ES2212092T3 - Heperpolarizador de alto volumen para gases nobles polarizados por spin. - Google Patents

Abstract

SE DIVULGA UN METODO Y UN APARATO PARA ACUMULACION DE 129XE HIPERPOLARIZADO. EL METODO Y EL APARATO DE LA INVENCION PERMITEN LA ACUMULACION CONTINUA O EPISODICA DE 129XE HIPERPOLARIZADO FLUYENTE EN FORMA CONGELADA. EL METODO PERMITE TAMBIEN LA ACUMULACION DE 129XE HIPERPOLARIZADO A LA EXCLUSION SUSTANCIAL DE OTROS GASES, PERMITIENDO CON ELLO LA PURIFICACION DE 129XE HIPERPOLARIZADO. LA INVENCION INCLUYE ADEMAS MEDIOS DE ACUMULACION DE 129XE (17) QUE SE INTEGRAN CON MEDIOS DE HIPERPOLARIZACION DE 129XE EN UNA DISPOSICION DE FLUJO CONTINUO O IMPULSADO. EL METODO Y EL APARATO PERMITEN LA PRODUCCION A GRAN ESCALA, ALMACENAMIENTO Y USO DE 129XE HIPERPOLARIZADO PARA NUMEROSOS PROPOSITOS, INCLUYENDO LA FORMACION DE IMAGENES DE SUJETOS HUMANOS Y ANIMALES A TRAVES DE TECNICAS DE FORMACION DE IMAGENES DE RESONANCIA MAGNETICA (MRI).

Description

Hiperpolarizador de alto volumen para gases nobles polarizados por spin.

Esta invención se hizo con apoyo gubernamental conforme a los n° de concesión DAAHO4-94-G-0204, DAMD1794J4469 y F49620-94-0466. El Gobierno puede tener derechos en esta invención.

Antecedentes de la invención

La invención se refiere a aparatos y procedimientos para hiperpolarizar gases nobles. Específicamente, la invención se refiere a procedimientos y aparatos para producir cantidades importantes de gases nobles hiperpolarizados de una manera continua.

La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno que se puede inducir a través de la aplicación de energía contra un núcleo atómico que se mantiene en un campo magnético. El núcleo, si tiene un momento magnético, se puede alinear dentro de un campo magnético aplicado externamente. Este alineamiento se puede entonces perturbar por aplicación de una ráfaga breve de energía de radiofrecuencia al sistema. La perturbación del núcleo resultante se manifiesta como una resonancia u oscilación mensurable del núcleo relativa al campo externo.

Para que cualquier núcleo interaccione con un campo externo, no obstante, el núcleo debe tener un momento magnético, es decir, espín no nulo. Las técnicas experimentales de resonancia magnética nuclear se limitan, por lo tanto, al estudio de aquellas muestras blanco que incluyan una proporción importante de núcleos que presenten espín no nulo. Un núcleo de este tipo sumamente preferido es el protón (^{1}H), que se estudia típicamente observando y manipulando el comportamiento de protones de agua (^{1}H_{2}O) en campos magnéticos. Otros núcleos, que incluyen ciertos núcleos de gases nobles como, por ejemplo, ^{3}He y ^{129}Xe, están adaptados en principio para el estudio mediante RMN. No obstante, la baja abundancia natural relativa de estos isótopos, sus pequeños momentos magnéticos y otros factores físicos han hecho que el estudio por RMN de estos núcleos sea difícil, si no imposible, de llevar a cabo.

Una consideración importante al estudiar núcleos de gases nobles mediante RMN es que normalmente sólo producen una intensidad de señal de RMN muy baja. Se conoce, no obstante, que la polarización del espín de estos gases nobles como ^{3}He y ^{129}Xe se puede aumentar por encima de los niveles naturales, es decir, se pueden "hiperpolarizar" artificialmente poblaciones de estos isótopos, para proporcionar una señal de RMN mucho mayor. Una técnica de hiperpolarización preferida se conoce como hiperpolarización por intercambio de espín. Sin describir esta técnica exhaustivamente, en este marco hipotético se hiperpolariza un gas noble por interacción con un vapor de metal alcalino, como, por ejemplo, rubidio, que de por sí se ha polarizado mediante absorción de energía láser de una longitud de onda apropiada. El rubidio polarizado transfiere su polarización al gas noble a través de un fenómeno conocido como transferencia de intercambio de espín. El resultado final es que el gas noble se vuelve "hiperpolarizado", es decir, más polarizado que lo que estaría de otra manera. Los detalles de la teoría subyacente a la técnica de hiperpolarización por intercambio de espín están disponibles en la bibliografía.

Aunque bien establecida como un fenómeno teórico, la práctica real de la hiperpolarización por intercambio de espín ha resultado ser en cierto sentido un arte. La producción y manejo de gases nobles hiperpolarizados no es sólo difícil logísticamente, también es caro. Por otra parte, debido a la naturaleza experimental de los estudios de intercambio de espín, la producción de gases nobles hiperpolarizados ha sido emprendida típicamente sólo a una escala pequeña. Se necesita típicamente una destreza exquisita, que implica pericia en una variedad de campos incluidos láseres, electrónica, soplado de vidrio, funcionamiento de bombas de vacío ultra elevado, manejo de gases de elevada pureza así como espectroscopia de resonancia magnética nuclear.

Por ejemplo, la producción de una única muestra de gas noble hiperpolarizado ha implicado típicamente la fabricación de una célula de vidrio con una capacidad volumétrica de sólo algunas décimas a algunos cientos de centímetros cúbicos. Estas células han necesitado delicadeza en la fabricación, pero a pesar de toda su calidad, medida por su tendencia a despolarizar el gas noble, no ha sido siempre predecible. Por otra parte, el uso de estas células para intercambio de espín necesita que estén selladas con el metal alcalino presente allí dentro. Esto ha significado que se debe tener cuidado de retirar impurezas que puedan causar la oxidación del metal y el consiguiente arruinamiento de la célula. Otros problemas surgen en el vidrio mismo, que puede despolarizar el gas noble más rápido que lo que éste se puede polarizar. Para el estudio del gas noble polarizado mediante técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN), se debe abrir o destruir la célula cerrada para liberar el gas hiperpolarizado al interior del espectrómetro de RMN. El desarrollo de la muestra siguiente ha necesitado repetir todos estas etapas, incluido fabricar y llenar una nueva célula de vidrio que podría o no tener calidades parecidas, traduciéndose un procedimiento tedioso y a menudo impredecible.

Middleton estableció por primera vez la posibilidad de fabricar células selladas capaces de contener grandes cantidades de un gas noble para hiperpolarización mediante la técnica de intercambio de espín (Middleton, H. La estructura de espín del neutrón determinada usando un blanco de ^{3}He polarizado. Tesis doctoral, Universidad de Princeton (1994). Aun así, no se ha demostrado que la fiabilidad de los procedimientos descritos en esta publicación esté adaptada para el uso rutinario, porque la variabilidad de muestra a muestra ha seguido siendo un problema. Por otra parte, en este documento no se describe ningún procedimiento para fabricar células fiables o células que se pudieran usar de una forma continua o fluyente sin rehabilitación importante. Por consiguiente, aunque ha ocurrido progreso en la fabricación de células, la técnica no ha proporcionado medios para fabricar células de bombeo de intercambio de espín rellenables o de flujo continuo.

Otros han polarizado gases nobles ópticamente. Por ejemplo, el documento WO95/27438 describe un procedimiento de polarización convencional que usa una célula de bombeo óptico sellado. Pietrass y col., en ^{129}Xe polarizado ópticamente en espectroscopia RMN, Materiales avanzados XP-002098966, pp. 826-838 (1995), describe un aparato de bombeo óptico que polariza ópticamente ^{129}Xe con un metal alcalino. La célula de bombeo óptico se mantiene debajo del taladro de un imán superconductor. Esta referencia, que se considera que representa la técnica anterior más próxima no enseña cómo rellenar fluidamente las células de bombeo con un gas blanco bajo presión hiperbárica o liberación secuencialmente continua o episódica de gas polarizado fluyente.

Una publicación de Becker y col., Inst. y mét. nucl. en Res. fís. A, 346:45-51 (1994), describe un procedimiento para producir ^{3}He hiperpolarizado mediante un procedimiento de polarización claramente diferente conocido como intercambio de metaestabilidad. Este enfoque necesita el uso de una presión extremadamente baja de ^{3}He, es decir, aproximadamente 101,325 Pa (0,001 atm) a aproximadamente 1.103,25 Pa (0,01 atm) y no implica el uso de un metal alcalino. La acumulación importante de gas hiperpolarizado está limitada por la necesidad de usar células de bombeo enormes (es decir, de aproximadamente 1 metro de longitud) y después descomprimir el gas a un nivel útil. La publicación de Becker y col. describe un enfoque ingenioso pero difícil técnicamente que emplea grandes compresores volumétricos fabricados de titanio para comprimir el gas a aproximadamente presión atmosférica. Desgraciadamente, la fabricación y funcionamiento de un sistema de este tipo necesita gran competencia ingenieril, limitando la reproducibilidad y operatividad del sistema de una forma rutinaria. El aparato descrito por Becker y col. necesita cantidades importantes de espacio útil y no se puede mover. El artículo de Baker y col. evita también el uso de metales alcalinos en las células de bombeo y no describe ningún procedimiento para producir gas noble hiperpolarizado mediante intercambio de espín. Por lo tanto, el artículo de Becker y col. no resuelve la complejidad de fabricar células de bombeo en los que se emplea un metal alcalino. Por consiguiente, esta publicación no describe o sugiere ningún procedimiento o aparato referido a la producción y suministro de cantidades arbitrariamente grandes o pequeñas de gas noble hiperpolarizado mediante intercambio de espín.

Se demostró recientemente que se pueden tomar imágenes de gases nobles hiperpolarizados mediante técnicas de toma de imagen por resonancia magnética nuclear (IRM). Véase la solicitud de patente de EE UU N° de serie 08/225.243. Además, debido a que los gases nobles como grupo son inertes y no tóxicos, se comprobó que se pueden usar gases nobles hiperpolarizados para IRM de sujetos humanos y animales. Por consiguiente, existe una necesidad creciente de generación de mayores cantidades de gases nobles hiperpolarizados. Por otra parte, debido a preocupaciones médicas y veterinarias, se ha vuelto necesaria la uniformidad y fiabilidad controladas en la pureza de los gases y la cantidad de hiperpolarización. Además, la necesidad de generación cómoda y fiable de estos gases hiperpolarizados se ha vuelto importante para el uso en una instalación clínica en la que técnicos, con poca o sin formación específica en las técnicas de laboratorio descritas anteriormente, pueden a pesar de todo proporcionar muestras discretas o continuas de gas hiperpolarizado a sujetos que se someten a IRM.

A la vista de las consideraciones anteriores, está claro que el aparato y procedimientos en uso en la técnica existente están limitados de varias maneras. Por ejemplo, la técnica anterior no proporciona ningún medio práctico para rellenar una cámara (célula) de polarización por intercambio de espín una vez que se ha usado. La mayoría de las cámaras actuales o bien se sellan permanentemente después del primer llenado o se han rellenado con resultados en el mejor de los casos insatisfactorios. Así, sería beneficioso desarrollar medios para rellenar eficazmente una cámara de bombeo o incluso para bombear ópticamente en un modo de flujo continuo en la misma cámara, para disminuir costes de material y personal.

Por otra parte, incluso llenados satisfactorios de las células permanentemente sellados usados previamente se llevaron a cabo por un sistema con importantes diferencias. Antes, tanto con bombas sin aceite como con bombas de criocondensación que contienen aceite, para producir una aparato suficientemente limpio para rellenar cámaras de polarización de elevada calidad, se ha necesitado un sistema de vacío ultra elevado. Un sistema de este tipo es caro (aproximadamente 30.000 \textdollar), no muy compacto (huella de 0,91 m por 1,83 m) y necesita un elevado mantenimiento por parte de un técnico de vacío formado. Sería conveniente un sistema nuevo, que necesite sólo un mínimo mantenimiento y capaz de hacerse funcionar sin conocimiento especializado de tecnología de vacío. Además, un sistema con un tamaño más cómodo sería útil en instalaciones clínicas.

Además, no ha habido un modo práctico de producir gas hiperpolarizado de una manera continua. Por cada procedimiento de hiperpolarización por intercambio de espín se ha tenido que preparar e introducir al aparato de hiperpolarización una muestra nueva. Sería conveniente, por lo tanto, desarrollar un sistema que salve esta limitación para proporcionar medios para hiperpolarización continua de gas noble fluyente.

Los sistemas para producir gases hiperpolarizados han sido también bastante voluminosos, necesitando típicamente salas independientes para su instalación. Estos sistemas no son transportables. También serían beneficiosos sistemas transportables en situaciones en donde el espacio es una consideración crítica.

Además, no ha habido previamente un modo cómodo de almacenar cantidades sustanciales de gases nobles hiperpolarizados para la distribución posterior en cantidades discretas de cantidad arbitraria (hasta litros de gas a presión atmosférica). Sería importante salvar esta limitación también, para proporcionar un aparato para la acumulación continua de un gas noble hiperpolarizado, así como almacenamiento y liberación controlada del gas hiperpolarizado en función de su necesidad, conservando todavía cantidades sustanciales de hiperpolarización.

Resumen de la invención

Por consiguiente, debido la invención, se proporciona ahora un aparato y procedimiento mejorados para producir gases nobles hiperpolarizados. Particularmente, se proporciona un aparato autónomo para producir y suministrar grandes cantidades de gases nobles hiperpolarizados de elevada pureza para el uso en la toma de imagen por resonancia magnética.

En una forma de realización, el aparato incluye un hiperpolarizador de elevada capacidad, en el que se puede hiperpolarizar un gas noble fluyente, preferentemente xenón-129 o helio-3, en cantidades sustancialmente mayores que lo que ha sido posible antes. Este hiperpolarizador incluye medios para hiperpolarizar un gas noble fluyente en un modo continuo o por lotes. Por ejemplo, el gas noble se puede hacer fluir a través de la cámara de polarización del hiperpolarizador en un modo continuo, de modo que el caudal permite que se hiperpolaricen una fracción sustancial de los núcleos durante su paso a través de la cámara de polarización. Este enfoque de flujo continuo está articularmente bien adaptado a un gas noble con un tiempo de polarización relativamente breve, como, por ejemplo, ^{129}Xe. De forma alternativa, en un enfoque semicontinuo, el flujo del gas noble se puede aislar o interrumpir temporalmente para permitir la hiperpolarización del gas noble en volúmenes discretos. En este modo semicontinuo, se hiperpolariza una cantidad o volumen del gas noble en la cámara de polarización y después de eso se reanuda el flujo para suministrar una cantidad discreta o impulso de un gas noble. Además, volúmenes posteriores del gas fluyente se pueden tratar después para proporcionar impulsos episódicos o periódicos de gas hiperpolarizado. El helio-3 tiene un tiempo de polarización relativamente largo, es decir, hasta varias horas, y se polariza preferentemente usando este enfoque de flujo episódico.

En este aparato, la cámara de polarización permite el flujo a través del gas noble, tanto de forma continua como semicontinua. Por lo tanto, la generación de cantidades relativamente grandes del gas noble hiperpolarizado no se dificulta o limita de otra manera por la necesidad de preparar nuevas células de hiperpolarización para todas y cada una de las polarizaciones.

En otra forma de realización, el aparato hiperpolarizador de la invención incluye además medios para acumular ^{129}Xe en un modo continuo o semicontinuo. Este sistema permite que se haga fluir el xenón hiperpolarizado desde la cámara de polarización a través de un depósito de criocondensación y que se separe eficazmente y selectivamente como xenón congelado. El acumulador permite que fluya xenón dentro del depósito para depositarse encima del xenón depositado previamente, permitiendo de ese modo la acumulación del hielo de xenón. Debido a que la forma sólida de ^{129}Xe hiperpolarizado tiene un tiempo de vida de polarización mucho más largo que la forma gaseosa, el acumulador puede servir como un dispositivo de almacenamiento, permitiendo la acumulación de cantidades importantes de gas hiperpolarizado para el uso en un momento posterior.

