FI105447B - Järjestely kohteen tutkimiseen - Google Patents

Description

> 105447

JÄRJESTELY KOHTEEN TUTKIMISEEN

Keksinnön kohteena on järjestely kohteen, kuten esimerkiksi ihmiskehon, tutkimiseen ja s mahdollisesti samanaikaiseen hoitotoimenpiteen ohjaamiseen.

Ydinmagneettista resonanssi-ilmiötä (NMR) on sovellettu lääketieteelliseen magneettikuvan-tamiseen (MRI) jo yli kymmenen vuoden ajan. Erilaisten magneettikuvauslaitteiden rakennetta sekä erilaisten kuvaustekniikoiden käyttöä on käsitelty useissa kirjoissa ja uusimpia tutkimustuloksia julkaistaan nykyään useissa pelkästään siihen alaan keskittyneissä tieteellisissä aikakauslehdissä.

Kaikille magneettikuvauslaitteille yhteistä on kuvattavan kohteen, usein potilaan, asemoiminen muuttumattomaan magneettikenttään B0, joka saadaan aikaan magneetilla. Tämän lisäksi magneettikenttään aiheutetaan magneettikentän lineaarinen muutos, gradientti, joka tehdään erityisellä gradienttikelalla. Magneettikuvauslaitteissa on kolme gradienttia, Gx, Gy ja Gz, jotka edustavat magneettikentän muutosta x, y ja z -akselin suuntaan vastaavasti. Gradientteja käytetään paikkainformaation koodaamiseen kuvattavan kohteen magneettisesti resonoivasta materiaalista, yleisimmin protoneista, taajuusmoduloimalla resonanssia. Magneettikuvauksen signaali tuotetaan radiotaajuus (RF) -kelojen avulla, jotka virittävät resonanssin ja toimivat signaalin vastaanottimena. Signaalin taajuussisältö analysoidaan (Fourier muunnetaan), minkä avulla selvitetään signaalin jakauma tutkittavassa suunnassa. Kirjallisuudessa on esitetty useita erilaisia tapoja soveltaa tätä perusmenetelmää 2- tai 3-dimensioisten kuvien aikaansaamiseksi käyttämällä erityisiä kuvaussekvenssejä, jotka kaikki perustuvat NMR -signaalin gra-dienttien avulla tapahtuvaan koodaukseen x, y ja z-suunnissa.

Rakenteeltaan avoimet magneettikuvauslaitteet antavat mahdollisuuden suorittaa toimenpiteitä, esimerkiksi biopsioita, potilaskuvauksen aikana. Tietyt kohteet, esimerkiksi aivotuumo-rit, luustopesäkkeet, pehmytkudosmuutokset tai maksatuumorit erottuvat parhaiten magneetti-' kuvauksessa, joten toimenpide olisi tarkimmin kohdistettavissa magneettikuvauksen ohjauk sessa. Se edellyttää kuitenkin, että operaatiovälineen paikka kudoksessa toimenpiteen aikana tiedetään tarkasti.

2 105447

Tunnettua on viitteen Longmore: US Pat. 4,827,931 mukaiset operaatiovälineet, jotka on kokonaan tai osittain valmistettu materiaalista, joka näkyy normaalissa magneettikuvassa. Tunnettua ovat viitteiden Weme R: WO 98/22022, Weme R: US Pat 5,782,764, Ratner A: US Pat. 4,989,608, Ratner A: US Pat 5,154,179 mukaiset menetelmät, joissa operaatiovälineeseen on liitetty joko säiliössä tai muuten NMR aktiivista ainetta jonka relaksaatioaika poikkeaa kudoksen relaksaatioajasta, jolla saadaan operaatio välineen ja kudoksen välille kontrastiero. Näille menetelmille tunnusomaista on, että instrumenttien emittoimaa NMR signaalia ei vahvisteta vaan näkyvyys perustuu vain joko NMR signaalia emittoivien ytimien suureen tiheyteen (esim. vesi) tai kudoksesta poikkeavaan relaksaatioaikaan. Siten näiden instrumenttien näkyvyys kudoksessa on heikkoja edellyttää kuvauksessa joko hyvin ohuiden leikkeiden käyttöä tai sellaisten kuvaussekvenssien valintaa joissa ympäröivästä kudoksesta saadaan hyvin vähän signaalia. Paksujen leikkeiden käyttö kuvauksessa on toivottavaa esim. seuratessa instrumentin kulkua mutkittelevassa suonessa tai yleensä käytettäessä taipuisia instrumentteja, esim. ohutneuloja. Toimenpiteen seurannan kannalta kudoksesta on edullista saada riittävästi signaalia jotta ympäröivä kudos näkyy yhtäaikaisesti instrumentin kanssa. Tunnettua on viitteen Cosman E: US Pat 4,618,978 mukaiset kohteen ulkopuoliset stereotaktiset kehikot, joiden avulla kohteen sijainti kudoksessa voidaan määrittää. Tunnettua on viitteiden: Mueller P et ai.: MR-guided aspiration biopsy: needle design and clinical trials, Radiology 161 pp.605-609 (1986), Lufkin R et al.: MR body stereotaxis: an aid for MR-guided biopsies, Journal of Computer Assisted Tomography 6 pp. 1088-1089 (1988), van Sonnenberg E, et al.: A wire-. sheath system for MR-quided biopsy and drainage, AJR 151 pp.815-817 (1988), Lufkin R,

