslaßkanal geleitet (Block 940). Ein Teil des Einlaßkanals im Speicher wird erwärmt, um den Durchfluß der Gasmischung dadurch zu vereinfachen (Block 950). Der Erwärmungsschritt (Block 950) wird bevorzugt durch Einleiten eines Gases getrennt von der Gasmischung ausgeführt, um einen vorbestimmten Bereich des Einlaßkanals leitend zu erwärmen, wobei das getrennte Gas entfernt von den Einlaß- und Auslaßwegen enthalten ist. Das enthaltene getrennte Gas wird dann um einen Abschnitt des Einlaßweges im Kreis geführt, um die Wahrscheinlichkeit der Blockierung entlang des Einlaßweges, der dem Schritt des Aussetzens zugeschrieben wird, zu verringern.
10 stellt ein Verfahren zum Auftauen gefrorenen polarisierten Gases dar. Ein abgedichteter Behälter wird bereitgestellt, der einen inneren Strömungsweg und eine Aufnahmekammer zum Halten von gefrorenem polarisierten Gas umfaßt (Block 1000). Das gefrorene Gas wird einem Magnetfeld ausgesetzt (Block 1500). Ein Teil des inneren Strömungsweges benachbart zur Aufnahmekammer wird erwärmt (Block 1010). Das Äußere des abgedichteten Behälters wird auch erwärmt (Block 1020). Das gefrorene Gas wird während der Erwärmungsschritte derart verflüssigt, daß eine minimale Menge des polarisierten Gases zur gasförmigen Phase übergeht (und umgekehrt eine wesentliche Menge des polarisierten Gases direkt in die flüssige Phase übergeht) (Block 1030). Bevorzugt wird der Verflüssigungsschritt durch Schließen der Absperrventile und Abdichten des Behälters ausgeführt, was es ermöglicht, daß sich der Druck bis zu einem vorbestimmten Niveau aufbaut, wobei das Niveau der Zeit entspricht, die man braucht, um ein „augenblickliches" Auftauen bereitzustellen. An ders ausgedrückt bleiben die Ventile für eine Zeitdauer, die so kurz wie möglich ist, geschlossen (wie oben beschrieben, weniger als ungefähr 10 Sekunden für eine Einzelpatientendosis), wobei die Zeitdauer der Zeit entspricht, die man braucht, um einen im wesentlichen vollständigen Gasdruck nach dem Öffnen des Speicher-Absperrventils zu erreichen. Der freigesetzte Druck kann gemäß einer Druckkurve des flüssigen Xe-Dampfes berechnet werden. Siehe V. A. Rabinovich et al., "Thermophysical Properties of Neon, Argon, Krypton, and Xenon" (Hemisphere Publishing Corp., Wash. 1988). Es wird gedacht, daß eine beispielhafte Druckfreisetzung weniger als ungefähr 506,625 bis 1013,25 Kpa (5 bis 10 atm) (und mindestens weniger als ungefähr 1722,525 kPa (17 atm)) für eine 0,5 l-Akkumulation in einem 30 cm³-Speicher bei einer Temperatur unter 200 K ist. Dieser Wert wird für verschiedene Cold Finger-Volumina, verschiedene Akkumulations-Volumina und die Temperatur des Gases in flüssigem Xe verschieden sein. Die Quellenangabe Sauer et al., supra, zeigt an, daß für Xe bei 161,4 K, P = 81,06 kPa (0,81 atm), und für den Tripelpunkt 289,7 K, P = 5775,525 kPa (57 atm), bei 240 K, P = 4053 kPa (40 atm). Daher, wie durch Block 1040 angezeigt ist, wird der Gasdruck aus dem abgedichteten Behälter freigesetzt, sobald der flüssige Zustand erreicht wird. Es ist auch bevorzugt, daß das Innere wie oben beschrieben erwärmt wird.
11 stellt ein Verfahren zum Verlängern der Polarisationsnutzungsdauer eines polarisierten Gasproduktes dar. Ein Magnetfeld wird bereitgestellt (Block 1100). Das Produkt des polarisierten Gases wird bei Vorhandensein des Magnetfeldes eingefroren (Block 1110). Eine Menge des gefrorenen polarisierten Gases wird in einer Sicherheitsbehälter-Vorrichtung eingeschlossen (Block 1115). Das polarisierte Gas wird bei Vorhandensein eines magnetischen Feldes aufgetaut (Block 1120). Eine wesentliche Menge des gefrorenen Gases wird direkt in die flüssige Phase in dem abgedichteten Behälter während des Auftauschrittes umgewandelt (Block 1130). Obwohl es in dieser Figur nicht gezeigt ist, können verschiedene andere Schritte analog des oben beschriebenen eingesetzt werden. (Zum Beispiel können andere Schritte umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Verringern der Menge von ¹³¹Xe in der angereicherten Gasmischung, Erwärmen des Inneren des Strömungsweges, Verwenden einer Düse, um den Gasfluss zu leiten, Herabsetzen des Druckes in der Sicherheitsbehältervorrichtung durch Öffnen der Ventile, was verursacht, daß die Flüssigkeit zu Gas wird, und Freisetzen des polarisierten Gases an ein Zwischenstück wie einen Beutel oder eine andere Abgabevorrichtung).