La invención proporciona un procedimiento para hiperpolarizar un gas noble según la reivindicación 1. Incluye además un procedimiento para hiperpolarizar un gas noble en el que se hiperpolariza una mezcla gaseosa de ^{129}Xe. La mezcla gaseosa incluye una cantidad reducida de xenón, una cantidad reducida de un gas de extinción de la fluorescencia como, por ejemplo, nitrógeno o hidrógeno, y una cantidad principal de un gas amortiguador. Se ha observado ahora que la hiperpolarización de presiones parciales elevadas de xenón no es tan eficaz como se desea, es decir, el xenón a elevada presión puede inhibir su propia hiperpolarización despolarizando el metal alcalino demasiado eficazmente. Por lo tanto, la hiperpolarización a baja presión ha sido la norma necesaria. Un nuevo procedimiento para mejorar la eficacia de la hiperpolarización de xenón según la invención, no obstante, incluye usar un gas amortiguador para ensanchar la absorción de energía láser, aumentando de ese modo la eficacia del procedimiento de hiperpolarización. Un gas amortiguador preferido es el helio, aunque se puede usar también hidrógeno. Por consiguiente, la invención incluye el uso de un gas amortiguador diferente del gas de extinción, para resolver el problema de que ciertos gases de extinción causan la despolarización del vapor de metal alcalino a elevadas presiones del gas de extinción. Por consiguiente, una mezcla gaseosa preferida incluye una cantidad reducida de ^{129}Xe, una cantidad reducida de un gas de extinción de la fluorescencia y el resto helio. Más preferentemente, la mezcla incluye de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% de ^{129}Xe, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 30% de un gas de extinción como, por ejemplo, nitrógeno o hidrógeno, y el resto helio. Muy preferentemente, la mezcla incluye aproximadamente 1% de ^{129}Xe, aproximadamente 1% de nitrógeno, siendo el resto helio. De forma alternativa, la mezcla puede incluir de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% de ^{129}Xe, siendo el resto hidrógeno, en la que el hidrógeno realiza funciones de extinción y ensanchamiento por presión.

El procedimiento implica preferentemente hacer fluir el gas blanco a través de la cámara de bombeo a un caudal que proporcione un tiempo de presencia promedio de los átomos del gas noble de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 veces el tiempo de intercambio de espín T_{IE} entre átomos del metal alcalino y el gas noble. Más preferentemente, el caudal proporciona un tiempo de presencia promedio de los átomos del gas noble de aproximadamente 1 a aproximadamente 3 veces el tiempo de intercambio de espín T_{IE} entre átomos del metal alcalino y el gas noble.

El procedimiento se puede realizar de tal modo que el gas blanco se haga fluir continuamente a través de la cámara de bombeo durante la hiperpolarización. Este modo se prefiere para gases nobles como, por ejemplo, ^{129}Xe, con tiempos de polarización relativamente breves. De forma alternativa, el procedimiento puede incluir perturbar (reducir o interrumpir) temporalmente el flujo para aislar una cantidad discreta del gas blanco en la cámara de bombeo para permitir la hiperpolarización de una cantidad de gas noble. El flujo del gas se restablece o aumenta una vez que se ha hiperpolarizado la cantidad deseada del gas noble al grado deseado. Los gases nobles, como, por ejemplo el ^{3}He, con tiempos de polarización más largos, se polarizan preferentemente usando este modo. En un enfoque episódico o periódico, este procedimiento se realiza preferentemente al menos dos veces, para proporcionar dos o más cantidades discretas del gas noble hiperpolarizado para proporcionar un suministro fluyente semicontinuo.

El procedimiento de la invención implica hiperpolarizar el gas noble mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino. Un metal alcalino preferido es el rubidio, incluyendo preferentemente rubidio-85 y/o rubidio-87. Se ha comprobado que los átomos de rubidio son adecuados para polarizar tanto el ^{129}Xe como el ^{3}He. En otras aplicaciones, no obstante, pueden ser convenientes el cesio (preferido para el ^{129}Xe) o el potasio (preferido para el ^{3}He). Se pueden emplear otros metales alcalinos como se necesite.

El gas noble incluye preferentemente una cantidad polarizable de un isótopo de gas noble con espín nuclear. Los gases nobles preferidos incluyen el xenón, incluido el ^{129}Xe, y el helio, incluido el ^{3}He. Se pueden emplear otros gases nobles como se necesite. Preferentemente, el isótopo con espín no nulo está presente en el gas noble al menos en abundancia isotópica natural. Se prefieren más los gases nobles enriquecidos, es decir, con proporciones sustancialmente mayores del isótopo deseado de las que encuentran en la naturaleza. El helio-3, particularmente, tiene una abundancia natural en helio que es tan baja (es decir, 10^{-6}) como para hacer que sea necesario el enriquecimiento. Se pueden obtener cantidades útiles de ^{3}He (por ejemplo, al menos aproximadamente el 10%, preferentemente más de aproximadamente el 50% de ^{3}He) recogiendo el ^{3}He producido por la desintegración radiactiva del tritio, y está disponible comercialmente gas helio que contiene hasta el 100% de ^{3}He.

En un marco hipotético preferido, el gas blanco incluye no sólo el gas noble, sino que incluye además un gas de extinción, que actúa para suprimir la fluorescencia de los átomos de metal alcalino durante la hiperpolarización. Los gases de extinción preferidos incluyen el gas nitrógeno (N_{2}) y el gas hidrógeno (H_{2}).

Un procedimiento particularmente preferido implica usar un gas blanco en el que el gas noble incluye ^{129}Xe. En este caso, el gas blanco incluye un gas de extinción, así como un gas amortiguador que causa ensanchamiento por presión del espectro de absorción óptica según el cual los átomos de metal alcalino absorben radiación hiperpolarizante adecuada. Un gas amortiguador sumamente preferido es el helio, que es sustancialmente ^{4}He. Por lo tanto, un gas blanco útil según esta forma de realización incluye una cantidad reducida de ^{129}Xe, una cantidad reducida de nitrógeno o hidrógeno como gas de extinción y una cantidad principal de helio. Más preferentemente, el gas blanco incluye de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% de ^{129}Xe, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 30% del gas de extinción, siendo resto helio. Aún más preferentemente, el gas blanco incluye aproximadamente 1% de ^{129}Xe, aproximadamente 1% de nitrógeno, siendo el resto helio. Así, la invención incluye gases blanco de tres partes, en los que el gas de extinción y el gas amortiguador son diferentes. No obstante, los gases blanco pueden incluir hidrógeno tanto como gas de extinción y como gas amortiguador, por ejemplo, aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% de ^{129}Xe, con el resto hidrógeno.

En otra forma de realización, el procedimiento de hiperpolarización incluye además acumular el gas noble hiperpolarizado que fluye desde la cámara de bombeo. En el caso del ^{3}He, se puede acumular una gran cantidad de ^{3}He (en o por encima de la presión atmosférica) en un depósito de aImacenamiento de gas. En el caso del ^{129}Xe, el medio de acumulación preferido incluye un depósito de criocondensación que permite el flujo a través de gas, con la acumulación de ^{129}Xe en forma helada, mientras limita la acumulación de otros gases, como, por ejemplo, gases de extinción y amortiguador inicialmente presentes en la mezcla de gas blanco.

El procedimiento incluye hacer fluir el gas noble bajo condiciones hiperbáricas o supraatmosféricas. Preferentemente, el gas se hace fluir a una presión de aproximadamente 101.325 Pa (1 atmósfera (atm)) a aproximadamente 3.039.750 Pa (30 a tm). Una presión preferida actualmente es aproximadamente 1.013.250 Pa (1 atm).

En un enfoque particularmente ventajoso, el gas noble (o gas blanco) que se hace fluir a través de la cámara de bombeo está sustancialmente libre de impurezas que puedan interferir con el procedimiento hiperpolarizante. Así, se deben retirar impurezas como, por ejemplo, impurezas reactivas al metal alcalino e impurezas que de otra manera harían que se depositara el metal alcalino en fase sólida en la cámara de bombeo. Además, en concreto en el caso del ^{3}He, se deben retirar impurezas que pueden despolarizar el gas noble. Preferentemente, el medio purificador retira (por ejemplo, desgaseadores) impurezas como, por ejemplo, vapor de agua y oxígeno introducidos durante la fabricación o mezcla del gas antes del procedimiento hiperpolarizante.

El procedimiento hiperpolarizante de la invención se ensancha calentando la cámara de bombeo y sus contenidos durante la hiperpolarización para aumentar la eficacia del procedimiento. Además, los diversos aspectos y parámetros del procedimiento son convenientemente monitoreados y controlados mediante medios de control centrales, que incluyen típicamente un ordenador.

En una forma de realización preferida, la invención proporciona también un procedimiento para hiperpolarizar ^{129}Xe en un gas blanco. El gas blanco incluye ^{129}Xe, así como un gas de extinción para extinguir la fluorescencia de átomos de metal alcalino durante la hiperpolarización y un gas amortiguador para ensanchar por presión la banda de absorción óptica de los átomos de metal alcalino, y la hiperpolarización se realiza bajo condiciones suficientes para inducir hiperpolarización del ^{129}Xe mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino, proporcionando de ese modo ^{129}Xe hiperpolarizado. El gas amortiguador y el gas de extinción son preferentemente diferentes. Preferentemente, el gas de extinción es nitrógeno o hidrógeno. El gas amortiguador es preferentemente helio o hidrógeno. Más preferentemente, el gas blanco incluye de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% de ^{129}Xe, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 30% del gas de extinción y el resto helio. Aún más preferentemente, el gas blanco incluye aproximadamente 1% de ^{129}Xe, aproximadamente 1% de nitrógeno, siendo el resto helio.

La invención incluye un aparato para hiperpolarizar un gas noble fluyente según la reivindicación 12.

El sistema suministrador del gas blanco incluye preferentemente un recipiente de gas capaz de mantener el gas noble bajo compresión antes de hacer fluir el gas a través de la cámara de bombeo. Para este fin se puede usar una bombona o botella de elevada presión u otro dispositivo de este tipo. Por otra parte, el sistema suministrador debe poder suministrar el gas blanco bajo condiciones hiperbáricas. Las partes restantes del sistema suministrador del gas blanco se sellan preferentemente para mantener el gas bajo condiciones hiperbáricas de aproximadamente 101.325 Pa (1 atm) a aproximadamente 3.039.750 Pa (10 atm), más preferentemente aproximadamente 1.013.250 Pa (10 atm). En efecto, todas las partes del aparato de la invención que se ponen en contacto con el gas, incluida la cámara de bombeo, conductos y válvulas asociadas, deben poder funcionar usando presiones gaseosas hiperbáricas, preferentemente de aproximadamente 101.325 Pa (1 atm) a aproximadamente 3.039.750 Pa (30 atm). El sistema suministrador del gas blanco incluye también preferentemente un medio para retirar impurezas, como, por ejemplo, impurezas reactivas al metal alcalino e impurezas despolarizantes, del gas blanco fluyente antes del flujo del gas a través de la cámara de bombeo.

La cámara de bombeo del aparato está adaptada para admitir gas noble hiperpolarizado que fluya desde la cámara de bombeo. Para el ^{129}Xe, un depósito receptor sumamente preferido incluye un acumulador de criocondensación para acumular ^{129}Xe en un estado congelado.

El aparato puede estar adaptado para permitir el flujo continuo del gas blanco a través de la cámara de bombeo durante la hiperpolarización. De forma alternativa, el aparato puede estar dotado de válvulas para permitir el control del caudal para reducir o interrumpir el flujo temporalmente, mientras permite la reanudación o aumento del flujo cuando se desee.

El aparato debe estar adaptado para suministrar el gas blanco a través de la cámara de bombeo a un caudal suficiente para proporcionar un tiempo de presencia promedio de los átomos del gas noble en la cámara de bombeo de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 veces, más preferentemente de aproximadamente 1 a aproximadamente 3 veces, el tiempo de intercambio de espín T_{IE} entre átomos del metal alcalino y el gas noble.

El medio hiperpolarizante en el aparato de la invención incluye preferentemente un sistema de láser capaz de suministrar a la cámara de bombeo radiación suficiente para hiperpolarizar el gas noble por intercambio de espín con átomos de metal alcalino, como, por ejemplo, átomos de rubidio, cesio o potasio. Aunque los tipos convencionales de láseres son compatibles con la invención, se prefiere que el sistema de láser emplee al menos una matriz de diodos láser. En un aparato preferido según la invención, el sistema de láser incluye dos fuentes de láser en disposición opuesta a lo largo de un único eje óptico, con la cámara de bombeo adaptada para admitir radiación de ambos láseres. Cada una de las dos fuentes de láser incluye preferentemente al menos una matriz de diodos láser. Se prefieren matrices de diodos láser bidimensionales o superpuestas, y pueden suministrar potencia de salida sustancial a la cámara de bombeo. El sistema de láser de cualquiera de estas formas de realización incluye preferentemente medios de focalización de la radiación para colimar, y, más preferentemente, focalizar, la radiación emitida desde el sistema de láser. Estos medios de focalización incluyen preferentemente una lente de Fresnel.

La cámara de bombeo misma debe admitir la radiación hiperpolarizante de la(s) fuente(s) de láser. Las estructuras preferidas de la cámara incluyen estructuras cónicas o cónicas truncadas (troncocónicas), aunque en ciertas configuraciones es adecuado una célula cilíndrica. Preferentemente, la cámara está diseñada conjuntamente con el sistema de láser para maximizar el suministro de luz a la cámara y por todo su interior, para maximizar la eficacia del procedimiento hiperpolarizante.

Se incorpora ventajosamente otro aparato al láser y cámara de bombeo. Por ejemplo, el aparato incluye también preferentemente medios calefactores para calentar la cámara de bombeo durante el procedimiento hiperpolarizante. Además, el aparato incluye convenientemente medios para monitorizar la hiperpolarización en la cámara de bombeo, como, por ejemplo, polarimetría de RMN. Además, la cámara de bombeo incluye preferentemente una ventana de observación de fluorescencia, así como medios de monitorización de la fluorescencia para monitorizar la fluorescencia a través de la ventana de observación de fluorescencia.

Por otra parte, en sistemas que fluyen continuamente, el aparato incluye preferentemente un vaporizador de metal alcalino para proporcionar suficiente densidad de vapor de metal alcalino en un gas blanco fluyente para mantener buena eficacia del procedimiento de hiperpolarización. Además, la cámara de bombeo está dotada convenientemente de medios de reflujo para recuperar vapor de metal alcalino que podría ordinariamente dejar la cámara con el gas que fluye a continuación de la hiperpolarización. El vaporizador y los medios de reflujo pueden funcionar juntos para proporcionar una recirculación continua del vapor de metal alcalino a través de la cámara de bombeo. En casos preferidos, el aparato incluye una cantidad de un metal alcalino para permitir el mantenimiento de suficiente densidad de vapor de metal alcalino durante un procedimiento de hiperpolarización.

En otra forma de realización, la invención proporciona un aparato para hiperpolarizar un gas noble, que comprende ^{3}He, aparato que incluye:

a)

medios de hiperpolarización, que incluyen:

1)

un sistema de láser capaz de suministrar radiación hiperpolarizante y

2)

un sistema informático que permite el control y monitorización de un procedimiento de hiperpolarización; y

b)

una unidad de polarización sustituible, que incluye:

1)

un sistema de suministro de gas blanco para mantener y suministrar un gas blanco que incluye un gas noble, preferentemente ^{3}He, a una presión hiperbárica, y

2)

una cámara de bombeo en comunicación fluida con el sistema de suministro de gas blanco.

En esta forma de realización, la unidad de polarización sustituible está configurada de tal modo que la unidad es capaz de acoplarse a y funcionar conjuntamente con los medios hiperpolarizantes, de modo que la cámara de bombeo está orientada para transmitir energía lumínica desde la fuente de láser a la cámara de bombeo para la hiperpolarización del gas noble. Preferentemente, el aparato está adaptado para permitir la hiperpolarización por medio del intercambio de espín entre átomos del gas noble y un metal alcalino.

Una característica conveniente del aparato que implica a una unidad de polarización sustituible es que se puede hacer fluir una cantidad del gas blanco a la cámara de bombeo, la cantidad de gas noble se puede hiperpolarizar y después la unidad de polarización se puede retirar de los medios de hiperpolarización para permitir el suministro fluyente de la cantidad de gas como se desee, por ejemplo, a un paciente que se somete a IRM. Inmediatamente, se puede instalar otra unidad sustituible en los medios de hiperpolarización, para comenzar la hiperpolarización fluyente de otra cantidad de gas. Este modo de funcionamiento es conveniente particularmente con ^{3}He, lo que necesita tiempos de polarización relativamente largos.