Teresi L, Chiu L, Hanafee W: A technique for MR-guided needle placement, AJR 151 pp. 193-196 (1988), Bakker C, Hoogeveen R, Weber J, et al.: Visualization of dedicated catheters using fast scanning techniques with potential for MR-guided vascular interventions, Cordington R: US Pat 4,572,198, Magnetic Resonance in Medicine 36 pp.816-820 (1996), Glowinski A, Adam G, Biicker A, et al.: Catheter visualization using locally induced, actively controlled field inhomogeneities, Magnetic Resonance in Medicine 38 pp.253-258 (1997) mukaisten operaatiovälineiden käyttö, jotka aiheuttavat kuvasignaalin heikentymisen operaa-tiovälineen alueelta ja sen välittömästä läheisyydestä. Tunnettua on lisäksi viitteen Weme R: US Pat 5,744,958 mukainen instrumentti johon on kiinnitetty johtava kalvo. Instrumentissa i 3 105447 ei ole omaa NMR taajuisen signaalin lähdettä eikä kalvo ole NMR taajuiselle signaalille läpinäkyvä vaan instrumentin näkyvyys perustuu ympäröivästä kudoksesta tulevan signaalin vääristymiseen instrumentin läheisyydessä ja vääristymän voimakkuutta kontrolloidaan kalvon paksuudella. Edellä mainittujen operaatiovälineiden tuottama paikkainformaatio näkyy yleisesti signaalin häviämisenä, kun toivottavaa olisi signaalin voimistuminen.

Tunnettua on viitteen Dumoulin C: US Pat 5,419,325 mukainen ulkoiselta RF -viritykseltä suojaavan faraday-suojan liittäminen instrumenttiin. Tunnettua on viitteen Young I: US Pat 5,409,003 mukainen menetelmä, jossa instrumentin pinnan läheisyydessä kuvasignaalia emittoivien ytimien liike on rajoitettua ja eikä diffuusiosta johtuvaa signaalin heikkenemistä pääse tapahtumaan. Tunnettua on viitteen Yates D: US Pat 5,188,111 mukainen instrumentti, jonka varsiosaa voidaan taivuttaa kudoksessa ja jonka päässä on paikantamiseen soveltuva sensori.

Tunnettua on viitteiden Dumoulin et ai.: US Pat. 5,271,400, Dumoulin et ai.: US Pat. 5,307,808, Dumoulin et ai.: US Pat. 5,318,025, Souza et ai.: US Pat. 5,353,795, Leung DA, et ai.: Intravascular MR tracking catheter, AJR 164 pp. 1265-1270 (1995) mukainen menetelmä, jossa operaatiovälineeseen on asennettu yksi tai useampia pienikokoisia RF -keloja, joiden paikka havaitaan magneettikuvauksessa käytetyllä kuvantamismenetelmällä. Lisäksi viitteissä Darrow et ai.: US Pat 5,445,151, Dumoulin et ai.: US Pat 5,447,156 on esitetty tämän tekniikan sovellutuksena verisuonien kuvaaminen ja veren virtaukseen liittyvien parametrien mit-. taaminen. Tunnettua on viitteen Young I: US Pat 5,303,707 mukainen menetelmä, jossa inst rumenttiin on kiinnitetty pienikokoinen gradienttikela. Tunnettua on viitteen Ocali O. et ai: Intravascular magnetic resonance imaging using a loopless catheter antenna, Magnetic Resonance in Medicine 37 pp.l 12-118 (1997) mukainen menetelmä, jossa katetri toimii NMR taajuisena antennina ja kerää kudossignaalia antennin välittömästä läheisyydestä. Tunnettua on viitteiden: Silverman S et ai.: Interactive MR-guided biopsy in an open-configuration MR-imaging system, Radiology 197 pp.l75-181 (1995) sekä Roemer P. et ai: US Pat 5,365,927 mukaiset menetelmät, jossa operaatiovälineen sijainnin määrittäminen perustuu varsiosassa sijaitsevien pienten lähettimien paikan havaitsemiseen. Tunnettua on viitteen Kaufman L: US Pat 5,155,435 mukainen menetelmä jossa operaatiovälineen paikka projisoidaan aikaisemmin , 105447 4 kuvatun anatomisen kuvan päälle. Edellä mainitut menetelmät ovat herkkiä liikkeelle sekä magneettikentän ja gradienttikenttien epähomogeenisuuksille koska kohteen anatomisen rakenteen kuvantamiseen käytetään eri menetelmää kuin operaatiovälineen paikan määrittämi-seen.