Claims

Tieftemperaturspeicher 30 zum Aufnehmen von gefrorenen polarisierten Edelgasen umfassend: einen ersten Strömungsweg 80 mit einem ersten und einem zweiten Ende, die sich gegenüberliegen, der für die Durchleitung von polarisiertem Gas ausgelegt ist; eine äußere Umhüllung 103, die um den genannten ersten Strömungsweg 80 angeordnet ist, wobei die genannte äußere Umhüllung 103 ein geschlossenes Ende aufweist, das eine Auffangkammer 75 bildet, die unterhalb des genannten zweiten Endes des ersten Strömungsweges 80 angeordnet ist; und einen zweiten Strömungsweg 95, der zwischen dem genannten ersten Strömungsweg 80 und der genannten äußeren Umhüllung 103 angeordnet ist, wobei der genannte zweite Strömungsweg 95 ein geschlossenes Ende aufweist, das in nächster Nähe des genannten zweiten Endes des ersten Strömungsweges angeordnet ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 1, worin der genannte zweite Strömungsweg 95 eine zylindrisch geformte Innenwand 93a aufweist und die genannte Innenwand 93a den genannten ersten Strömungsweg 80 bildet.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der genannte zweite Strömungsweg 95 eine Außenwand 93b aufweist und zwischen der genannten Außenwand 93b und der genannten äußeren Umhüllung 103 ein Austrittsweg für das Puffergas 90 gebildet ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das genannte zweite Ende des ersten Strömungsweges eine Düse 110 ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 3, der weiterhin ein erstes und ein zweites Absperrventil 35, 37 umfaßt, die mit dem genannten ersten Strömungsweg 80 und dem genannten Austrittsweg für das Puffergas 90 in Verbindung stehen.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 5, worin das genannte erste Absperrventil 35 am ersten Ende des genannten ersten Strömungsweges angeordnet ist, um den Durchfluß eines bestimmungsgemäßen Gases zu steuern.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 5, worin das genannte zweite Absperrventil 37 in einigem Abstand von dem genannten geschlossenen Ende der äußeren Umhüllung 103 am genannten Austrittsweg für das Puffergas 90 angeordnet ist, um den Austritt des durchfließenden Gases dadurch freisetzbar zu unterbinden und zu steuern.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der weiterhin einen Einlaß 125 und eine Auslaßöffnung 126 für den zweiten Strömungsweg und eine Leitung 145 in fließtechnischer Verbindung mit dem genannten Einlaß 125 umfaßt, worin sich die genannte Leitung 145 über einen großen Teil des genannten zweiten Strömungsweges 95 erstreckt, wodurch ein warmer Gasstrom an eine bestimmte Stelle des genannten ersten Strömungsweges 80 geleitet wird.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in Kombination mit einer Hyperpolarisator-Einheit 10, worin der genannte Speicher 30 abtrennbar mit der genannten Hyperpolarisator-Einheit 10 verbunden ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der genannte zweite Strömungsweg 95 von dem genannten ersten Strömungsweg 80 getrennt ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der genannte zweite Strömungsweg 95 einen Heizmantel 93 darstellt, der für den Durchfluß eines Gases ausgelegt ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der genannte zweite Strömungsweg 95 eine in Längsrichtung verlaufende Leitung 145 einschließt, die so aufgebaut ist, daß ein Gas zu dem genannten geschlossenen Ende des zweiten Strömungsweges 95 geleitet wird, das sich in der Nähe des genannten zweiten Endes des genannten ersten Strömungsweges 80 befindet.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, der weiterhin mindestens einen Permanentmagneten 40 umfaßt, der in der Nähe der genannten Auffangkammer 75 angeordnet ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, der weiterhin eine Tiefkühlvorrichtung 42 umfaßt, die mit der genannten Auffangkammer 75 funktionell verbunden ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, worin der genannte zweite Strömungsweg 95 für den Durchfluß von gasförmigem Stickstoff, der Umgebungstemperatur aufweist, ausgelegt ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, worin der genannte Speicher 30 weiterhin mindestens einen Auslaß für den zweiten Strömungsweg 126 umfaßt, der mit dem genannten zweiten Strömungsweg 95 in Verbindung steht.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 16, der weiterhin einen Durchflußregler umfaßt, der mit dem genannten Auslaß 126 funktionell verbunden ist, um den durchfließenden Gasstrom einzustellen, wodurch die Wärme, die auf mindestens einen Abschnitt des genannten ersten Strömungsweges 80 einwirkt, reguliert wird.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, worin die genannte äußere Umhüllung 103, der genannte zweite Strömungsweg 95 und der genannte erste Strömungsweg 80 über einen großen Teil der Länge des genannten Speichers 30 radial ausgerichtet sind.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, worin das genannte zweite Ende als Strömungsdüse 110 ausgebildet ist und worin die genannte Strömungsdüse 110 auf die genannte Auffangkammer 75 ausgerichtet und in ihrer Nähe angeordnet ist.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 19, der weiterhin eine Heizquelle 93 umfaßt, die zwischen dem genannten ersten Strömungsweg 80 und der genannten äußeren Umhüllung 103 vor der genannten Auffangkammer 75 angeordnet ist, wobei die genannte Heizquelle so angeordnet ist, daß sie die genannte Strömungsdüse 110 erwärmt.