En una forma de realización adicional, la invención proporciona un aparato para hiperpolarizar un gas noble fluyente, que comprende ^{3}He, que incluye:

una unidad de polarización desmontable, que incluye:

una cámara de bombeo adaptada para permitir el flujo a través de un gas noble

y permisiva a la radiación hiperpolarizante para hiperpolarizar un gas noble fluyente.

La unidad de polarización en esta forma de realización está adaptada para acoplarse de forma desmontable y funcionar con un sistema hiperpolarizante que incluye un sistema de láser capaz de suministrar radiación hiperpolarizante a la cámara de bombeo cuando la unidad de polarización está acoplada a ésta. El aparato según esta forma de realización permite la hiperpolarización por intercambio de espín del gas noble.

Esta forma de realización de la invención proporciona además un aparato en el que la unidad de polarización desmontable incluye además un sistema suministrador del gas blanco, para mantener y hacer fluir a través de la cámara de bombeo un gas blanco que incluye un gas noble que se va a hiperpolarizar. El sistema suministrador del gas blanco incluye un gas blanco de este tipo, que incluye el gas noble que se va a hiperpolarizar.

También en esta forma de realización, la cámara de bombeo puede incluir además una cantidad de un metal alcalino suficiente para mantener un vapor de metal alcalino durante un procedimiento de hiperpolarización.

Otras características del aparato de la invención descritas en otra parte de la presente memoria descriptiva se pueden incorporar a esta forma de realización. Por ejemplo, el aparato puede incluir una unidad de polarización desmontable que incluya además un sistema calefactor para calentar la cámara de bombeo. También, el sistema suministrador del gas blanco puede incluir además un purificador del gas blanco para retirar impurezas reactivas al metal alcalino del gas blanco antes del flujo del gas blanco a través de la cámara de bombeo. Se pueden incluir también medios vaporizadores del metal alcalino y medios de reflujo.

La unidad de polarización, que incluye los elementos del sistema suministrador del gas blanco y la cámara de polarización, puede funcionar bajo condiciones en las que el gas blanco está bajo presión hiperbárica, por ejemplo, de aproximadamente 101.325 Pa (1 atm) a aproximadamente 3.039.750 Pa (30 atm).

La invención proporciona también, en una forma de realización adicional, un aparato para hiperpolarizar un gas noble, que comprende ^{3}He, que incluye:

un sistema hiperpolarizante, que incluye:

un sistema de láser para suministrar radiación hiperpolarizante suficiente para permitir

la hiperpolarización de un gas noble fluyente.

En esta forma de realización, el sistema hiperpolarizante está adaptado para acoplarse de forma desmontable y funcionar con una unidad de polarización desmontable con una cámara de bombeo adaptada para permitir el flujo a través de un gas noble y para permitir el suministro de radiación hiperpolarizante a la cámara de bombeo cuando la unidad de polarización está acoplada a ésta. El sistema hiperpolarizante permite preferentemente la polarización por intercambio de espín del gas noble.

El sistema hiperpolarizante incluye además preferentemente un sistema de monitorización, por ejemplo, un sistema de polarimetría de RMN, para monitorizar el estado status de un procedimiento de hiperpolarización. Por otra parte, el sistema puede incluir un sistema calefactor para calentar una cámara de bombeo de la unidad de polarización desmontable cuando una unidad de este tipo está acoplada a ésta.

Este tipo de sistema hiperpolarizante puede incluir además medios de depósito para acumular un gas noble hiperpolarizado fluyente. En este caso, el acumulador está adaptado para permitir comunicación fluida con la cámara de bombeo cuando la unidad de polarización está acoplada a ésta. Los medios de depósito permiten preferentemente el flujo a través de un gas blanco. En el caso preferido que implica al ^{3}He, el depósito permite la acumulación hiperbárica del ^{3}He hiperpolarizado. De forma alternativa, el ^{129}Xe hiperpolarizado se puede acumular en forma congelada por criocondensación selectiva del gas ^{129}Xe hiperpolarizado.

En esta forma de realización, además, el sistema láser incluye al menos una, y preferentemente dos, fuentes de láser. Cuando se proporcionan dos fuentes de láser, están colocadas preferentemente en disposición opuesta a lo largo de un único eje óptico, de tal modo que se puede suministrar radiación hiperpolarizante a la cámara de bombeo desde sentidos opuestos cuando la unidad de polarización está acoplada al sistema hiperpolarizante. Si se emplean uno o más fuentes de láser, se prefiere que cada fuente de láser incluya a 1 menos una matriz de diodos láser. Como con otro aparato según la invención, cuando se usan dos o más matrices de diodos láser, se mantienen preferentemente en una disposición superpuesta.

Estas y otras ventajas de la presente invención se apreciarán a partir de la descripción y ejemplos detallados que se exponen en la presente memoria descriptiva. La descripción y ejemplos detallados aumentan la comprensión de la invención, pero no se pretende que limiten el alcance de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Se han escogido formas de realización preferidas de la invención para los fines de ilustración y descripción, pero no se pretende en modo alguno restringir el alcance de la invención. Las formas de realización preferidas de ciertos aspectos de la invención se muestran en los dibujos adjuntos, en los que:

Figura 1 es un diagrama que ilustra la configuración general de una unidad hiperpolarizante según la invención;

Figura 2 es un diagrama esquemático que ilustra un aparato hiperpolarizador y acumulador según la invención;

Figura 3 es un diagrama esquemático de una célula de polarización de flujo continuo o episódico según la invención, que incluye cierto aparato asociado;

Figura 4 es un diagrama esquemático de una unidad hiperpolarizadora de la invención, que indica las estructuras de sistemas de láser único y dual según la invención;

Figura 5 es una ilustración de un sistema hiperpolarizador transportable según la invención; y

Figura 6 es un diagrama esquemático de una unidad de polarización desmontable según la invención.

Descripción detallada de las formas de realización preferidas

En términos generales, la Figura 1 muestra un diagrama funcional esquemático de un sistema hiperpolarizador integrado útil para generar y acumular grandes cantidades de un gas noble hiperpolarizado fluyente según la invención. En la Figura 1, se muestra una unidad hiperpolarizadora que incluye varios subsistemas principales, que incluyen un subsistema suministrador de gas de IRM a través del cual se puede suministrar el gas polarizado fluyente como se necesite para estudios de formación de imagen.

La cámara de bombeo mostrada en el diagrama es la cámara en la que tiene lugar el bombeo óptico del metal alcalino y el intercambio de espín gas noble-álcali. Inicialmente, el gas sin polarizar entra desde el subsistema de manejo de gas de elevada pureza y sale a la cámara de almacenamiento de gas polarizado que acumula el gas hiperpolarizado.

El subsistema de manejo de gas proporciona el suministro de gases adecuado a la cámara de polarización mientras genera y/o mantiene la pureza del gas necesaria para el procedimiento de hiperpolarización.

Después de haber sido polarizado en la cámara de polarización, el gas hiperpolarizado se puede hacer fluir a la cámara de almacenamiento de gas polarizado, donde se acumula y almacena hasta el uso. La cámara de polarización y la cámara de almacenamiento de gas polarizado generalmente deben estar preparadas cuidadosamente para mantener la polarización del gas y pueden funcionar también para separar el gas noble hiperpolarizado de un gas amortiguador inerte. Cuando se necesite, el gas hiperpolarizado se hará fluir desde esta cámara al subsistema suministrador de IRM.

El subsistema suministrador de IRM mostrado en la Figura 1 abarca todo el equipo necesario para que un sujeto respire en el gas hiperpolarizado, bien de la cámara de almacenamiento de gas polarizado o directamente de la cámara de polarización. Esto puede incluir dispositivos y sistemas para realizar una variedad de funciones convenientes, que incluyen preferentemente regulación de presión, filtrado de virus (filtro HEPA, etc.), mezcla del gas para incluir oxígeno, una mascarilla de respiración, etc. Típicamente, el aire espirado se recoge mediante la misma mascarilla y se dirige al subsistema de recuperación de gas. Después de usarse para un sujeto, el gas se recoge mediante el subsistema de recuperación de gas de modo que se pueda reciclar para el uso futuro. El gas recogido se puede enviar de vuelta periódicamente a un emplazamiento de reprocesamiento para purificación y/o esterilización.

El subsistema de polarimetría mostrado en la Figura 1 monitoriza el nivel de polarización del gas en la cámara de polarización o la cámara de almacenamiento del gas.

Como se muestra también en la Figura 1, el subsistema de láser suministra los fotones necesarios (radiación hiperpolarizante) para el procedimiento de bombeo óptico. El haz de salida de este sistema se dirige a la cámara de polarización.

El subsistema de control es un subsistema de ordenador-programa informático unificado y cableado que controla y monitoriza los diferentes procedimientos que ocurren en los diversos subsistemas.

La Figura 2 ilustra con un detalle algo mayor un sistema hiperpolarizador integrado útil para generar y acumular grandes cantidades de un gas noble hiperpolarizado según la invención.

En la Figura 2, una matriz de diodos láser 1 tiene una potencia de salida de aproximadamente 100 W a aproximadamente 500 W y emite radiación de longitud de onda \lambda adecuada para absorción por los átomos de metal alcalino. La dispersión de la longitud de onda \Delta\lambda es aproximadamente 2 nm de anchura a media altura, con una polarización lineal de aproximadamente 95% o más. Debido a la gran dispersión en longitud de onda, a este tipo de láser se hace referencia en la presente memoria descriptiva como un láser de "banda ancha". En una forma de realización alternativa, se pueden usar dos láseres que bombeen desde lados opuestos de la célula de bombeo 4, con un rediseño apropiado de la célula 4 y el sistema de diagnóstico óptico 10.

Una lente de Fresnel esférica 2 (típicamente plástica) dirige la mayoría de la luz desde la matriz de láseres de diodo 1 a la célula de bombeo óptico 4. Se forma una imagen de la cara del diodo justamente más allá del final de la célula de bombeo óptico 4. Aunque la lente de Fresnel es barata y está bien adaptada a las matrices de láseres de diodo disponibles actualmente, ópticas diferentes pueden ser más apropiadas para láseres futuros que puedan tener un brillo intrínseco superior a los hoy disponibles.

La placa de cuarto de onda 3 convierte luz linealmente polarizada de la matriz de láseres de diodo en luz polarizada circularmente. Como se muestra, una placa de cuarto de onda está colocada justamente después de la lente de Fresnel 2 donde el haz láser se ha expandido tanto que el calentamiento de la lente y la placa de onda no es un problema. La luz del láser 1, que está polarizada linealmente en un grado elevado, se puede hacer pasar a través de un polarizador lineal (no mostrado) antes de que alcance la placa de cuarto de onda 3 si la polarización lineal natural no fuera suficiente.

Se muestra la célula de bombeo óptico 4, dotada de vapor de metal alcalino saturado, por ejemplo, Rb o Cs, y una mezcla gaseosa óptima de ^{129}Xe, N_{2} y He, como se describe a continuación a propósito del depósito de gas premezclado 11. La célula 4 tiene la forma de un cono truncado para contener la luz convergente de la lente 2. El metal alcalino refluido desde el tubo de salida 6 vuelve atrás a través de la célula y se recoge en el vaporizador 5. La célula y canalización asociadas deben aguantar la elevada presión del gas premezclado, típicamente de aproximadamente 1 atmósfera a aproximadamente 30 atmósferas. Una presión de gas elevada dentro de la célula es importante para permitir la absorción eficaz de la luz de banda ancha desde un láser de diodo.

Se proporciona un vaporizador 5, en este caso, corriente arriba de la célula de bombeo 4 para cargar la mezcla gaseosa fluyente con vapor de metal alcalino antes de la entrada del gas a la célula. El vaporizador 5 se puede fabricar de hilos plegados de cobre u otro metal no magnético o metal sinterizado que se humedezca fácilmente por metales alcalinos líquidos (por ejemplo, una esponja metálica). El vaporizador 5 se empapa de metal alcalino líquido y se apelotona en el interior de un recipiente de materiales y dimensiones apropiadas para asegurar la carga total del gas con vapor. El caudal del gas, la distancia a través de la cual fluye y el diámetro de poro de la "esponja" se ajustan para asegurar que el gas esté totalmente saturado de vapor de metal alcalino antes de que entre en la célula de bombeo óptico. El vaporizador elimina los problemas de la pequeña área superficial de las gotas de metal alcalino en la célula de bombeo óptico que a menudo hacen que el gas esté sin saturar de vapor en la célula de bombeo óptico.

Se debe observar que se pueden usar otros medios para cargar el gas noble de vapor de metal alcalino. Por ejemplo, se puede emplear una cámara de mezcla con medios para proporcionar vapor de metal alcalino a una cantidad relativamente estática de gas antes de la infusión a la cámara de polarización. Un enfoque de este tipo sería ventajoso en sistemas y procedimientos en los que el flujo sea modulado o interrumpido.

El vaporizador 5 ilustrado en la Figura 2 se rellena mediante flujo por gravedad de metal alcalino condensado desde un tubo de salida de reflujo 6, que deja la célula en una orientación sustancialmente vertical. El tubo de salida de reflujo 6 hace que el vapor de metal alcalino del gas que sale de la célula se condense sobre las paredes del tubo. Las dimensiones y caudal se ajustan para asegurar que la mayoría del metal alcalino se condensa y gotee de vuelta a la célula de bombeo óptico mediante flujo por gravedad, volviendo eventualmente al vaporizador. Así, el vaporizador y condensador de reflujo actúan juntos como un sistema suministrador de metal alcalino de recirculación para hacer fluir hiperpolarizadores según la invención.

Se proporciona un detector de monitorización de fluorescencia 7, por ejemplo, que incluye una cámara de dispositivo de acoplamiento de carga (CCD) y filtros apropiados, para observar la débil fluorescencia sin extinguir D_{2} del vapor de metal alcalino bombeado ópticamente. La disposición de monitorización de fluorescencia se puede ajustar para el uso con dos láseres que bombeen desde cada lado de la célula.

Para permitir que la luz de bombeo entre en el horno 9 y la célula de bombeo óptico 4 se proporciona la ventana aislante 8. La ventana y otras superficies transmisoras de luz pueden estar dotadas de un revestimiento antirreflector. Se proporcionan ventanas similares p ara el monitor de fluorescencia 7 y el analizador óptico multicanal (OMA) 10.

Se proporciona el horno 9 para mantener la célula de bombeo óptico a una temperatura apropiada para absorber la mayoría de la luz útil del láser de diodo. Temperaturas de funcionamiento típicas para el rubidio son de aproximadamente 100°C a aproximadamente 200°C. Temperaturas algo inferiores son apropiadas para el cesio, que se volatiliza más fácilmente. El horno puede calentarse haciendo fluir aire caliente o mediante calefactores eléctricos no magnéticos internos.

Se proporciona el analizador óptico multicanal (OMA) 10 para medir la eficacia de absorción de luz de la matriz de láseres de diodo de banda ancha. Si se bombea la célula desde ambos lados se necesita una disposición del OMA diferente. Están disponibles comercialmente sistemas de OMA adecuados para el uso en el aparato de la invención.

Se incluye un depósito de presión elevada 11 para mantener un gas blanco premezclado a una presión de varios cientos de atmósferas. Los constituyentes de gas blanco preferidos, por presión parcial, son:

a.

de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% ^{129}Xe (o xenón de al menos aproximadamente composición isotópica natural) para hiperpolarización en la célula de bombeo óptico 4 y acumulación en el acumulador de xenón 17;

b.

de aproximadamente 1% a aproximadamente 3% de N_{2} para extinguir la fluorescencia en la célula de bombeo óptico 4. Se puede usar H_{2} a presiones parciales algo superiores (por ejemplo, de aproximadamente 1% a aproximadamente 30%) en lugar de N_{2} para sacar partido de las menores secciones transversales de despolarización de espín de los átomos de metal alcalino en gas H_{2} comparado con gas N_{2};

c.

el resto del gas es un gas amortiguador, preferentemente He, para ensanchar por presión las líneas de absorción óptica de los átomos de metal alcalino en la célula de bombeo óptico 4. La presión del gas He se ajusta para asegurar que causa una despolarización de espín despreciable comparado con el xenón. Se pueden emplear otras mezclas gaseosas que impartan cualidades de extinción y ensanchamiento por presión al gas blanco.