Tunnettua on viitteen Golman K, Leunbach I, Adrenkjaer-Larsen J et ai.: Overhauser-enhanced MR imaging (OMRI) Acta Radiologica 39 pp.10-17 (1997) mukainen menetelmä, jossa verenkiertoon tai kudokseen ruiskutetaan varjoainetta, jonka emittoimaa signaalia vahvistetaan dynaamista ydinpolarisaatiota hyväksi käyttäen. Tunnettua on viitteessä Sepponen R: US Pat. 5,211,166 esitetty periaate, jossa operaatiovälineeseen sijoitetun vaqoainenäytteen emittoimaa NMR -taajuista signaalia vahvistetaan dynaamisen ydinpolarisaation avulla. Tunnettua on viitteen Sepponen R: US Pat 5,218,964 samaan periaatteeseen perustuva stereotaktinen kehikko. Tunnettua on viitteissä Joensuu R, Sepponen R, Lamminen A, Standertskjöld-Nordenstam C-G, Interventional MR imaging: Demonstration of the feasibility of the Overhauser marker enhancement (OMEN) technique, Acta Radiologica 38 pp.43-46 (1997), Joensuu R, Sepponen R, Lamminen A, Savolainen S, Standertskjöld-Nordenstam C-G, High-accuracy MR tracking of interventional devices: the Overhauser marker enhancement (OMEN) technique, Magnetic Resonance in Medicine 40(6) pp.914-921 (1998) esitetyt menetelmät, joissa operaatiovälineeseen sijoitetun, ympäristöönsä nähden sähkömagneettisesti avoimen, varjoainenäytteen emittoimaa NMR -taajuista signaalia vahvistetaan dynaamisen ydinpolarisaation avulla.

Dynaaminen ydinpolarisaatio (DNP) on magneettinen kaksoisresonanssimenetelmä, joka siten . edellyttää kahta erillistä spinpopulaatiota. Tällaisia spinpopulaatioita ovat esimerkiksi elekt ronien ja protonien spinit. DNP:ssä paramagneettinen materiaali, myöhemmin tehosteaine, toimii elektronispin resonanssin (ESR) siirrosten lähteenä ja se on vuorovaikutuksessa, yleensä seostettuna, NMR -signaalia emittoivaan aineeseen, esimerkiksi veteen. Tätä seosta, jota myöhemmin kutsutaan varjoaineeksi, säteilytetään ensimmäisellä säteilyllä, jonka taajuus ja ·’ amplitudi ovat valitut virittämään osan tai kaikki tehosteaineen ESR siirrokset (tämä on yleen sä mikroaaltoalueen taajuus ja siksi sellaista säteilyä kutsutaan myöhemmin mikroaaltosätei-lyksi). Magneettikuvan aikaansaamiseksi kohdetta säteilytetään toisella säteilyllä, jonka taajuus on valittu virittämään ydinspin-siirrokset kuvausytimissä. Lopputuloksena on parannettu i 105447 5 magneettikuva varjoainetta sisältävästä kohteesta, kuvan signaalivoimakkuuden ollessa vahvistettu kertoimella, joka voi olla 100 tai enemmän.

Dynaamista ydinpolarisaatiota ja siihen soveltuvia tehosteaineita on käsitelty mm. viitteissä Potenza, J.: Measurement and applications of dynamic nuclear polarization. In: Advances in molecular relaxation processes, 4 pp.229-354, Elsevier Publishing Company, Amsterdam (1972), Leunbach I: US Pat 5,314,681, Andersson S. et al: US Pat 5,530,140, Golman K: US Pat 5,435,991, Golman K: US Pat 5,435,991.

Viitteissä Leunbach I: US Pat 4,984,573 ja Leunbach I: US Pat 5,203,332 on esitetty DNPrhen soveltuvia magneettikuvauslaitteita ja viitteessä Ehnholm G: US Pat 5,184,076 on esitetty DNP:hen soveltuva kuvauskelan rakenne. Viitteessä Maciel G, Davis M: NMR imaging of paramagnetic centers in solid via dynamic nuclear polarization, Journal of Magnetic Resonance 64 pp.356-360 (1985) on esitetty paramagneettisten ainesosien kartoitukseen soveltuva menetelmä yhdistäen DNP ja MRI menetelmät. Viitteessä Lurie et ai.: US Pat 4,891,593 on sovellutuksena esitetty paramagneettisten ainesosien kartoitus. Viitteessä Ettinger K: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitukset. Viitteessä Lurie D, Bussel D, Bell L, Mallard J: Proton-electron double magnetic resonance imaging of free radical solutions, Journal of Magnetic Resonance 76 pp.366-370 (1988) on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidiradikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

• DNP:n fundamentaalinen etu on, että kohteen NMR -signaali/kohinasuhdetta voidaan suuresti parantaa. Sen ansiosta varjoainetta sisältävä kohde voi olla hyvin pienikokoinen ja siitä huolimatta sen näkyvyys magneettikuvassa on parempi kuin esimerkiksi ympäröivä kudoksen.

. DNP:llä on kuitenkin myös rajoituksensa. Koska ESR.n resonanssiviivan leveys on suhteelli- • ____________ sen suuri, joudutaan varjoaineen saturaatiossa käyttämään suurta tehoa, jota tunnetulla teknii-' kalla on mahdollista saada aikaan vain käyttämällä kalliita tehovahvistimia. Toinen ongelma on mikroaaltosäteilyn pyrkimys kuumentaa kohdetta. Siten tietyn kokoisella ja muotoisella 6 105447 kohteella ja tietyllä kuvaustilavuudella kohteen absorboitua teho, Pa, on verrannollinen mik-roaaltosäteilyn amplitudin, A„, ja taajuuden, fm, neliöihin. Täten

Pa=k0ftä*>m (1) missä k0 on vakio ja Dm on mikroaaltosäteilyn toimintajakso, jotka kudokseen absorboitues-saan saattavat johtaa sen vahingoittumiseen (liialliseen lämpenemiseen).