Tieftemperaturspeicher 30 gemäß Anspruch 20, worin die genannte Heizquelle 93 eine Leitung 145 einschließt, die einen Strom eines bestimmten Gases auf die genannte Strömungsdüse 110 lenkt.
Verfahren zum Aufnehmen von gefrorenem polarisierten Edelgas umfassend die Schritte: Leiten einer Gasmischung, die ein polarisiertes Edelgas und ein zweites Gas umfaßt, entlang eines Aufnahmeweges und in einen Speicher 30; Auffangen der Gasmischung im Speicher 30, der im Aufnahmeweg angeordnet ist, wobei der Speicher 30 einen Einlaßweg 80, einen Auffangbehälter 75 und einen Austrittsweg 90 aufweist; Kühlen des Auffangbehälters 75 auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des polarisierten Edelgases; Einschließen des polarisierten Edelgases in einem im Wesentlichen gefrorenen Zustand 100 im Auffangbehälter 75; Weiterleiten des restlichen Teils der Gasmischung, der das zweite Gas einschließt, in den Austrittsweg 90; und Erwärmen eines Abschnittes des Einlaßweges 80 im Speicher 30, um den Durchfluß der durchgeleiteten Gasmischung zu erleichtern.
Verfahren gemäß Anspruch 22, worin der genannte Erwärmungsschritt die folgenden Schritte umfaßt: Einleiten eines von der Gasmischung gesonderten Gases, um eine bestimmte Stelle des Einlaßweges 80 zu erwärmen, wobei das gesonderte Gas 95 außerhalb des Einlaßweges 80, des Austrittsweges 90 und des Auffangbehälters 75 vorliegt; Führen des von der Gasmischung gesonderten Gases auf einen Abschnitt des Einlaßweges 80, um Wärme auf ausgewählte Abschnitte des Einlaßweges 80 zu leiten und die Wahrscheinlichkeit einer Blockierung innerhalb des Einlaßweges 80, die auf dem genannten Kühlschritt beruht, zu verringern.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, worin der genannte Schritt des Leitens das Einleiten der Gasmischung durch eine gerichtete Düse 110 in den Auffangbehälter 75 einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, worin der genannte Kühlschritt das Eintauchen des unteren Behälters 75 in ein flüssiges Tiefkühlbad 43 einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, worin der genannte Erwärmungsschritt durch die folgenden Schritte verwirklicht wird: Leiten von Stickstoffgas, das Raumtemperatur aufweist, um die Außenseite mindestens eines Abschnittes des Einlaßweges 80; und Auffangen des Stickstoffgases und dessen Ausleitung in die Atmosphäre wegführend von dem gespeicherten gefrorenen Edelgas 100.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26 umfassend weiterhin die Schritte: Speichern des polarisierten Edelgases 100 im Auffangbehälter 75; und Einbringen des Gases in ein magnetisches Feld während des Speicherns.
Verfahren gemäß Anspruch 27, umfassend weiterhin die Schritte: Abtrennen des Speichers 30 von einem Abschnitt des Aufnahmeweges und Transportieren des Speichers 30 mit gefrorenem polarisierten Gas 100 in Gegenwart eines magnetischen Feldes zu einer entfernten Stelle.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 28, worin das genannte polarisierte Gas ¹²⁹Xe ist.