Se emplea un regulador de presión 12 para reducir la muy elevada presión del gas premezclado en el depósito de almacenamiento 11 a una presión apropiada para la célula de bombeo óptico 4. Esto es típicamente de aproximadamente 10 a aproximadamente 30 atmósferas, dependiendo de cuánto ensanchamiento por presión se necesite para el uso óptimo de la luz láser de banda ancha.

Se usa un purificador de gas (desgaseador) 13 para retirar impurezas residuales, principalmente vapor de agua, de la corriente de gas.

Como se muestra en la Figura 2, el depósito de acumulación 17 para acumular xenón incluye un dispositivo de absorción en frío, enfriado mediante nitrógeno líquido o algún otro criógeno en una vasija Dewar. Para refrigerar se pueden usar también refrigeradores de ciclo cerrado. Estos sistemas no se incluirían en el aparato dedicado al ^{3}He.

El punto de separación 15, junto con el punto de separación 20, permite la retirada del depósito de acumulación 17. La válvula 14 aisla la célula de bombeo óptico 4 del punto de separación 15 y controla el flujo entre ellos. La válvula 16 se usa para aislar el depósito de acumulación 17 del punto de separación 15.

Se proporciona un imán permanente 18 para producir un campo estático en más de aproximadamente 500 Gauss (0,05 T) en el emplazamiento del xenón congelado en el depósito acumulador. Un campo tan grande es adecuado para obtener los tiempos de relajación espín-retículo más largos posibles (por ejemplo, aproximadamente 3 horas a temperaturas de nitrógeno líquido). Para temperaturas de condensación inferiores, donde son alcanzables tiempos de relajación espín-retículo mucho más largos, se necesitan campos magnéticos mayores. El imán puede estar contenido también dentro del montaje criogénico y mantenido frío junto con el depósito de acumulación de xenón.

La válvula 19 se emplea para aislar el condensador de xenón 17 del punto de separación 20, lo que junto con el punto de separación 15 permite la retirada del condensador de xenón 17.

La válvula 21 se usa para liberar gas ^{129}Xe hiperpolarizado sublimado a la ^{129}Xe hiperpolarizado bolsa de transferencia 22 o a cualquier otro recipiente para transporte del gas ^{129}Xe hiperpolarizado a presión atmosférica para diversos usos, por ejemplo, 1 RM de pacientes, evaluación no destructiva, etc. Para transportar el gas ^{129}Xe hiperpolarizado a otras presiones se pueden usar recipientes con paredes duras.

La válvula 23 aisla el acumulador de xenón 17 durante la sublimación del xenón condensado y transferencia de gas a la bolsa u otro recipiente 22.

Se proporciona una unión vidrio-metal 24, siendo la canalización en el lado de bomba de la unión preferentemente de acero inoxidable u otro metal. En el lado del condensador de xenón de la unión, la canalización es vidrio. No se muestran uniones similares de vidrio-metal en el lado de entrada del flujo de gas y fuelles para relajación de esfuerzos apropiados, pero normalmente se han de preferir.

El manómetro 25 se usa para monitorizar y controlar la presión durante la fase de acumulación.

La bomba 27, aislada por la válvula 26, se usa para vaciar del condensador de xenón 17 cualquier He y N_{2} restantes al final del periodo de acumulación.

Se incluye una válvula de aguja 28 u otro dispositivo de control de flujo para permitir que se descargue el gas He y N_{2} de desecho a la sala o a un recipiente de recuperación para reutilización. Esta válvula 28 controla el caudal a través de la célula de bombeo óptico 4. La velocidad de descarga se ajusta para optimizar la preparación del ^{129}Xe hiperpolarizado según principios que hemos desarrollado. El flujo del gas se monitoriza mediante el medidor de flujo 29.

Se proporciona un respiradero 30 que conduce a la atmósfera o a un depósito de recogida para el gas amortiguador (por ejemplo, He) y el gas de extinción (por ejemplo, N_{2} o H_{2})

Se incluye la lumbrera 31 para purgar las líneas de gas con gas limpio (por ejemplo, argón, helio o nitrógeno) a través del respiradero 24 después de que se haya sujetado el depósito de gas premezclado. El respiradero 33 permite la liberación del gas de purgamiento introducido en la lumbrera 31.

Se suministra el punto de sujeción 32 para conectar el suministro de gas premezclado a la célula de bombeo óptico. La válvula 34 aisla la célula de bombeo óptico durante el purgamiento de la canalización de suministro de gas.

Se incluye también una bobina captadora 35 de resonancia magnética nuclear para monitorizar la polarización de ^{129}Xe en la cámara de bombeo, lo cual es útil para optimizar el caudal de gas.

El sensor de temperatura 36, por ejemplo, un dispositivo termométrico de resistencia (RTD), se emplea para monitorizar la temperatura del horno.

Se ilustra también un campo magnético estático 37. No se muestra la fuente, pero hemos usado con éxito tanto bobinas de Helmholtz o los campos marginales de un imán de toma de imagen por resonancia magnética o una combinación de los dos.

Es conveniente generalmente un subsistema de control (no mostrado) como un subsistema de ordenador-programa informático unificado y cableado que se usa para controlar y monitorizar los diferentes procedimientos que ocurren en los diversos subsistemas.

La Figura 3 ilustra una configuración de un sistema de hiperpolarización según la invención, que incluye detalles adicionales sobre ciertos componentes de la cámara de polarización. El dibujo muestra una cámara de polarización (vaso) 4, un horno 9 en el que está alojado la célula 4 y el aparato calefactor y de control 40a-f necesario para mantener el horno 4 a una temperatura elegida.

En la Figura 3 se muestra una puesta en práctica de una cámara de polarización. Como la cámara en la que tiene lugar el bombeo óptico e intercambio de espín, debe satisfacer varios requisitos. Por ejemplo, la cámara de bombeo debe mantener una cantidad apropiada de gas polarizable en un ambiente sustancialmente estanco. La presión del gas de la cámara se mantiene según los requisitos del aparato, manteniéndose preferentemente a una presión por encima de la presión atmosférica (denominada también en la presente memoria descriptiva "hiperbárica") de hasta 30 atm, y más preferentemente de aproximadamente 8 atm a aproximadamente 12 atm para una célula de vidrio. La presión del gas puede estar fuera (por encima o por debajo) de este intervalo, como se necesite. Una presión preferida actualmente es aproximadamente 10 atm, que refleja las limitaciones estructurales del vidrio, el material más típicamente usado en la fabricación de cámaras de polarización. En otras estructuras de cámara de polarización se podrían usar presión o densidad del gas superiores.

La cámara de bombeo 4 mostrada en la Figura 3 es una forma de realización preferida con dos lumbreras o ventanas de luz (4a y 4b) para admitir radiación de hiperpolarización (flechas 41 y 42) en el interior de la célula desde dos láseres (no mostrados) dispuestos para emitir a lo largo del mismo eje pero desde sentidos opuestos. Sin tener en cuenta si se emplea uno o más de una lumbrera de luz, las lumbreras son preferentemente al menos sustancialmente transparentes a la luz y/o cerca de la longitud de onda de la línea de transición de bombeo óptico del metal alcalino que se está usando (es decir, "radiación de hiperpolarización"). Por ejemplo, la longitud de onda de la transición D_{1} en el rubidio es 794,7 nm y los puertos de luz adecuados para el uso con rubidio deben ser al menos sustancialmente transparentes a la luz a esta longitud de onda. Otros metales alcalinos se hiperpolarizan usando otras longitudes de onda y las lumbreras de luz deben ser transparentes a las longitudes de onda apropiadas. La optimización de la eficacia del bombeo necesitaría que las lumbreras de luz fueran tan transparentes como fuera posible a la luz de la longitud de onda necesaria, es decir, se debe minimizar la absorción de la radiación hiperpolarizante. Para maximizar la transmisión de luz pueden tener revestimiento antirreflector.

El tiempo de relajación promediado en volumen de la polarización nuclear de un gas en la cámara de bombeo debe ser suficientemente lento comparado con la velocidad de intercambio de espín entre el átomo de metal alcalino y el núcleo de gas noble para permitir que se alcance el nivel de polarización deseado en la célula. Los materiales y diseño de la cámara de polarización deben seleccionarse, por lo tanto, con cuidado. Por ejemplo, la cámara de bombeo debe ser compatible químicamente con metales alcalinos a temperaturas apropiadas para el bombeo óptico (por ejemplo, hasta aproximadamente 200°C o más). Además, si se usa un sistema de polarimetría de RMN para monitorizar el procedimiento de hiperpolarización, se prefiere que las paredes de la cámara de bombeo no interfieran sustancialmente con el campo de radiofrecuencia necesario para la polarimetría.

La puesta en práctica concreta de la cámara de bombeo dependerá del tipo de gas que se polariza. Como se ha observado anteriormente, las cámaras de polarización útiles según la invención se pueden fabricar de vidrio. El vidrio debe ser resistente al(los) metal(es) alcalino(s) empleados en el procedimiento de intercambio de espín. Para el ^{3}He, por otra parte, la cámara de bombeo se fabrica de un vidrio con una permeabilidad limitada al helio. Más preferentemente, el vidrio tiene una permeabilidad al helio que es menor que la del Coming 7704 (Pirex®). Ejemplos de estos vidrios son los vidrios de silicato de aluminio (como, por ejemplo, Coming 1720) o vidrios de silicato de boro para sellado de metales (como, por ejemplo, Coming 7052 o Schott 8502). Para el ^{129}Xe, por otro lado, no hay necesidad rigurosa de permeabilidad limitada ya que el xenón es un átomo sustancialmente mayor y la permeabilidad no es un problema importante. Otro vidrio útil es el vidrio que se prepara para que esté sustancialmente libre de hierro. Para aplicaciones a temperatura inferior se puede usar vidriería de laboratorio estándar de silicato de boro, por ejemplo, Pirex®, Duran®.

La cámara de bombeo tiene preferentemente una forma cónica o cónica trucada (troncocónica), para proporcionar un volumen gaseoso que se ajuste sustancialmente a un haz convergente de radiación hiperpolarizante. Focalizando (haciendo converger) la radiación láser hacia el interior de una célula con diámetro decreciente a lo largo del eje óptico, se aumenta eficazmente la intensidad lumínica en regiones de la célula distales al láser para compensar al menos parcialmente la disminución en intensidad que ocurre debido a la absorción de la luz en las regiones proximales. Sin embargo, en ciertas puestas en práctica pueden ser convenientes células de bombeo cilíndricas. Para poner en práctica y maximizar la eficacia de sistemas de láseres opuestos pueden ser convenientes células con forma de reloj de arena (es decir, células que parecen dos conos opuestos en sus vértices).

Actualmente, las células de bombeo se fabrican de vidrio. Se pueden emplear otros diseños de cámara de bombeo, capaces de funcionamiento a presión superior. Se pueden fabricar fácilmente células con presiones superiores a 10 atmósferas usando paredes metálicas y canalizando con ventanas apropiadas para admitir la luz. Es posible también diseñar células de bombeo óptico de vidrio contenidas dentro de un gas circundante a presión elevada o un líquido transparente (por ejemplo, aceite de bombeo) en una célula externa con ventanas apropiadas. Se minimiza entonces la presión diferencial a través de las paredes de la célula interior y no hay riesgo de ruptura.

Previamente, las células selladas han conservado el gas de hiperpolarización en contacto con las paredes de la célula durante periodos prolongados, proporcionando amplia oportunidad para que el gas se relaje interaccionando con hierro y otras impurezas paramagnéticas. Una ventaja del sistema de hiperpolarización continuo o semicontinuo de la invención, no obstante, es que el gas noble hiperpolarizado no necesita estar en contacto con vidrio durante ningún periodo largo. Hemos comprobado que, a causa de esta característica, se reduce la necesidad de retirar impurezas paramagnéticas del vidrio, permitiendo el uso de materiales menos caros.

La cámara de bombeo 4 tiene también convenientemente lumbreras de entrada y salida resellables independientes, como, por ejemplo, válvulas de junta tórica, que permiten la retirada y sustitución continua o episódica del gas que se polariza. Se pueden emplear cualesquiera lumbreras de gas adecuadas que permitan control de flujo. La cámara 4 puede tener una única lumbrera de gas a través de la cual se hace fluir gas dentro y fuera de la célula episódicamente. No obstante, para hacer fluir gas de una manera continua, se necesitan dos lumbreras de gas. En la Figura 3 se muestra una disposición de este tipo, en la que se muestran la lumbrera de entrada 43 y la lumbrera de salida 44. El resto del sistema de manejo de gas no se muestra en este dibujo.

Las lumbreras de gas resellables incluyen medios de válvula para controlar el flujo de gas. Típicamente, estas válvulas tienen cuerpos y varillas de vidrio Pirex® y están provistas de uniones flexibles y elásticas que son resistentes también a metales alcalinos. Estas uniones son típicamente juntas tóricas y se pueden fabricar de diversos materiales poliméricos. Un material de junta tórica preferido, que no ha mostrado prácticamente susceptibilidad al ataque alcalino, es un copolímero de etileno y propileno. Otros polímeros que pueden ser adecuados incluyen los polímeros de silicona. Los elastómeros fluorados como, por ejemplo, Viton®, teflón, etc. son relativamente menos resistentes al ataque alcalino y son, por lo tanto, menos convenientes, aunque adecuados para el uso a plazo breve. La resistencia de las juntas tóricas al ataque es una característica importante ya que puede ocurrir oxidación de la cámara de bombeo si entrara oxígeno en la cámara a través de juntas tóricas defectuosas.

Las válvulas en el aparato resellable de entrada y salida de gas están separadas del cuerpo principal de la cámara de bombeo por conductos, preferentemente tubos fabricados de vidrio similar al usado para la cámara de polarización. Véanse los conductos 43 y 44 en la Figura 3. Estos tubos permiten que los materiales de junta tórica sensibles al calor estén separados térmicamente del cuerpo principal de la célula y el horno que rodean a la célula, que, durante el procedimiento de polarización, a menudo es calentado por encima del límite de la junta tórica. Los tubos ayudan también a limitar la relajación de la polarización de la red debido a la interacción del gas noble hiperpolarizado con el cuerpo de la válvula. Se cree que esto se refiere al uso de presiones de gas de funcionamiento elevadas, presiones a las que la difusión por la longitud de los tubos es lenta comparada con la constante de tiempo de despolarización del volumen aparente (que depende del cociente ratio del volumen del tubo entre el volumen total. Además, tubos capilares limitan el grado al que el gas hiperpolarizado, particularmente ^{3}He, puede ponerse en contacto (difundirse en) y ser despolarizado por las uniones de válvula. Se podrían usar también válvulas construidas de metales no férricos.

Hemos comprobado que la célula de bombeo tendrá un tiempo de vida de polarización del ^{3}He más largo si las tuberías de vidrio corriente son resopladas durante la fabricación de la célula. El resoplado significa que toda superficie interior se funde y reforma durante la fabricación. Para mejorar el tiempo de vida de polarización se puede usar también un lavado ácido con un ácido fuerte, como, por ejemplo, HNO_{3} o HCL, pero por sí solo no es tan eficaz como el resoplado.

Cuando las superficies interiores del vidrio están suficientemente limpias y la cámara se fabrica según los procedimientos descritos en la presente memoria descriptiva, no ocurre ninguna relajación importante del gas noble relativa a la escala de tiempo del procedimiento de intercambio de espín. Una descripción detallada de estos procedimientos se encuentra en Middleton, H.L., La estructura de espín del neutrón determinada usando un blanco de ^{3}He. Tesis doctoral, capítulo 5, Universidad de Princeton (1994). Esta descripción se incorpora en la presente memoria descriptiva mediante referencia. Brevemente, las paredes interiores de la célula se limpian cociéndolas a hasta 500°C, bien mientras la célula está bajo vacío o bien mientras se está purgando con un gas amortiguador puro. Se puede también hacer pasar una descarga de radiofrecuencia dentro de las células para ayudar a conducir contaminantes de la superficie. Después de limpiarse, las células no se exponen a la atmósfera sino que se mantienen bajo vacío o se mantienen llenas del gas de purga puro hasta que se introducen el metal alcalino y el gas noble. Debido a que el metal alcalino es típicamente conducido a las células calentando un depósito del metal, todas las líneas que conectan gas/vacío entre la célula y el depósito deben ser resistentes al metal alcalino y estar limpias de especies volátiles absorbidas de una manera similar al procedimiento de limpieza de la célula. Después de que se carga el metal alcalino en la célula, se introduce la cantidad deseada del gas blanco y se sella herméticamente la célula, punto en el que está preparada para ser polarizada.