Sähkömagneettisen säteilyn ja biologisen kudoksen vuorovaikutusta on käsitelty mm. viitteessä: Röschmann P: Radiofrequency penetration and absorption in the human body: Limitations to high field whole body nuclear magnetic resonance imaging, Medical Physics 14(6) pp.922-931 (1987).

Käytännössä katetrin, leikkauksessa käytettävän välineen, biopsianeulan tai sädehoitopanok-sen, yleisesti operaatiovälineen, paikannus suhteessa eri kudoksiin on suoritettava mahdollisimman suurella tarkkuudella. Jatkossa välineen kunakin hetkenä kiinnostavaa sijaintipaikkaa kutsutaan operaatiopaikaksi. Tämä edellyttää kuvauksessa saavutettavaa hyvää kontrastia ja signaali/kohinasuhdetta mainitun välineen tai sen osan ja operaatiopaikan kudoksen välillä. Operaatioväline ei saa lisäksi vaurioittaa kudosta enempää kuin mikä on välttämätöntä välineen ohjaamiseksi operaatiopaikalle. Edelleen, operaatiovälineen on oltava kaikissa olosuhteissa toimintavarma, helposti puhdistettavissa ja helppokäyttöinen sekä mielellään hinnaltaan ; ' edullinen.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 tai patenttivaatimuksessa 2. Edullisia sovellutusmuotoja on esitetty alivaatimuksissa.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin oheisten piirustusten avulla.

- Kuvio 1 esittää interventionaalisen toimenpiteen suorittamiseen suunniteltua laitteistoa.

- Kuvio 2 esittää operaatiovälineen toimintaa interventionaalisen toimenpiteen eri vaiheissa.

- Kuvio 3 esittää lähemmin operaatiovälineen yhtä rakennevaihtoehtoa.

i 7 105447

Kuviossa 1 potilas tai jokin muu tutkittava kohde sijoitetaan magneetin M ja siihen virtaa syöttvän virtalähteen MC synnyttämään polarisoivaan magneettikenttään B0, jonka vaikutuksesta syntyy kohteeseen ydinmagnetisaatio ja elektronispinien muodostama magnetisaatio; kohteen P ympärillä ovat lisäksi gradienttikelastot GC, joiden synnyttämien gradienttikenttien voimakkuutta NMR spektrometri NMRS ohjaa gradienttivirtalähteiden G välityksellä; NMRS ohjaa myös operaatiovälineen BN jonkin osan läheisyydessä sijaitsevien ainesten elektronis-pinsysteemin saturoivaa energiaa (saturaatioenergia) synnyttävää radiotaajuuslähetintä ESRE; NMRS sisältää tarvittavat radiotaajuuskomponentit antennivälineiden A kautta tapahtuvien NMR -signaalin synnyttämiseksi ja vastaanottamiseksi tarvittaviin toimenpiteisiin, sekä signaalin tallettamiseksi ja prosessoimiseksi; lopullinen kuvaustulos esitetään näytöllä D.

NMR koejärjestely käsittää polarisoivan magneettikentän B0:n synnyttämiseen tarvittavan magneetin (resistiivinen-, kesto- tai suprajohdemagneetti tai jopa maan magneettikenttä), NMR spektrometrin sekä antennivälineet. Magneettikuvausjärjestely käsittää edellisten lisäksi gradienttikelastot ja ohjattavat virtalähteet, välineet kuvan rekonstruointiin ja näyttöön.

Kuviossa 2 on kuvattu yksityiskohtaisemmin operaatiovälineen toimintaa ja rakennetta, joka voi olla kuten kuviossa 2 esitetty sylinterimäinen. Kuviossa 2A operaatiovälineen mikroaalto-osa on sylinterin C sisällä siten, että mikroaalto-osan varjoainetta sisältävä osa ACT on sylinterin ulkopuolella. Operaatiovälineen ohjaaminen kohteeseen pehmytkudoksessa tapahtuu mikroaalto-osan ollessa tässä asennossa. Kuviossa 2B myös mikroaalto-osan varjoainetta . sisältävä osa ACT on sylinterin C sisällä. Keksinnönmukaisessa operaatiovälineessä tämä • ' tapahtuu automaattisesti silloin, kun instrumenttia painetaan vasten kovaa kudosta H, joka voi olla esimerkiksi luuta. Varjoainetta sisältävä osa palautuu sylinterin ulkopuolelle kun painaminen vasten kovaa kudosta päättyy. Kuviossa 2C on operaatiovälineen mikroaalto-osa vedetty kokonaan pois sylinterin C sisältä ja sylinteriin on kiinnitetty alipaineimu S. Kudos-. ; näytteen otto voi tapahtua tällä tavoinkäyttäen operaatiovälineen sylinteriosaa näytteenotto- neulana.