Se pueden incorporar ventajosamente al aparato de la invención otras mejoras para la reducción de la despolarización del gas. Por ejemplo, los revestimientos de película metálica (oro, metales alcalinos, etc.) pueden mejorar los tiempos de vida de polarización y reducir el esfuerzo necesario para limpiar y fabricar células. Hemos comprobado, por ejemplo, que el oro no induce ninguna relajación importante de la polarización nuclear y puede así servir como un buen material de revestimiento de paredes. Revestimientos poliméricos como, por ejemplo, los descritos en la solicitud de patente de EE UU N° de serie 08/478.276, presentada el 7 de junio de 1995, se pueden emplear también beneficiosamente.

Otro procedimiento para mejorar el procedimiento de limpieza incluye emplear una purga de gas a baja presión concurrente con una descarga de radiofrecuencia.

Un tercer procedimiento alternativo incluye fabricar las células de metales no férricos mecanizables, para prever elevadas presiones de gas. Una superficie interior de este tipo puede necesitar un revestimiento con una película metálica o de polímero apropiada. Por otra parte, tendrían que añadirse después lumbreras de láser para permitir la introducción de luz láser a la célula. Debido a que la radiofrecuencia usada para la polarimetría de RMN es solamente decenas de kHz, la profundidad de piel del metal puede ser tal que las paredes metálicas no interfieran con la RMN. De forma alternativa, la polarimetría se puede omitir, realizar en una cámara de almacenamiento independiente o llevar a cabo ópticamente midiendo el desplazamiento de frecuencia de la frecuencia EPR del álcali debido a la presencia del ^{3}He polarizado.

Un cuarto enfoque sería proveer a las células de una ampolla de metal alcalino con una unión mecánica que se pueda abrir después de que se limpie el resto de la célula. Por ejemplo, se podría romper una ventana de vidrio delgada por una pequeña burbuja de vidrio o por la presión del gas noble cuando la célula está llena.

Aún otra técnica ventajosa incluye fabricar las cámaras de almacenamiento para gas noble previamente polarizado de modo que sean sustancialmente idénticas a la cámara de polarización, excepto que se pueden relajar los requisitos de resistencia química y transparencia a la luz láser de bombeo óptico del metal alcalino. Esto se vuelve de especial importancia en los depósitos del acumulador útil según la invención. Hemos comprobado inesperadamente que, a causa de que la relajación del ^{129}Xe hiperpolarizado se paraliza tan eficazmente en el estado congelado, la calidad de fabricación de las paredes del depósito es de menor importancia. Esta característica, por lo tanto, permite que se observen estándares de calidad inferiores, con ahorros de coste concomitantes.

Comprobamos que el vapor de metal alcalino tiende a perderse de una cámara de polarización de gas fluyente durante incluso flujos de gas modestos (10-20 cm^{3}/min.) si no se toman precauciones importantes. Esto ha sido previamente un impedimento sustancial al desarrollo de células rellenables o de flujo continuo. Hemos comprobado, por ejemplo, que la resonancia de absorción del rubidio y la resonancia D_{2} pueden desaparecer completamente bajo condiciones desfavorables. Nuestro estudio indica que la fuente principal de pérdida de rubidio en un sistema de flujo de gas es debida a la desgasificación de impurezas (presumiblemente H_{2}O y O_{2}) mediante el vapor de rubidio. Pequeñas cantidades de estas impurezas en el gas de suministro tendrían ordinariamente solo un efecto sumamente pequeño sobre el rubidio de una célula sellada. El flujo de gas, no obstante, parece proporcionar un nuevo suministro continuo de estas impurezas reactivas al álcali a la cámara de polarización, produciendo una disminución continuada y sustancial del vapor de álcali disponible. Nuestra comprensión actual se basa en nuestro descubrimiento de que esta pérdida de vapor de rubidio se puede impedir sustancialmente instalando un purificador de gas en línea, como, por ejemplo, uno de los purificadores de nitrógeno (desgaseadores) disponibles de Sistemas ultra puros, S.A. Se ha comprobado que estos purificadores limpian el gas de alimentación lo suficientemente como para que la pérdida de vapor de rubidio prácticamente se elimine en un amplio intervalo de caudales. Estos purificadores se diseñan típicamente para la purificación de nitrógeno, pero también pasan los gases nobles sin problema, y se ha comprobado que están idealmente adaptados para purificación de, por ejemplo, una mezcla de He:Xe:N_{2} empleada preferentemente según el procedimiento de la invención.

Otra pérdida de rubidio menos importante ocurre al dejar el rubidio la célula al hacer fluir gas a través de la célula. Hemos salvado este problema de varios modos. En primer lugar, la pérdida de rubidio se puede limitar asegurando que la temperatura del conducto que lleva fuera de la célula de bombeo es suficientemente baja para asegurar el depósito del rubidio sobre las paredes del conducto. La temperatura ambiente es normalmente adecuada. No se necesita filtro o separador adicional, aunque se puede emplear un dispositivo de absorción en frío para asegurar la retirada completa del rubidio en aplicaciones médicas. En segundo lugar, y más preferentemente, se puede usar un aparato de reflujo. Por ejemplo, se puede usar un tubo de salida de reflujo para condensar el vapor de metal alcalino. Las dimensiones del tubo y el caudal del gas se pueden ajustar para asegurar que la mayoría del metal alcalino se condensa y gotea de vuelta a la célula de bombeo mediante flujo por gravedad. Por consiguiente, un conducto de salida que deja la cámara de bombeo en una orientación sustancialmente vertical aprovechará este flujo por gravedad. Esta configuración se ilustra en la Figura 2. En sistemas no fluyentes como, por ejemplo, las células selladas comúnmente usadas previamente, este reflujo es claramente innecesario ya que el metal alcalino no puede escapar de estas células selladas.

Sin embargo, a pesar de estas precauciones, el metal alcalino de la cámara de bombeo eventualmente se oxidará o agotará. En ese caso, las mismas cámaras de bombeo se pueden reciclar fácilmente. El procedimiento actual es lavar la cámara con agua caliente y después secar en un horno. La célula se puede entonces volver a revestir con un agente de revestimiento como, por ejemplo, dimetildiclorosilano y volver a sujetarse a un colector. La célula se puede entonces desgasear por calentamiento de un día para otro y hacer el vacío. Entonces está preparada para la reinstalación en el hiperpolarizador. Las células se pueden reciclar de esta manera muchas veces sin degradación detectable en rendimiento.

Como se menciona de forma breve anteriormente, la Figura 3 muestra también el horno 9 que aloja la cámara de polarización 4. El horno de bombeo óptico funciona en un intervalo de temperatura que está limitado por la pérdida de polarización de vapor de metal alcalino a temperaturas excesivamente elevadas. Maximizar la temperatura sin sacrificar polarización del rubidio maximiza la velocidad de intercambio de espín, permitiendo mayor acumulación de gas noble polarizado. Típicamente, el intervalo de temperatura para el horno es de aproximadamente 80°C a aproximadamente 200°C. Una temperatura preferida está en el intervalo de aproximadamente 105°C a aproximadamente 150°C. Por ejemplo, una temperatura de aproximadamente 150°C proporciona un tiempo de intercambio de espín Rb-^{129}Xe de aproximadamente 22 s y una polarización del rubidio de aproximadamente 50%. A esta temperatura, aproximadamente el 20-30% de la luz láser es absorbida por el rubidio. Puede que se prefiera una temperatura de aproximadamente 130°C ya que la señal de RMN del ^{129}Xe cae precipitadamente a temperaturas elevadas. A 130°C, el tiempo de intercambio de espín Rb-^{129}Xe es aproximadamente 65 s, más o menos un factor de tres inferior al tiempo a 150°C. Por consiguiente, los caudales tendrían que ser inferiores a temperaturas inferiores, produciendo rendimientos de ^{129}Xe polarizado inferiores. Se ha comprobado también que el calentamiento inducido por láser causa una temperatura eficaz de la célula superior (\sim20°C superior) (y así una densidad de número de rubidio superior ([Rb])) que lo que refleja el termómetro del horno.

Controlando el caudal del gas y la temperatura en la cámara de polarización, se pueden ajustar el grado de polarización y volumen total del gas hiperpolarizado producido. Para una potencia de láser disponible y anchura de banda dadas, la temperatura de la cámara de bombeo se establecerá tan elevada como sea posible sin sacrificio importante a la polarización promediada en volumen del vapor del metal alcalino. Esta organización determina la velocidad de intercambio de espín \gamma_{IE} a la que se transfiere la polarización al gas noble. El caudal se ajustará entonces preferentemente de modo que un átomo de gas pase en promedio aproximadamente 1-3 constantes de tiempo de intercambio (1/\gamma_{IE}) en la cámara de polarización. Una cámara más caliente producirá un intercambio de espín más rápido, permitiendo así caudales del gas superiores. Los ajustes del flujo se pueden verificar comparando la señal de RMN del gas noble contra el caudal. Si el flujo es demasiado rápido, la señal de gas noble caerá porque la muestra no tiene una oportunidad de polarizarse totalmente.

El horno se debe construir para minimizar la creación de gradientes de campo magnético capaces de inducir relajación nuclear en el gas noble. Preferentemente, el horno se construye de materiales que no creen gradientes suficientes para inducir una relajación nuclear importante en el gas noble. Los materiales del horno deben también conservar una integración estructural sustancial a temperaturas de hasta aproximadamente 250°C. Plásticos o aluminio de temperatura elevada son elecciones adecuadas. Los materiales ferromagnéticos como, por ejemplo, el acero, generan gradientes de campo magnético que pueden despolarizar rápidamente el gas noble y son, por lo tanto, materiales menos convenientes. Se puede encontrar un tratamiento de este efecto en la tesis de Middleton, a la que se hace referencia en otra parte de la presente memoria descriptiva.

Como se ha observado anteriormente con referencia a la Figura 3, el horno ilustrado 9 se proporciona con dos o más ventanas de láser 8a y 8b colocadas para permitir que la luz láser (flechas 41 y 42) pase dentro y fuera del horno a lo largo del eje óptico del sistema. (El eje óptico se define como la trayectoria, que contiene al láser, la óptica y la célula, a lo largo de la cual se desplaza la luz láser). El horno está orientado preferentemente de modo que el eje óptico esté alineado con la dirección del campo magnético necesario para el bombeo óptico. Preferentemente, las ventanas del horno 8a y 8b no perjudican de forma importante la transmisión de la luz láser por reflexión y/o absorción. Para maximizar la transmisión de la luz pueden tener revestimiento antirreflector.

Haciendo de nuevo referencia a la Figura 3, el horno puede estar dotado de una ventana de observación de fluorescencia 7d. Preferentemente, la ventana de observación se orienta para permitir la visualización de la cámara polarizante desde una posición sustancialmente perpendicular al eje óptico. Esta ventana 7d permite la observación de la florescencia resonante D_{2} que resulta del bombeo óptico de un vapor de metal alcalino. La Figura 3 ilustra adicionalmente los medios de visualización de la fluorescencia. Típicamente, estos medios incluyen una videocámara 7a y monitor 7c, dotados con un filtro D_{2} 7b, para observar la fluorescencia. La imagen se puede usar para sintonizar la longitud de onda del láser, para optimizar la temperatura de bombeo óptico, así como para alinear el láser.

El horno debe calentarse por medio de materiales y de una manera que satisfaga las mismas condiciones para minimizar gradientes de campo magnético como se describe anteriormente. Como se muestra en la Figura 3, en una forma de realización preferida, el aire del conducto 45a se hace pasar sobre un calefactor de filamento 45b situado a unos pocos metros fuera del horno 9. (El calefactor está colocado a una distancia para minimizar los gradientes de campo creados por la corriente que pasa a través de él.) El aire caliente se hace fluir entonces a través del horno 9 por la entrada 45c para alcanzar la temperatura deseada. Un controlador de temperatura 45d acciona el calefactor basándose en la lectura de un sensor de temperatura 45e en el interior del horno. Se descarga aire caliente a través de la salida 45f. El sensor 45e debe ser no ferromagnético para evitar la generación de gradientes de campo. En un enfoque alternativo, se puede usar un calefactor eléctrico de radiofrecuencia elevada para calentar la cámara. El uso de esta potencia de radiofrecuencia elevada está desprovisto intrínsecamente de los tipos de gradientes que podrían interferir con la polarización.

En una forma de realización preferida del aparato de la invención, el conjunto de válvula de la cámara de bombeo sigue estando fuera del horno. Esto reduce el deterioro de las juntas tóricas sensibles a la temperatura y limita la migración de metal alcalino potencialmente perjudicial hacia la válvula.

El sistema de manejo y purificación del gas puede incorporar muchas características. El sistema introduce una mezcla de gases a la cámara de polarización mientras asegura simultáneamente suficiente pureza en la corriente de gas para impedir una degradación importante de la calidad de la cámara de polarización. La calidad de la cámara de polarización está determinada por el T_{1} (tiempo de vida de polarización) del gas hiperpolarizado en su interior. Es conocido que la calidad de la cámara de polarización está afectada tanto por impurezas gaseosas como por contaminantes sobre las paredes.

El procedimiento de polarización necesita tanto el gas noble polarizable (típicamente en cualquier sitio de 0,1 atm a decenas de atm) y una pequeña cantidad (generalmente 10 a 100 Torr) de un gas de extinción (normalmente nitrógeno, pero quizás hidrógeno u otros). El gas de extinción mejora la eficacia del procedimiento de bombeo óptico. Para hiperpolarizar ^{129}Xe, se prefiere incluir también una gran cantidad de un gas amortiguador (generalmente de aproximadamente 1 atm a unas pocas decenas de atm) que actúa para ensanchar la línea de absorción del metal alcalino y para mejorar la eficacia de polarización. Véase más abajo para mayor detalle sobre el gas amortiguador.

Un tipo de puesta en práctica de diseño de fontanería para el sistema de manejo del gas blanco incluye caminos para introducir los gases de presión baja (nitrógeno) y presión elevada. De este modo se puede aislar un manómetro de presión de intervalo bajo independiente de los gases de presión elevada para impedir su ruptura. Se ha comprobado que se deben colocar desgaseadores químicos o criogénicos en las líneas de flujo de gas como sea necesario para aumentar la pureza del gas. Debido a que están disponibles purezas variables de gas, la cantidad de purificación adicional se establecerá basándose en medidas de la degradación de la cámara de polarización contra bien el número de veces que se ha rellenado (si se usan cargas discretas) o el tiempo de funcionamiento total (si se usa un sistema de flujo continuo). Incluso los gases de elevada pureza, no obstante, se ha comprobado que contienen suficientes impurezas, como, por ejemplo, O_{2} y H_{2}O, para causar degradación importante de las células dentro de un periodo relativamente breve de flujo o después de unos cuantos rellenos.

Con un sistema de manejo de gases múltiples, el llenado de una célula se desarrolla como sigue para conseguir cargas discretas de gas polarizado. En primer lugar, cualquier gas amortiguador inerte residual en el sistema se vacía usando la bomba de vacío preliminar. En segundo lugar, se introduce la pequeña cantidad de nitrógeno necesaria a la cámara de polarización y se cierra la válvula del manómetro de presión de intervalo bajo. A continuación, se introducen el gas que se va a polarizar y cualesquiera gases amortiguadores de presión elevada adicionales y se cierra la válvula de la cámara de polarización una vez que se alcanzan las presiones deseadas.

Se puede llevar a cabo un flujo continuo a la cámara de bombeo introduciendo válvulas dosificadoras en el interior de las diferentes líneas de flujo de gas y usando un medidor de flujo en la lumbrera de escape de la cámara de polarización para calibrar flujo contra gradiente de presión y ajuste de la válvula. Debido a que sólo se necesita una cantidad pequeña de nitrógeno, puede ser difícil establecer su caudal dados los caudales mucho mayores de los otros gases. Debido a que el nitrógeno afecta fuertemente a la fluorescencia que viene de la cámara de polarización durante el bombeo óptico, esto se puede salvar calibrando el caudal de nitrógeno contra la fluorescencia total que viene de la cámara durante el bombeo óptico.

Aunque el enfoque del manejo de gases múltiples es factible y tiene la ventaja de permitir el ajuste de la mezcla de gas de forma continuada, se prefiere más emplear gases premezclados. En una forma de realización sumamente preferida, se suministra un gas premezclado directamente a la cámara de polarización desde un único depósito sin necesidad de ajustar caudales relativos. Esto simplifica el funcionamiento del sistema y hace que el procedimiento de polarización sea más reproducible y consistente. Por ejemplo, las proporciones de los gases de la mezcla son invariantes con el tiempo y entre procedimientos de hiperpolarización. Las mezclas de gases adecuadas se tratan en otra parte de la presente memoria descriptiva y se pueden obtener de fuentes comerciales.

Se debe comprender que a causa de que el aparato hiperpolarizante de la invención permite la hiperpolarización de un gas noble de una forma continua, el sistema suministrador de gas está configurado preferentemente para permitir mezclas gaseosas fácilmente controladas y consistentes a la cámara de bombeo. En sistemas de escala mayor, se puede usar un único sistema de manejo de gas para suministrar el gas blanco, consecutivamente o simultáneamente, a dos o más sistemas polarizantes. Se pueden proporcionar medios de control independientes para permitir el control individual del flujo de gas a cada una de las células de bombeo.

En cualquier caso, todas las líneas de fontanería de manejo de gas deben tener sus interiores limpios antes de llenar una cámara de polarización. Esto impide que los contaminantes se desprendan de las superficies interiores y que sean transportados a la cámara de, donde podrían degradar su superficie. Esta limpieza se puede llevar a cabo a través de un calentamiento moderado de las líneas de fontanería a aproximadamente 100°C mientras se purgan las líneas con un gas amortiguador inerte de elevada pureza apropiado y/o vaciar las líneas. Si se realiza una combinación de purgación y vaciamiento, estos procedimientos se pueden realizar en combinación simultánea o secuencial.

Una vez que el gas está fluyendo a la cámara de polarización y ha comenzado la hiperpolarización, el procedimiento se debe monitorizar. Particularmente, el estado de los contenidos del gas en la cámara se debe determinar al desarrollarse la hiperpolarización. La polarimetría de RMN es un procedimiento preferido para monitorizar la polarización del gas en la cámara de polarización (célula). El sistema preferentemente puede funcionar en campos magnéticos aplicados de orden 10 G, que corresponden a frecuencias de RMN de decenas de kHz para ^{129}He. La generación de una señal de RMN se lleva a cabo colocando una bobina inductiva cerca de la célula. La bobina es parte de un circuito sintonizado que resuena cerca de la frecuencia de RMN. A causa de las bajas frecuencias implicadas, la sintonización se puede hacer en una caja de sintonización independiente bien lejos d e la bobina y conectada a ésta a través de cable coaxial.

El subsistema de polarimetría funciona según principios de RMN típicos. Hay dos etapas en la generación de una señal de RMN: excitación de radiofrecuencia (rf) y adquisición de señal. Se suministra un impulso de rf a la bobina en o cerca de la frecuencia de Larmor para excitar una pequeña fracción de los espines, los cuales que posteriormente siguen un movimiento de precesión alrededor del campo magnético aplicado. La precesión se detecta al generar un pequeño voltaje en la misma bobina. El voltaje de la señal es amplificada, heterodinada, filtrada y digitalizada para análisis y visualización en un ordenador. Otros componentes de circuito sirven tanto para desconectar componentes de detección importantes durante la excitación de rf (mezclador silenciador) y para impedir que las fugas de rf alcancen a la bobina durante la adquisición de señal (mezcladores de aislamiento y compuerta diódica).

Para monitorizar eficazmente la polarización, el tamaño de la señal debe ser directamente proporcional a la polarización del gas. Esto se lleva a cabo sin despolarización importante de la muestra usando un pequeño ángulo de excitación (sacudida) conjuntamente con una bobina de superficie, que excita sólo una pequeña fracción de los núcleos. Aunque el procedimiento de generar la señal eficazmente destruye la polarización, el número de núcleos afectados es despreciable comparado con toda la muestra. Pero a pesar de todo esta pequeña fracción de espines genera típicamente una señal de RMN suficientemente fuerte si el gas está hiperpolarizado. Si la excitación de rf se ejecuta de forma reproducible, la señal generada en esta pequeña fracción de núcleos es proporcional a la polarización de toda la muestra. El sistema se calibra para producir un valor absoluto de la polarización (0-100%) comparando las señales del gas polarizado con las de una muestra de agua con la misma geometría, para la que se puede calcular la polarización de equilibrio térmico. El procedimiento de RMN de impulsos de campo de valor bajo para hacer polarimetría es un avance importante sobre la técnica anterior de transición adiabática rápida (AFP), particularmente al volverse más conveniente polarizar volúmenes más y más grandes, porque la AFP necesita una fuerte excitación rf de todo el volumen de la muestra.

De forma alternativa, se puede ajustar a la cámara de polarización una cubeta de salida independiente para permitir la acumulación de una muestra de prueba del gas polarizado. La cubeta se puede medir en un aparato de transición adiabática rápida (AFP) que puede producir señales de RMN mucho mejores que la RMN de impulsos en la cámara de bombeo. Este aparato se puede calibrar para proporcionar una medida experimental de la polarización del gas, lo que se puede usar para refinar adicionalmente el ajuste de los parámetros de acumulación.

En una forma de realización preferida, todo el sistema de hiperpolarización se puede hacer funcionar desde un ordenador de sobremesa dotado de unos cuantas tarjetas de circuitos especiales. Una de estas tarjetas genera los impulsos de radiofrecuencia necesarios a través de síntesis digital directa (DDS). Otra tarjeta de circuito es un convertidor analógico-digital (tarjeta ADC), que digitaliza la señal. Esta última tarjeta de circuito también genera los impulsos de selección (TTL) que conmutarán los mezcladores silenciador y de aislamiento.

El subsistema de láser del aparato de hiperpolarización suministra los fotones (radiación hiperpolarizante) necesaria para el procedimiento de bombeo óptico. Preferentemente, los fotones son suministrados por una o más matrices de diodos láser que producen potencia de onda continua (cw). No obstante, cualquier sistema de láser que proporcione suficiente potencia en las líneas D_{1} o D_{2} del metal alcalino puede ser aceptable. Se ha comprobado, no obstante, que el funcionamiento de presión elevada como el descrito en la presente memoria descriptiva necesita láseres capaces de suministrar más de 10 W, y preferentemente más de 50 W, de potencia. Los láseres convencionales capaces de suministrar esta potencia son imposiblemente caros de comprar y hacer funcionar. Por otra parte, estos láseres son voluminosos y necesitan una instalación cara y más o menos permanente. Para unidades de hiperpolarización transportables o integradas, estos láseres son demasiado difíciles de manejar. En estas formas de realización, las matrices de diodos láser se vuelven sumamente preferidas a causa de su capacidad y eficacia, así como su bajo precio para adquirir y hacer funcionar.

La Figura 4 es una ilustración esquemática de un subsistema de láser adaptado para el uso en el aparato de la invención. La parte superior de la Figura 4 muestra una disposición óptica para el(los) diodo(s) láser, mientras la parte inferior de la figura muestra la configuración eléctrica. La disposición de elementos ópticos, mostrada en la caja a trazos, representa uno de varios modos para preparar la luz emitida. La luz se desplaza a lo largo del eje óptico, sustancialmente paralela a un campo magnético aplicado, a través de las ventanas del horno y hacia el interior de la célula. La óptica está ajustada para maximizar el volumen dentro de la célula que absorbe la luz. Como se ha observado anteriormente, se prefiere un haz convergente o focalizado, junto con una estructura de célula convergente, para maximizar la absorción de la radiación hiperpolarizante a lo largo del eje de la célula. Opcionalmente, un segundo láser y conjunto de óptica similar dirige luz a la célula a lo largo del mismo eje óptico, pero desde el sentido opuesto. La configuración eléctrica consiste en una fuente de alimentación y varios elementos de circuito necesarios para la monitorización y protección del(de los) diodo(s) láser.

A diferencia de los láseres convencionales que emiten luz coherente de una única longitud de onda (perfil extremadamente estrecho), los láseres de matrices de diodos son dispositivos de banda ancha cuyas emisiones tienen una anchura espectral, es decir, que típicamente emiten luz en una banda continua de longitudes de onda. Normalmente, esta anchura espectral es relativamente estrecha, apareciendo como un ensanchamiento alrededor de alguna longitud de onda principal, y teniendo sólo una anchura de aproximadamente 1-5 nm. Se han empleado matrices de diodos de GaAIAs de baja potencia para polarización de intercambio de espín del ^{3}He. Chupp y col., Rev. fís. A 40(8):4447-4454 (1989) describe el uso de una matriz de diodos de aproximadamente 1 W y Cummings y col., Rev. fís. A 51(6):4842-4857 (1995) describe una matriz de diodos de 20 W. Para el procedimiento y aparato de la presente invención, la potencia de las matrices de diodos es preferentemente mayor con importancia, siendo por encima de aproximadamente 50 W, y, más preferentemente, por encima de aproximadamente 100 W.

La elección de la longitud de onda de emisión láser \lambda está determinada por la elección del metal alcalino usado para el intercambio de espín. Como se ha observado, el láser debe emitir a aproximadamente la línea de transición D_{1} (o D_{2}) del metal alcalino deseado. Para el rubidio, \lambda se prefiere que sea aproximadamente 795 nm, mientras para el cesio, \lambda se prefiere que sea aproximadamente 894 nm. Así, para el rubidio, el láser puede ser un láser de GaAIAs. El uso de cesio en lugar de metal de rubidio, no obstante, permite el uso de matrices de láseres de diodo sin aluminio más fiables (por ejemplo, láseres de InGaAsP), temperaturas de funcionamiento inferiores y 13% más fotones por vatio a causa de la longitud de onda de resonancia más larga para el Cs. Una matriz de diodos láser preferida actualmente (disponible de Potencia Opto, de Tucson, Arizona) es una matriz de diodos láser de GaAIAs, que comprende 10 diodos de barra en una disposición superpuesta, que desarrolla aproximadamente 125 W de potencia de onda continua (cw), se puede sintonizar a una longitud de onda de pico de 794,44 nm y presenta aproximadamente 2 nm de anchura espectral total a media altura.

Si en el futuro se volvieran competitivos (eficacia, coste, etc.) con las matrices convencionales los láseres con menores anchuras de banda, se necesitaría menos gas amortiguador de ensanchamiento de línea que para los láseres disponibles actualmente mencionados anteriormente. Esto permitiría el uso de proporciones superiores de xenón en la mezcla de gas blanco, lo que a su vez mejoraría la producción del aparato acumulador. El funcionamiento a presión inferior simplificaría también algunos problemas de ingeniería con respecto al hiperpolarizador.

También a diferencia de los láseres convencionales, las emisiones de láseres de diodo son típicamente sumamente divergentes, necesitando corrección óptica para concentrar la luz en un foco deseado. Los elementos ópticos ilustrados en la Figura 4 incluyen, entre otros, una matriz de diodos láser 51, una o más lentes (cilíndricas o esféricas) 52a-52d, un cubo polarizante divisor de haz 53 y una placa de cuarto de onda 54. Las lentes 52a-52d coliman y/o focalizan la luz láser a través de la ventana 8a a un tamaño de haz que se ajusta generalmente a las dimensiones de la célula polarizante 4 dentro del horno 9. Dependiendo de la aplicación, la óptica reduce al menos sustancialmente la divergencia del haz, haciendo que el haz sea colimado o más preferentemente proporcionando un haz convergente. Hemos descubierto que la luz convergente polarizada circularmente con ángulos tan grandes como 30° a partir de la dirección de campo magnético pueden polarizar en espín eficazmente átomos de metal alcalino. Las lentes se dividen en dos conjuntos: un conjunto para cada movimiento y focalización de la luz independiente horizontal (52a y 52c) y vertical (52b y 52d). La Figura 4 ilustra también indirectamente un sistema de láser preferido opcional, en el que se emplea un segundo láser para dirigir radiación hiperpolarizante a la célula 4 por la ventana 8b del horno 9. El sistema del segundo láser opcional se identifica como la caja a trazos II en el lado derecho del dibujo, y debe incluir sustancialmente los mismos elementos incluidos dentro de la caja a trazos 1 en el lado izquierdo del dibujo.

Hemos comprobado inesperadamente que se pueden usar simples lentes de Fresnel esféricas para focalizar la luz desde las matrices de diodos. Estas lentes baratas convergen luz transmitida, pero normalmente no proporciona suficiente foco para generar una imagen nítida. Esta falta de foco, no obstante, no es una limitación importante, y el uso de estas lentes ayuda a reducir el coste del hiperpolarizador sobre otros tipos de instalaciones que emplean lentes cilíndricas sustancialmente más caras. Son posibles también otras disposiciones de recogida de luz, por ejemplo, microlentes sobre la matriz de diodos, o combinaciones de espejos y lentes.

El cubo divisor de haz 53 divide la luz incidente en su dos polarizaciones lineales ortogonales. Una polarización se refleja a 90 grados del eje óptico y es absorbida por un bloque de haz (no mostrado). La otra polarización pasa a la placa de cuarto de onda 54, que convierte la luz polarizada linealmente a la luz polarizada circularmente necesaria para bombeo óptico.

Como se muestra en la Figura 4, las matrices de diodos láser 51 están montadas cada una en un bloque de refrigeración de bronce 55, a través del cual fluye agua a y desde un intercambiador de calor 56 por los conductos de fluido refrigerante 57 y las válvulas 58 y 59. El intercambiador de calor 56 puede ser cualquiera desde un refrigerador de reciclado con un circuito de agua secundario a un simple radiador, dependiendo de la potencia de láser. También como se muestra en la Figura 4, en una instalación multiláser, se puede usar una única unidad de intercambiador de calor para suministrar ambos láseres, con válvulas o unidades calefactoras independientes en cada conjunto de líneas de agua para controlar la temperatura de cada láser independientemente. De forma alternativa, cada láser puede estar provisto de su propio intercambiador de calor.

La matriz de diodos láser está accionada eléctricamente por el circuito esquematizado también en la Figura 4, o por otro circuito equivalente a éste. El valor nominal preciso de la fuente de alimentación 61 depende del número de diodos láser y si están dispuestos en serie o en paralelo. Para un láser único, por ejemplo, la fuente de alimentación puede ser una alimentación en CC de valores nominales de aproximadamente 20-40 V y aproximadamente 20-40 A. Haciendo de nuevo referencia a la Figura 4, la resistencia en derivación de 200 ohmios 62 reduce la intensidad de cualesquier pico de voltaje que venga de la alimentación 61. La resistencia en serie de 0,1 ohmios 63 y el voltímetro en CC 64 se usan para monitorizar la corriente a través del diodo láser 65. El diodo de Schottky polarizado inversamente paralelo 66 protege contra una conexión inadvertida de polaridad equivocada del diodo láser 65. La corriente se ajusta y se establece el límite de corriente usando los controles de la fuente de alimentación 61. Un termopar 67 montado directamente en el bloque de refrigeración 55 monitoriza su temperatura. En el caso de que esta temperatura supere un punto establecido, un detector de temperatura 68 desconecta un conmutador reté de reajuste manual 69 y desconecta la fuente de alimentación.

Una característica de la hiperpolarización por intercambio de espín del helio es que se puede realizar a presiones de gas relativamente elevadas, a Igo que no es posible con procedimientos de intercambio de metaestabilidad. Esto proporciona una ventaja sobre el intercambio de metaestabilidad por cuanto que es intrínsecamente menos trabajo descomprimir un gas que comprimirlo. Como se observó anteriormente en la presente memoria descriptiva, es necesario un aparato complejo para comprimir el ^{3}He producido por intercambio de metaestabilidad en hasta dos órdenes de magnitud para obtener presiones útiles (\sim101.325 Pa) (\sim1 atm) del gas.