r

Kuviossa 3 on esitetty yksityiskohtaisemmin operaatiovälineen BN mikroaalto-osan rakennetta. Kuviossa 3 varjoainetta sisältävän osan ACT toinen pää on taperoitu 7 ja taperointi on 8 105447 osittain tai kokonaan siirtolinjan TL vaipan 5 sisällä. Taperointirakenteen 7 avulla minimoidaan saturaatiotehon heijastushäviöitä, jotka aiheutuvat siirtolinjan eristeaineen 6, varjoaineen 1 sekä varjoaineen säiliön 2 materiaalien erilaisista sähkömagneettisista ominaisuuksista. Siirtolinjan TL vaippa 5 tukee myös mekaanisesti operaatiovälineen BN aktiivista osaa ACT. Siirtolinjan TL keskijohdin 4 jatkuu varjoainesäiliön 2 sisätilaan varjoaineeseen 1 ja saturaa-tioteho siirtyy keskijohtimen 4 avulla siirtolinjasta varjoaineeseen. Keskijohdin 4 toimii tässä rakenteessa myös jäähdytyselementtinä johtaen lämpöä varjoaineesta 1 siirtolinjaan TL estäen aktiivista osaa ACT kuumenemasta. Varjoainesäiliön 2 materiaali on lämpöä eristävää ja varjoainetta 1 ympäröi lisäksi metallikerros 3, joka on sähköisessä ja termisessä kontaktissa siirtolinjan vaippaan 5. Siten varjoaineessa syntyvä lämpö ei pääse johtumalla tai säteilemällä aktiivista osaa ympäröivään tilavuuteen, joka voi olla esimerkiksi kudosta. Metallikerros 3 voi olla myös varjoainesäiliön 2 sisäpuolella, tai metallikerros voi olla varjoainesäiliön 2 päällä kuvion 3 mukaisesti, mutta sitä ympäröi vielä toinen lämpöä eristävä kerros, esimerkiksi muovikalvo.

Siirtolinjan TL ja varjoaineen 1 ja sen säiliön 2 rajapinnassa on yleisesti ottaen sähkömagneettinen epäjatkuvuuskohta, josta mikroaaltoalueella syötettävästä tehosta voi heijastua 90% tai enemmän. Tällaisessa tapauksessa syöttötehoa on saman saturaation aikaansaamiseksi oltava kymmenkertainen määrä verrattuna siihen tilanteeseen, missä kaikki teho absorboituu varjoaineeseen, eli varjoaine on kytketty siirtolinjaan sovitetusti. Sovitus voi olla toteutettu suurella taajuusalueella (laajakaistainen sovitus) tai kapealla taajuusalueella ESR -. toimintataajuuden ympäristössä. Laajakaistainen sovitus voidaan toteuttaa liittämällä varjoai netta sisältävä säiliö 2 siirtolinjaan TL taperoidusti. Taperoidulla alueella 7 varjoaineen 1 ja sen sisältävän säiliön 2 halkaisija, poikittaisleveys tai -korkeus muuttuu jatkuvasti tai lähes jatkuvasti siten, että siirtolinjan TL poikittaisleikkauksen pinta-alasta on aluksi valtaosa siirtolinjan eristeainetta 6 ja pieni osa varjoainetta 1 ja sen säiliörakennetta 2, mutta siirryttäessä : poispäin tehoa syöttävästä mikroaaltogeneraattorista, varjoaineen 1 ja säiliörakenteen 2 osuus kokonaispinta-alasta kasvaa. Taperoidun rakenteen 7 sisääntulevan tehon heijastuskerroin Γ, on muotoa i 9 105447 Γ, =ije-i2lk—(\nZ)dz, (2)

O

missä L on taperoinnin kokonaispituus, Z taperoinnin normalisoitu impedanssi, z on etäisyys taperoinnin alkamispisteestä, j = y[-T ja β on aaltoluku. Heijastuskerroin riippuu taperoinnin impedanssista ja taajuudesta, mutta yleisesti ottaen sovitus on korkeilla taajuuksilla hyvä. Esimerkiksi eksponentiaalisen taperoinnin tapauksessa, jolloin InZ muuttuu lineaarisesti z:n funktiona, heijastuskerroin on n. 22% tai pienempi heijastuksen maksimiarvosta, kun tulevan tehon aallonpituuden puoliluku on yhtä suuri tai pienempi kuin taperoinnin pituus.

Keksinnön mukaisen laitteessa varjoaine on kytketty mikroaaltotehoa syöttävän siirtolinjaan taperoidusti, ja taperoinnin pituus on vähintään puolet käytetyn syöttötehon aallonpituudesta siirtolinjan eristeaineessa. Tällaisen rakenteen avulla saadaan aikaan hyvin laajakaistainen sovitus, jonka suuri hyöty on, että samaa instrumenttia voidaan käyttää rajataajuuden yläpuolella pienellä syöttöteholla kaikissa magneettikentän voimakkuuksissa ja kaikissa magneettikuvauslaitteissa ilman, että instrumenttia tarvitsisi erikseen virittää. Lisäksi keksinnönmukai-sessa laitteessa tunnusomaista on, että varjoainetta sisältävä säiliön taperointialue on osittain tai kokonaan siirtolinjan vaipan sisällä. Siten varjoainesäiliö voidaan tukea siirtolinjan vaippaan ja säiliön kiinnitys siirtolinjaan saadaan mekaanisesti kestäväksi.

Tehosteaineen saturoitumisen aiheuttaa mikroaaltoenergian magneettikentän komponentti.

• ...______ • Koska haluttu tilanne on voimakas saturaatio, on myös magneettikentän voimakkuuden toivottavaa olla suuri. Saturaatiosäteilyn tehotiheyttä varjoaineessa on mahdollista kasvattaa heijastamalla varjoaineen läpi kulkenut saturaatiosäteily takaisin tulosuuntaansa. Siten varjoaineeseen syntyy seisova aaltoja magneettikentän voimakkuus varjoaineessa on seisovan aallon kupukohdissa maksimissaan kaksi kertaa suurempi kuin ilman heijastusta. Seisova aalto * . ______· · - ·- ------- _ _.

voidaan saada aikaan esimerkiksi ympäröimällä varjoaine hyvin sähköä johtavalla kalvolla, joka on galvaanisessa kontaktissa siirtolinjan maadoitettuun vaippaan. Siten varjoaineen lä- « ..... __________...

päissyt saturaatiosäteily törmää johtavaan seinämään ja heijastuu takaisin varjoaineeseen.

Seisovan aalto tuottaa operaatiovälineeseen myös toisen hyödyllisen ominaisuuden: aktiivisen osan tangentiaalisessa magneettikuvassa näkyy säännöllisin välein kirkkaita ja tummia alueita.

10 105447

Kirkkaat alueet vastaavat saturaatiotehon magneettikentän voimakkuuden maksimikohtia ja tummat alueet minimejä, ja vierekkäisten maksimien (tai minimien) etäisyys on saturaatiotehon aallonpituuden puoliluku varjoaineessa. Tätä voidaan käyttää hyväksi instrumentin paikantamisessa esimerkiksi laskemalla magneettikuvasta kirkkaiden alueiden lukumäärä. Mikäli niitä on vähemmän kuin niitä operaatiovälineellä suoritettujen aikaisempien mittausten perusteella tiedetään olevan, voidaan siitä päätellä, että osa operaatiovälineestä on magneettikuvan leikkeen ulkopuolella.

Keksinnönmukaisessa laitteessa varjoaineen ESR -saturaatiota voimistetaan synnyttämällä varjoaineeseen seisova saturaatioaalto. Voimakas magneettikenttä aiheuttaa varjoaineessa syvän saturaation, jonka seurauksena NMR -signaalin vahvistus on suuri jo pienellä mikroaallon syöttöteholla. Samoin, mikäli varjoainesäiliön dimensiot ovat suuremmat kuin satu-raatiosäteilyn aallonpituuden puoliluku varjoaineessa, voidaan varjoainesäiliön seisovan aallon synnyttämää magneettikuvaa käyttää hyväksi interventionaalisen instrumentin paikan ja asennon määrittämisessä kudoksessa.

Mikroaaltosäteily lämmittää kudosta. Potilastutkimukseen tarkoitettu operaatioväline ei kuitenkaan saa nostaa kudoksen lämpötilaa yli 40°C asteen, koska silloin kudos voi vaurioitua (palovamma). Koska varjoaineen syvä saturoituminen edellyttää suutta mikroaaltotehoa, voi tästä tehosta absorboitua ympäröivään kudokseen niin suuri osa, että kudoksen lämpeneminen muodostuu käytettävän mikroaaltotehon rajoittavaksi tekijäksi. Lisäksi itse varjoaine kuume-. nee saturoitaessa ja osa tästä lämpöenergiasta siirtyy ympäröivään kudokseen johtumalla ja kudoksen lämpötila nousee. Kudoksen altistus mikroaaltosäteilylle voidaan estää kapseloimalla mikroaaltosäteilyä sisältävä osa instrumentista hermeettisesti kuorella, joka ei läpäise mikroaaltosäteilyä. Mikroaaltotehoa syöttävän siirtolinjan tapauksessa tämä on helposti tehtävissä esimerkiksi käyttämällä metallivaippaista koaksiaalijohdinta. Varjoainetta sisältävän : osan ympäröinti sähköä johtavalla kuorella yleisessä tapauksessa estää myös NMR -taajuisen säteilyn pääsyn kuoren läpi. Sitä ei voida sallia, koska sellaisessa tapauksessa varjoaineen emittoimaa NMR -signaalia ei voida havaita normaalein magneettikuvantamisen keinoin. Ongelma voidaan kuitenkin ratkaista mikäli kuoren materiaali ja paksuus valitaan oikein. Radio- tai mikroaaltotaajuinen säteily pystyy tunkeutumaan johtavaan aineeseen siten, että i „ 105447 sekä sähkö- että magneettikentän komponentit vaimenevat eksponentiaalisesti etäisyyden funktiona johteen pinnasta. Sitä määrittää tunkeutumissyvyys, & 5= (3) V Ρσω missä μ on materiaalin permeabiliteetti, σοη materiaalin sähkönjohtavuus ja tuon säteilyn kulmataajuus. Tunkeutumissyvyydellä sähkö- ja magneettikentän voimakkuus on noin 36,8% johtavan pinnan voimakkuudesta. Yhtälöstä (3) nähdään, että tunkeutumissyvyys riippuu paitsi materiaalin ominaisuuksista myös säteilyn taajuudesta siten, että suuritaajuisen säteilyn tunkeutumissyvyys on pienempi kuin matalataajuisen säteilyn. Tätä voidaan käyttää hyväksi valitsemalla kuoren materiaali ja paksuus siten, että haluttu matalataajuinen säteily läpäisee kuoren lähes esteettä, mutta korkeataajuinen säteily läpäisee kuorta vain vähäisessä määrin.