Previamente, se ha reconocido que el ^{3}He hiperpolarizado se puede producir en polarizaciones elevadas por medios de intercambio de espín a presiones elevadas (\sim1.013.250 Pa) (\sim1 atm). Hemos comprobado, no obstante, que esto no es posible cuando se usan presiones elevadas de ^{129}Xe. Específicamente, la eficacia con la que el xenón despolariza el vapor de rubidio es sorprendentemente elevada. Estimamos que, despreciando contribuciones moleculares, 10.132,5 Pa (0,1 atm) de xenón tienen aproximadamente el mismo efecto destructivo del espín que 27.357.750 Pa (270 atm) de helio. Por consiguiente, se cree ahora que las presiones de xenón superiores a aproximadamente 1 atm producirán una polarización de rubidio muy baja para todos los láseres de bombeo excepto los más intensos (es decir, miles de vatios).

Por ejemplo, para un diodo láser, una intensidad de láser de aproximadamente 20 W/cm^{2} (o 100 W/5 cm^{2}) produciría una polarización de Rb de sólo aproximadamente un 25% en la parte delantera de una cámara que contuviera 1.013.250 Pa (10 atm) de xenón. Este nivel de polarización sólo disminuye hacia la parte trasera de la cámara de modo que sólo se pueden tolerar pequeños volúmenes de polarización, con correspondientemente pequeñas producciones de ^{129}Xe polarizado.

El uso de presiones inferiores de xenón puede producir polarizaciones superiores, pero con una desventaja sustancial. Las presiones de gas bajas de xenón pueden producir polarizaciones de Rb superiores, pero con una desventaja sustancial. Las presiones de gas bajas dan líneas de resonancia D_{1} del Rb estrechas y así sólo permiten que se use una fracción diminuta de la amplia salida espectral de la matriz de diodos (2 nm de anchura a media altura) que se va a usar. Además, la eliminación de agujero espectral que resulta de una resonancia D_{1} estrecha significa de nuevo que sólo se pueden polarizar pequeños volúmenes de Rb, produciendo pequeñas cantidades de ^{129}Xe polarizado. Por ejemplo, una célula de 20 cm^{3} que contenga 50.662,5 Pa (0,5 atm) de xenón, y con una relajación de tiempo de pared de 1.000 s dará en el mejor caso una polarización de ^{129}Xe de 56%, usando sólo 2,3 W de 100 W incidentes en la célula. Los 10 cm^{3} resultantes de gas polarizado (a 101.325 Pa) (1 atm) no es suficiente para la mayoría de las aplicaciones de interés.

En procedimientos de hiperpolarización típicos, el ^{129}Xe sin polarizar se coloca en una célula de bombeo sellada con unas cuantas decenas de Torr de un gas (a menudo nitrógeno) que extingue la fluorescencia de los átomos de rubidio excitados por láser, ayudando de ese modo al procedimiento de bombeo óptico. Hemos comprobado inesperadamente, no obstante, que se puede añadir un gas amortiguador a la muestra para ensanchar la línea de resonancia del metal alcalino, permitiendo una absorción más eficiente de la amplia salida espectral de las matrices de diodos láser de potencia elevada actuales. Sin este gas amortiguador de presión elevada, muy poca (aproximadamente 1%) de la luz del diodo láser se puede absorber a causa de la amplia anchura de banda espectral de la matriz de láseres de diodo (2 nm o más) y la muy estrecha anchura de banda de absorción (0,01 nm) de los átomos de metal alcalino a baja presión. Para lograr este efecto, el gas amortiguador no debe inducir destrucción de espín importante ni del vapor de metal alcalino ni del ^{129}Xe durante el bombeo óptico. Un gas amortiguador sumamente preferido es el helio, con una abundancia isotópica natural de 99+% de ^{4}He, pero se pueden emplear otros gases con propiedades similares.

Hemos observado que mayores presiones de gas amortiguador inducen a la banda de absorción del rubidio a ensancharse, y que se prefieren presiones de gas del orden de 10 atm más para lograr el ensanchamiento deseado. Debido a la capacidad intrínseca del xenón para destruir la polarización del metal alcalino, no obstante, se cree que no serían utilizables muestras que contengan 10 atm o más de xenón puro. Por contraste, se ha comprobado que el helio es bastante no destructivo a los espines del metal alcalino polarizado y se puede usar como un agente de ensanchamiento de línea sin desventaja. El hidrógeno puede servir tanto como un gas de extinción como un gas amortiguador para ensanchar la línea de absorción óptica. El nitrógeno no es un gas tan bueno para este fin como el hidrógeno o el helio, porque causa sustancial despolarización de espín de los átomos de metal alcalino.

Por consiguiente, las mezclas de gas preferidas para la hiperpolarización de ^{129}Xe según el procedimiento de la invención incluirían una proporción sustancial del gas amortiguador, por ejemplo, helio, con una cantidad secundaria pero importante de ^{129}Xe. Por ejemplo, la mezcla puede incluir de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 5% de xenón que contiene al menos una abundancia isotópica natural de ^{129}Xe, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 3% de N_{2}, siendo el resto helio. Más preferentemente, la mezcla incluye aproximadamente 0,1% de ^{129}Xe, aproximadamente 1% de N_{2} y aproximadamente 98% de helio. De forma alternativa, si el gas de extinción es hidrógeno, de aproximadamente 1% a aproximadamente 30% de la mezcla de gas debe ser hidrógeno, con una reducción correspondiente en la proporción neta de helio. Para el helio, la mezcla de gas es más simple, debido a que no se gana ningún beneficio por incluir un gas amortiguador. Como para el ^{129}Xe, no obstante, las mezclas de gas helio incluyen preferentemente una cantidad de nitrógeno o hidrógeno como un gas de extinción comparable a la cantidad usada para el ^{129}Xe.

Las bajas presiones parciales de Xe usadas en el procedimiento preferido dan lugar a varios problemas. En primer lugar, el ^{129}Xe polarizado se debe separar del helio para alcanzar concentraciones útiles de ^{129}Xe. En segundo lugar, el ^{129}Xe polarizado se debe presurizar de modo que se pueda extraer del aparato de polarización. En tercer lugar, mientras que se alcanzan elevadas polarizaciones de ^{129}Xe en escalas de tiempo muy breves, la producción de gas polarizado de la cámara de bombeo es muy pequeña. Hemos comprobado ahora que congelar el ^{129}Xe polarizado como un sólido (T \leq 160 K) resuelve estos tres problemas.

Para producir ^{129}Xe polarizado en cantidades importantes, hemos aprovechado los tiempos de relajación espín-retículo extremadamente largos del ^{129}Xe sólido. Se ha demostrado que una vez polarizado, el ^{129}Xe se puede congelar como un sólido con poca pérdida de polarización. Como se detalla en Gatzke y col., Cart. de la rev. fís., 70(5):690-693 (1993), los tiempos de relajación son mucho mayores en la fase sólida que los que se han logrado hasta ahora en la fase gaseosa.

Ahora es posible, por medio de un aparato acumulador de criocondensación, aprovechar las propiedades del hielo de xenón. Específicamente, se reconoce ahora que el tiempo de relajación de tres horas del ^{129}Xe en hielo a temperaturas del nitrógeno líquido permite el bombeo y acumulación continua de ^{129}Xe durante hasta tres horas de una vez. El uso de temperaturas incluso inferiores puede prolongar el periodo de acumulación potencial adicionalmente.

Una vez se ha hiperpolarizado el gas blanco fluyente, se puede hacer fluir toda la corriente de gas (^{129}Xe, helio y nitrógeno) a través de un acumulador. Los detalles de un acumulador especialmente preferido para el ^{129}Xe se describen en la solicitud de patente pendiente de tramitación N° de serie 08/622.865 titulada "Acumulador criogénico para xenón-129 polarizado en espín", presentada en igual fecha con la presente memoria descriptiva, cuya exposición completa se incorpora a la presente memoria descriptiva mediante referencia. El acumulador incluye un criostato, que funciona preferentemente en el intervalo de temperatura de aproximadamente 4,2 K a aproximadamente 157 K. Se prefiere una temperatura de aproximadamente 77 K debido a su conveniencia, es decir, aproximadamente la temperatura del nitrógeno líquido (t.e. = 77 K) que es un refrigerante fácilmente disponible. No obstante, se prefieren generalmente temperaturas inferiores, debido a que se pueden obtener tiempos de vida de polarización más largos al disminuir la temperatura de acumulación y almacenamiento.

En cualquier caso, se pueden sustituir la polarización de ^{129}Xe polarizado e hidrógeno de T_{1} largo como gas de extinción para evitar este problema. El volumen aparente del gas, es decir, el helio, simplemente pasa a través del criostato y sale a través de la lumbrera de salida. Por lo tanto, una característica útil de este procedimiento es que se puede usar para separar eficazmente el xenón hiperpolarizado de los otros componentes, superfluos, de la mezcla del gas blanco.

A causa de que el tiempo de relajación T_{1} del ^{129}Xe congelado es más largo con importancia cuando se mantiene en un campo magnético aplicado, el acumulador criostático se provee con un pequeño imán permanente capaz de estas intensidades de campo magnético para mejorar los tiempos de mantenimiento. La principal consideración al elegir la intensidad del campo aplicado es que el campo debe permitir la acumulación y/o almacenamiento durante un periodo de aproximadamente el máximo tiempo de relajación espín-retículo posible a la temperatura de acumulación/almacenamiento. Por consiguiente, el campo aplicado debe ser al menos aproximadamente 500 G (0,05 T) a temperaturas de nitrógeno líquido. Observamos, no obstante, que la selección de intensidad de campo depende de la temperatura a la que se acumula o almacena el ^{129}Xe. Específicamente, la acumulación y/o almacenamiento a temperatura inferior se beneficia del uso de intensidad de campo superior.

El aparato descrito en la presente memoria descriptiva es capaz de integración con sistemas de imagen de IRM consistentes con los sistemas descritos en la solicitud de patente de EE UU N° de serie 08/225.243. Es típico de estos sistemas una unidad comercialmente disponible de imagen por RM que incluye un imán Omega CSI horizontal de 30 cm y 2 Teslas (Instrumentos de RMN de G.E., Fremont, California, EE UU) y el aparato asociado, descritos con mayor detalle en Middleton y col., Reson. magnét. en Med. 33:271-275 (1995). La habilidad de producir grandes cantidades de gas noble hiperpolarizado se puede emplear ahora beneficiosamente para permitir la acumulación y almacenamiento de gas suficiente antes de la toma de imágenes, de modo que no se necesite emprender una hiperpolarización adicional durante la toma de imágenes en sí. Así, se puede tomar imágenes a uno o más sujetos en una instalación clínica usando una única fuente de xenón previamente acumulado. De forma alternativa, se puede emprender la toma de imágenes en la que un procedimiento continuo de polarización genera una fuente continua de as hiperpolarizado suministrado a un sujeto para estudio de la respiración u otros procedimientos fisiológicos permitidos por las extraordinarias propiedades de los gases nobles. Previamente, la toma de imágenes de este tipo o bien era imposible o bien extremadamente poco práctico debido a las pequeñas cantidades de gases hiperpolarizados disponibles para el uso.

En una forma de realización preferida, el aparato hiperpolarizador de la invención es una unidad integrada independiente, que es sustancialmente autónoma y cómoda de usar. Por ejemplo, el aparato se puede configurar como un sistema de carrito móvil con una huella 0,61 m por 1,83 m. En esta forma de realización, la unidad incluye el sistema láser, una fuente de gas, una célula polarizante, sistemas de polarimetría de RMN, alimentaciones de energía y un ordenador que está programado para controlar y monitorizar la mayoría o todos los sistemas.

El subsistema de láser de la unidad del sistema hiperpolarizador incluye preferentemente una o más matrices de láseres de diodo de potencia elevada, una fuente de alimentación para los láseres, sistema de circuitos de protección, una unidad de refrigeración y óptica variada para controlar y dirigir la energía de láser.

El subsistema de control incluye un sistema de ordenadores, como, por ejemplo, un microordenador personal o estación de trabajo, componentes para monitorizar la polarización por RMN al realizar el procedimiento y componentes para monitorizar y mantener la temperatura de la célula durante el procedimiento. Por ejemplo, la rf para la polarimetría se puede proporcionar usando síntesis digital directa, como se describe en otra parte en la presente memoria descriptiva.

Idealmente, el sistema hiperpolarizador incluye también varios sistemas de seguridad, incluidos seguros de bloqueo, interruptores de seguridad, relés no controlados por ordenador, etc.

Preferentemente, el sistema de polarización integrado incluye una unidad de cartucho de polarización sustituible que incluye todos los componentes con los que tiene contacto el gas durante el procedimiento de polarización. Así, la unidad de polarización puede incluir una botella de gas de presión elevada que contenga suficiente gas para proporcionar un flujo sustancial de gas hiperbárico durante la hiperpolarización. La unidad de polarización incluye además la célula de bombeo. Se incluyen los conductos de entrada y salida, que llevan respectivamente a y desde la célula de bombeo. Éstos incluyen válvulas para controlar el flujo de gas dentro y fuera de la célula. Por comodidad, el cartucho de polarización puede incluir también alguno o todos los elementos del horno de bombeo, así como las sondas de polarimetría. Se pueden incluir también otros elementos como, por ejemplo, transductores de presión, reguladores y purificadores de gas, como se desee.

La unidad de polarización está diseñada para permitir fácilmente su introducción sencilla en y retirada de la unidad del sistema hiperpolarizador. El cartucho debe tener un tamaño y un peso para promover la facilidad de manejo e instalación. Los solicitantes creen que una unidad de polarización adecuada puede tener aproximadamente 30 cm por 50 cm por 10 cm o más o menos equivalente a esto. A este tamaño se pueden incluir los componentes esenciales sin perjudicar excesivamente el manejo de la unidad. Una estructura capaz de satisfacer estos diversos requisitos de diseño se describe con detalle más abajo.

Otra característica cómoda de la unidad de polarización sustituible es que el gas blanco se suministra preferentemente premezclado en una única botella. Esto permite la formulación y uso de mezclas de gas blanco consistentes y evita la necesidad de hacer que el operario de la unidad controle la mezcla de gas, simplificando de ese modo el funcionamiento de la unidad. Sin embargo, la unidad de polarización puede incluir de forma alternativa botellas independientes para cada gas para mezclarse al gas blanco.

La Figura 5 ilustra una forma de realización de un sistema hiperpolarizador transportable según la invención. En esta forma de realización, se montan dos matrices de diodos láser 100a y 100b en la parte superior de un carrito con ruedas 101. Los subsistemas de óptica 102a y 102b se proporcionan para colimar la energía del láser, dirigiendo la energía a un foco en la célula de bombeo 103. La célula de bombeo se puede montar independientemente o como parte de un subsistema de unidad de polarización, descrito más abajo. En la Figura 5, la célula de bombeo 103 se muestra como parte de esta unidad de polarización 110. Por consiguiente, el hiperpolarizador puede verse como una estación de amarre en la que se puede introducir el cartucho de polarización para acoplarse y funcionar con los sistemas del hiperpolarizador. El sistema del hiperpolarizador incluye además un subsistema de potencia que incluye una fuente de alimentación 120, una seguridad de potencia principal 121 y otros sistemas de circuitos de protección 122, cada uno con controles y pantallas como sea necesario. Se proporciona un sistema refrigerador 125 para modular la temperatura de funcionamiento de los láseres. Una estantería proporciona un emplazamiento para un microordenador (no mostrado) para controlar y monitorizar el procedimiento de polarización. El carrito 101 incluye además una tapa 105 para confinar la luz láser. Se pueden instalar permanentemente o semipermanentemente sistemas similares, por ejemplo, una montura de pared o un sistema de armario eléctrico fijo. Otras configuraciones están dentro del alcance de la invención. Preferentemente, cada uno de los sistemas y subsistemas principales son fácilmente sustituibles, como, por ejemplo, integrándose en la unidad por conexiones de clavija y base de contacto.

La Figura 6 proporciona una ilustración esquemática de una forma de realización de una unidad de polarización sustituible según la invención. Se proporciona una botella 201 que contiene el gas blanco incluido un gas noble como, por ejemplo, ^{3}He o ^{129}Xe. Mezclas de gas adecuadas, como se describe en la presente memoria descriptiva, están disponibles de suministradores de gas, como, por ejemplo, Isotec, S.A., Miamisburg, Ohio, EE UU. La botella de gas es capaz de mantener el gas blanco bajo presión elevada e incluye suficiente gas para permitir varios llenados de presión elevada de una cámara de bombeo 221 o que permite el flujo continuo de presión elevada a través de la cámara suficiente para producir la cantidad necesaria de gas noble hiperpolarizado. Una ventaja importante de la unidad de polarización es que se puede sustituir fácilmente cuando el suministro de gas esté vacío. Por otra parte, se pueden fabricar y enviar unidades de polarización de repuesto totalmente configuradas para instalación en el sistema hiperpolarizador, y se pueden almacenar indefinidamente en reserva.