Kuumentuneesta varjoaineesta ympäröivään kudokseen johtumalla siirtyvä lämpö voidaan minimoida kapseloimalla varjoaine huonosti lämpöä johtavalla kalvolla. Se voi olla materiaaliltaan esimerkiksi lasia tai muovia, joiden lämmönjohtavuus on tyypillisesti alle lW/(mK), mikä on paljon pienempi kuin esimerkiksi kuparin lämmönjohtavuus n. 400W/(mK).

Keksinnönmukaisen laitteessa varjoainetta sisältävä osa on kapseloitu johtavalla kuorella, jonka paksuus on valittu siten, että ESR -saturaatioon käytettävän mikroaaltosäteilyn seinämän kohtisuoraan läpäisseen saturaatiosäteilyn kentänvoimakkuuden amplitudi on puolet tai .· vähemmän vastaavasta kentänvoimakkuuden arvosta ennen seinämän läpäisyä. Samanaikai sesti seinämän kohtisuoraan läpäisseen NMR -taajuisen säteilyn kentänvoimakkuuden amplitudi on puolet tai enemmän vastaavasta NMR -taajuisen kentänvoimakkuuden arvosta ennen seinämän läpäisyä. Lisäksi johtava kuori muodostaa hyvän sähköisen ja termisen liitoksen mikroaaltotehoa syöttävän siirtolinjan vaippaan. Edelleen keksinnönmukaisessa laitteessa - ·, johtavan kuoren sisä- tai ulkopuolella tai kummallakin puolella on huonosti lämpöä johtava eristävä kalvo, jonka lämmönjohtavuus on 10W/(mK) tai pienempi. Tällä tavoin saavutetaan 3 kolme merkittävää etua. Saturaatiosäteily ei lämmitä kudosta suoraan eikä epäsuorasti. Säh köä johtavasta kuorirakenteesta johtuen mikään osa kudoksesta ei altistu merkittävästi mikro-aaltosäteilylle, ja kuorirakenne pysyy viileänä koska se johtaa lämpöä siirtolinjan massiiviseen 12 105447 ulkojohtimeen. Lisäksi varjoainetta ympäröivä lämpöä eristävä kerros edelleen estää operaa-tiovälineen ulkopinnalle muodostumasta kuumia kohtia, jotka voisivat vahingoittaa ympäröivää kudosta. Kolmanneksi, sähköäjohtava kuoren sisällä on hyvin määritelty sähköinen ja magneettinen ympäristö eivätkä ympäristössä tapahtuvat muutokset, esimerkiksi operaatiovä-lineen työntäminen kudokseen, vaikuta laitteen sähköiseen toimintaan esimerkiksi muuttamalla viritystaajuutta tai sovitusta.

Saturaatiotehoa syöttävä siirtolinja voi olla esimerkiksi mikroliuskajohto, aaltoputki tai koak-siaalijohto, jossa on yksi tai useampia sisäjohtimia, jotka voivat olla vierekkäisiä tai sisäkkäisiä yhteisen ulkojohtimen sisällä. Näistä rakenteista koaksiaalijohdolla on useita toivottavia ominaisuuksia: Mikroaaltoteho rajoittuu ulkojohtimen sisäpuolelle eikä johdin säteile ympäristöönsä. Lisäksi sisäjohdin tai -johtimet mahdollistavat myös sellaisten aaltomuotojen etenemisen, joiden aallonpituuden puoliluku on suurempi kuin ulkojohtimen poikittaisdimensiot, toisin kuin aaltoputken tapauksessa. Tämä on tärkeä ominaisuus koska interventionaalisen operaatiovälineen poikittaispinta-ala on toivottavaa olla niin pieni, että instrumentti mahtuu pieniin suoniin, eikä kudokseen työnnettäessä aiheuta suuria vaurioita. Sisäjohtimen tai -johtimien avulla myös saturaatiotehon kuljettaminen varjoaineeseen helpottuu mikäli johdin tai sen jatke jatkuu varjoainesäiliön sisälle. Koaksiaalijohdon sekä sähkö- että magneettikentän kenttäkuviot ovat lisäksi aina voimakkaasti käyräviivaiset riippumatta keskijohtimien lukumäärästä, ulkojohtimen geometriasta tai johtimessa kulkevasta aaltomuodosta. Tämä on toivottava ominaisuus pyrittäessä saturoimaan tehosteainetta homogeenisessa magneettikentässä, koska saturaatiotehon magneettikentän voimakkuuden komponentti on tällöin aina jos-sain osassa varjoainetta poikittainen staattiseen magneettikenttään nähden, mikä on edellytys tehosteaineen elektronispinsaturaatiolle. Siten koaksiaalisessa varjoainesäiliössä tapahtuu aina NMR -signaalin vahvistumista riippumatta instrumentin asennosta staattiseen magneettikenttään nähden, ja instrumentin asennolle magneettikentässä ei toimenpiteen aikana tarvitse : asettaa rajoituksia. Sisäjohtimen ulottuessa varjoaineen sisälle se on myös helposti saatetta vissa hyvään termiseen kontaktiin varjoaineen kanssa. Siitä on tässä tapauksessa suurta etua, koska sisäjohtimen materiaali voidaan helposti valita sellaiseksi (esimerkiksi metallit), että se johtaa myös hyvin lämpöä, jolloin sijaitessaan varjoaineen sisällä se, suuren kontaktipinnan i 13 105447 ansiosta, jäähdyttää hyvin varjoainetta siirtämällä lämpöenergiaa pois varjoaineesta siirtolin-jaan.