La botella de gas 201 está en comunicación fluida con un regulador de presión 203 por los conductos 205 y 206, controlados por la válvula 207. El regulador de presión 203 controla el flujo de gas y es preferentemente un regulador de elevada pureza como, por ejemplo, un regulador de pureza ultra elevada (UHP) de acero inoxidable (por ejemplo, Modelo E99-OLRC disponible de Productos neumáticos). La válvula 207 y otras válvulas del cartucho que se ponen en contacto con el gas deben poder funcionar bajo presión elevada. Válvulas adecuadas incluyen todas las válvulas de metal Nupro Modelo S S-4BG-VCR disponibles de Válvulas & accesorios Penn, S.A., Willow Grove, Pensilvania, EE UU.

El conducto 209 lleva desde el regulador 203 a un transductor de presión de flujo a través 211 y el flujo se controla mediante la válvula 213. La válvula 213 se usa para regular el flujo al llenar la célula con una nueva carga de gas. La presión de la célula se monitoriza mediante el transductor de presión de flujo a través 211. El transductor 211 es preferentemente horneable a aproximadamente 200°C. Transductores adecuados incluyen, por ejemplo, el Modelo HS-10S disponible de Medidores de flujo másicos Hastings NALL o el Modelo 212FT de Sistemas Setra, S.A., Acton, Massachussets, EE UU.

El transductor 211 está en comunicación fluida con el purificador de gas 215 mediante el conducto 217. El purificador 215 es conveniente para retirar vapor de agua y otras impurezas del gas blanco, debido a que estas impurezas pueden interferir con el procedimiento de polarización. El purificador 215 es preferentemente un dispositivo desgaseador, como, por ejemplo, la mini vasija purificadora disponible de Sistemas ultra puros, S.A., Colorado Springs, Colorado, EE UU. Típicamente, estos dispositivos se calientan para mejorar la purificación, por ejemplo, mediante un calefactor de banda externo con un termopar (por ejemplo disponible de Sistemas ultra puros, S.A.).

Los conductos 219 y 220 conectan el purificador 215 a la célula de bombeo 221 y se controlan mediante la válvula 223. La célula de bombeo 221 está fabricada como se describe en otra parte en la presente memoria descriptiva y tiene un volumen de aproximadamente 10 cm^{3} a aproximadamente 100 cm^{3}, preferentemente aproximadamente 30 cm^{3}. La célula de bombeo 221 incluye también un respiradero de salida 225, que se controla mediante una válvula 227.

El conducto 219 se bifurca para proporcionar el conducto 220 a la célula de bombeo y el conducto 229 a la válvula 231. Después el conducto 233 lleva desde la válvula 231 y se bifurca para proporcionar el conducto 235 que lleva a la bomba de diafragma 237 (controlada mediante la válvula 239) y el conducto 241 que lleva a una salida de purga 243 y controlada mediante la válvula 245.

Esta configuración de suministro de gas permite el purgamiento cómodo del sistema, lo cual es importante para mantener la eficacia del procedimiento de hiperpolarización. Un protocolo de purgamiento puede desarrollarse como sigue. En primer lugar, se inyecta un gas de purga en la entrada de purga 247, desplazándose a través del conducto 249, controlado mediante la válvula 251. A continuación, el gas de purga pasa a través del regulador 203, el transductor de presión 211 y el purificador 215. Abriendo las válvulas 231 y 245, el gas de purga se puede descargar a través de la salida de purga 243. En principio, las válvulas 223 y 227 se pueden usar para purgar la célula, no obstante, se cree que esto no será necesario como un asunto de rutina. Finalmente, se puede usar la bomba de diafragma 237 para retirar gas de purga residual a través de la válvula 239 a continuación de la purga.

Los ejemplos siguientes se proporcionan para ayudar en una comprensión adicional de la invención. Se pretende que los materiales y estados empleados sean adicionalmente ilustrativos de la invención y no son limitativos sobre el alcance razonable de ésta. Particularmente, ciertas consideraciones aplicables a polarización de gases nobles según la invención se ejemplifican en la presente memoria descriptiva con referencia a polarización de ^{129}Xe fluyente mediante intercambio de espín con átomos de rubidio. No obstante, esta descripción no se debe comprender como que limita el alcance de la invención. Estas consideraciones se aplican en la polarización de ^{3}He, como, por ejemplo, en un modo fluyente semicontinuo, así como en el uso de otros metales alcalinos, como, por ejemplo, cesio y potasio. Las excepciones y variaciones a estas generalizaciones, tal como son conocidas, se observan en la presente memoria descriptiva donde sea pertinente, sin salirse de la aplicabilidad general de la invención.

Ejemplo 1

Un aparato de polarización de flujo continuo según la invención se ha construido generalmente de acuerdo con la estructura ilustrada en la Figura 2, descrita anteriormente. La cámara de bombeo es un cilindro de vidrio de 6 cm de longitud y con un volumen de aproximadamente 30 cm^{3}. El eje óptico es colineal con el eje longitudinal de la cámara. Hemos comprobado que el flujo óptimo a través de la cámara de bombeo depende de la temperatura. Para la hiperpolarización de ^{129}Xe (3% en 96% de helio; 1.013.250 Pa (10 atm)) en esta cámara de 30 cm^{3}, el caudal puede estar en el intervalo de aproximadamente 300 cm^{3}/min. a aproximadamente 600 cm^{3}/min. a 150°C, correspondiente a un tiempo de intercambio de espín (T_{IE}) de 22 s, y una polarización de rubidio promedio de aproximadamente 50%.

Ejemplo 2

Una mezcla de gas de 3% de Xe con una composición isotópica natural de aproximadamente 26% de ^{129}Xe, 1% de nitrógeno y 96% de helio se polarizó usando el aparato descrito en el Ejemplo 1. Además, se usó un acumulador de criocondensación según la invención para acumular el gas que deja la cámara de bombeo. Usando nitrógeno líquido como refrigerante para un dedo frío de vidrio, se acumularon 120 cm^{3} de ^{129}Xe hiperpolarizado congelado en 0,5a h. El caudal nominal del gas blanco durante la acumulación fue 80-100 cm^{3}/min. en c.n. Debido a que la mezcla del gas era sólo 3% Xe, esto permitió una velocidad de acumulación de xenón de hasta aproximadamente 3 cm^{3}/min. en c.n. Al sublimarse, se permitió que el ^{129}Xe se expandiera de vuelta a la cámara de bombeo, que estaba dotada de una bobina de RMN de impulsos. Se determinó que la intensidad de señal de RMN fue aproximadamente 1/4 de la mayor saturación igual vista en la mezcla de gas He:Xe:N_{2} en una cámara de bombeo sellada. A partir de modelización por ordenador, se cree que la polarización de saturación el ^{129}Xe durante un procedimiento de bombeo óptico es aproximadamente 75%. Con un manómetro de capacitancia se midió que la presión del xenón sublimado era 122.603,25 Pa (1,21 atm) comparada con 27.357,75 Pa (0,27 atm) de xenón en la mezcla de gas durante el bombeo. Dado el cociente de presiones y señales de RMN, llegamos a una polarización preliminar del ^{129}Xe acumulado de 5%.

La polarización neta obtenida en este experimento estaba dentro de un orden de magnitud de la polarización máxima teórica. Así, aunque se debe reconocer que este procedimiento no estaba optimizado, se muestra que la producción continua de ^{129}Xe hiperpolarizado es posible usando el procedimiento y aparato de la invención. Por otra parte, el procedimiento de producción y acumulación preservó una cantidad importante de la polarización del xenón. Basándonos en este estudio, esperamos mejoras en la producción para el gas sublimado.

Una característica importante del procedimiento y aparato de la invención es que ahora se pueden producir cantidades de xenón hiperpolarizado sustancialmente mayores que lo que eran posibles usando xenón sustancialmente puro como gas blanco. Esto es, la producción de xenón hiperpolarizado como una función del tiempo se aumenta sustancialmente, a pesar del hecho de que el xenón está presente sólo como una pequeña fracción cuando el gas blanco es 90% o más de un gas amortiguador.

Claramente, los volúmenes de ^{129}Xe hiperpolarizado obtenidos usando el aparato de la invención permiten la generación de volúmenes de gases nobles hiperpolarizados del orden de al menos diez litros por día. Por consiguiente, la invención permite ahora, por vez primera, la producción de gases nobles polarizados suficientes para permitir los estudios clínicos de ventilación de pulmón humano mediante IRM.

Claims (19)

1. Un procedimiento para hiperpolarizar un gas noble que fluye continuamente o interrumpido temporalmente, que comprende las etapas de:

a) hacer fluir de forma controlada un gas blanco bajo presión hiperbárica, que comprende un gas noble, a una cámara de bombeo de manera continua o semicontinua durante el funcionamiento desde una fuente de suministro de gas presurizado configurada y conformada para mantener una pluralidad de cantidades polarizables consecutivamente de gas noble; y

b) hiperpolarizar dicho gas noble en dicha cámara de bombeo mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino y liberar de forma controlada el gas hiperpolarizado desde la cámara de bombeo de manera continua o semicontinua, para proporcionar un gas noble hiperpolarizado fluyente.

2. Un procedimiento según la Reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa de hacer fluir comprende hacer fluir dicho gas blanco a través de dicha cámara de bombeo a un caudal que proporcione un tiempo de residencia de átomo promedio de dicho gas noble de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 veces el tiempo de intercambio de espín T_{IE} entre átomos del metal alcalino y el gas noble.

3. Un procedimiento según la Reivindicación 1, caracterizado porque dicho gas noble es xenón, que comprende ^{129}Xe en al menos abundancia isotópica natural.

4. Un procedimiento según la Reivindicación 1, caracterizado porque dicho gas noble es helio que comprende una proporción de ^{3}He sustancialmente mayor que la abundancia isotópica natural del ^{3}He.

5. Un procedimiento según la Reivindicación 1, caracterizado porque dicho gas blanco comprende de 0,1% a 5% de ^{129}Xe y de 0,1% a 30% de un gas de extinción para extinguir la fluorescencia del metal alcalino durante dicha hiperpolarización.

6. Un procedimiento según la Reivindicación 5, caracterizado porque dicho gas blanco comprende 1% de ^{129}Xe y 1% de nitrógeno, siendo el resto helio.

7. Un procedimiento según la Reivindicación 1, caracterizado porque dicho gas blanco comprende de 0,1% a 5% de ^{129}Xe, siendo el resto hidrógeno.

8. Un procedimiento según la Reivindicación 1, caracterizado porque dicho gas noble comprende ^{129}Xe y dicho procedimiento comprende además acumular dicho gas noble hiperpolarizado y dicha acumulación incluye acumular dicho ^{129}Xe en un estado congelado.

9. Un procedimiento según la Reivindicación 1, en el que la etapa que fluye semicontinua comprende aislar temporalmente una cantidad de dicho gas blanco en dicha cámara de bombeo para permitir la hiperpolarización de dicho gas.

10. Un procedimiento según la Reivindicación 10, en el que dicho procedimiento se realiza al menos dos veces para proporcionar dos o más cantidades polarizadas independientemente del gas noble hiperpolarizado.

11. Un procedimiento según la Reivindicación 1, en el que el gas blanco comprende además una cantidad de gas amortiguador y gas de extinción, caracterizado porque el gas amortiguador y el gas de extinción son diferentes.

12. Aparato para hiperpolarizar un gas noble, que comprende:

a) una cámara de bombeo (4) para hiperpolarizar un gas noble que fluye continuamente o que se puede hacer fluir semicontinuamente mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino bombeados ópticamente en la que, en el modo semicontinuo, la cámara de bombeo está configurada para capturar, polarizar y después liberar, repetidamente y de forma controlada, una pluralidad de cantidades polarizadas episódicamente de gas noble.

b) un sistema de suministro de gas blanco adaptado para suministrar continuamente o semicontinuamente un gas blanco fluyente que comprende el gas noble bajo presión hiperbárica a dicha cámara de bombeo desde la fuente de suministro de gas presurizado (11) configurada y conformada para mantener una pluralidad de cantidades polarizadas consecutivamente de gas noble; y

c) medios de hiperpolarización (1) para hiperpolarizar dicho gas noble.

13. Aparato según la Reivindicación 12, caracterizado porque dicho sistema de suministro de gas blanco comprende un recipiente de gas capaz de mantener dicho gas blanco bajo compresión.

14. Aparato según la Reivindicación 12, caracterizado porque dicho aparato está adaptado para suministrar dicho gas blanco a través de dicha cámara de bombeo a un caudal suficiente para proporcionar un tiempo de residencia de átomo promedio de dicho gas noble en dicha cámara de bombeo de 0,5 a 5 veces el tiempo de intercambio de espín T_{IE} entre átomos del metal alcalino y el gas noble.

15. Aparato según la Reivindicación 12, en el que dichos medios hiperpolarizantes comprenden un sistema de láser que es capaz de suministrar radiación hiperpolarizante a dicha cámara de bombeo en cantidad suficiente para hiperpolarizar un gas noble mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino y en el que dicho sistema de láser comprende dos fuentes de láser en disposición opuesta a lo largo de un eje óptico único, con dicha cámara de bombeo adaptada para admitir radiación de ambas fuentes de láser.

16. Aparato para hiperpolarizar un gas noble según la Reivindicación 12 en el que el gas noble comprende ^{3}He,

en el que los medios de hiperpolarización comprenden:

1) un sistema de láser capaz de suministrar radiación hiperpolarizante suficiente para hiperpolarizar ^{3}He mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino, y

2) un sistema informático que permite el control y monitorización de un procedimiento de hiperpolarización; y

en el que el sistema de suministro de gas blanco y la cámara de bombeo están configurados para residir en una unidad de polarización sustituible que se puede desmontar de forma liberable del aparato, en el que la cámara de bombeo está configurada para mantener y suministrar un gas blanco que comprende ^{3}He a presión hiperbárica, y

en el que dicha unidad de polarización sustituible se acopla y puede funcionar con dichos medios de hiperpolarización de modo que la cámara de bombeo está orientada para admitir radiación de hiperpolarización de dicha fuente de láser a dicha cámara de bombeo para hiperpolarización de dicho ^{3}He.

17. Aparato según la Reivindicación 12, en el que dicha cámara de bombeo comprende además una ventana de observación de fluorescencia y que comprende además medios de monitorización de la fluorescencia para monitorizar la fluorescencia a través de dicha ventana de observación de fluorescencia.

18. Aparato según la Reivindicación 12 en el que el gas noble comprende ^{3}He

en el que los medios hiperpolarizantes comprenden un sistema de láser capaz de suministrar radiación hiperpolarizante a dicha cámara de bombeo,

en el que dicha cámara de bombeo está adaptada para permitir flujo semicontinuo a través del gas blanco que comprende ^{3}He y es permisiva a la radiación hiperpolarizante suficiente para hiperpolarizar ^{3}He mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino y en el que dicha cámara de bombeo está configurada con medios para controlar selectivamente el caudal del flujo semicontinuo del gas blanco dentro y fuera de la cámara de bombeo; y

en el que el sistema de suministro de gas blanco y la cámara de bombeo están configurados para residir en una unidad de polarización sustituible que se puede desmontar de forma liberable del aparato.

19. Aparato según la Reivindicación 12, en el que el gas noble comprende ^{3}He, en el que los medios hiperpolarizantes comprenden un sistema de láser para suministrar radiación hiperpolarizante suficiente para permitir la hiperpolarización del ^{3}He mediante intercambio de espín con átomos de metal alcalino, en el que la cámara de bombeo está configurada para permitir el flujo semicontinuo a través del gas blanco que comprende ^{3}He, en el que la cámara de bombeo está alojada en una unidad de polarización que está configurada para acoplarse con el aparato y en el que, cuando la unidad de polarización está en posición en el aparato, el aparato está configurado para suministrar radiación hiperpolarizante a dicha cámara de bombeo.