Keksinnönmukaisessa laitteessa siirtolinja muodostuu yhdestä tai useammasta hyvin sähköä ja lämpöä johtavasta sisäjohtimesta, jotka ovat yhteisen ulkojohtimen sisällä. Edelleen siirto-linjan keskijohdin tai -johtimet, tai niiden jatke, jatkuvat varjoaineeseen, jolloin saturaatiosä-teily etenee hyvin varjoaineeseen, NMR -signaalin vahvistumista tapahtuu kaikissa operaatio-välineen asennoissa staattiseen magneettikenttään nähden, ja sisäjohdin tai -johtimet johtavat tehokkaasti varjoaineessa syntynyttä lämpöenergiaa siirtolinjaan jolloin varjoaineen lämpötila pysyy alhaisena.

Varjoaine on nestettä ja sen tilavuus kasvaa, mikäli sen lämpötila nousee joko saturaatiosä-teilyn vaikutuksesta tai muusta syystä. Nesteen laajentumisen seurauksena paine varjoainesäi-liössä pyrkii nousemaan mikä voi pahimmassa tapauksessa rikkoa säiliön tai säiliön johonkin liitoskohtaan tulee vuoto. Sitä ei voida sallia, koska varjoaineen pysyminen hermeettisessä säiliössä on operaatiovälineen oikean toiminnan edellytys. Lisäksi varjoaine voi olla epäfy-siologista ja sen joutumista kudokseen tai verenkiertoon on vältettävä. Säiliön rikkoutuminen varjoaineen lämpölaajenemisen seurauksena voidaan estää jättämällä säiliöön pieni kaasu-kupla. Toisin kuin nesteiden, kaasun kokoonpuristaminen vaatii vain vähän energiaa ja kaasukuplan avulla varjoainesäiliöön saadaan aikaan nesteen laajenemisvara, joka estää paineen nousemisen säiliössä vaarallisen korkeaksi. Keksinnönmukaisessa laitteessa varjoainetta sisältävän nestesäiliön sisällä voi olla kaasukupla.

Interventionaalinen toimenpide koostuu kahdesta osasta: instrumentin ohjaamisesta tutkittavaan kohteeseen ja itse toimenpiteen suorittamisesta. Operaatioväline työnnetään yleensä verisuoneen tai pehmytkudokseen kuten lihakseen tai maksaan, mutta instrumentin kärki voi : osua ohjauksen aikana myös luuhun, ja operaatiovälineen on kestettävä myös tällainen rasitus rikkoutumatta. Perinteisen interventionaalisen instrumentin materiaali on kovaa metallia, ♦ esimerkiksi terästä tai titaania, eikä sen kärki ole oleellisesti muuta neulaa heikompi, joten kärjen osuminen luuhun ei yleensä riko välinettä. Kuitenkin, mikäli pienikokoiseen instrumenttiin halutaan sijoittaa siirtolinja ja varjoainenäyte, on instrumentin mekaanista kestävyys- 14 105447 vaatimusta vaikea saavuttaa lisäämättä sen ulkohalkaisijaa. Lisäksi, mikäli instrumentilla on kyettävä ottamaan näyte halutusta kohteesta, on sen oltava rakenteeltaan ontto tai ainakin kärkiosassa oltava kudosnäytteen ottamiseen soveltuva säiliö. Edelleen, instrumentissa käytettävien materiaalien on oltava ei-magneettisia, joista monet ovat pehmeitä tai hauraitapa lisäksi itse varjoaineen läheisyydessä rakenteen määräävinä tekijöinä ovat halutut sähkömagneettiset ominaisuudet eikä niinkään mekaanisen kestävyys. Operaatiovälineen rikkoutumista toimenpiteen aikana ei kuitenkaan voida sallia: mikäli instrumentin hermeettinen rakenne murtuu, kudos voi altistua mikroaaltosäteilylle ja sen lisäksi rikkoutuneesta instrumentista voi jäädä osia kudokseen. Nämä vaatimukset yhdessä asettavat varsin vaikeasti toteutettavat suunnittelukriteerit operaatiovälineen mekaniikalle.

Keksinnönmukaisessa laitteessa siirtolinjaa ympäröi ontto vaippa siten, että varjoainetta sisältävä osa jää vaipan ulkopuolelle. Mikäli tällaista instrumenttia painetaan vasten pehmytkudosta, varjoainetta sisältävä osa pysyy vaipan ulkopuolella ja on havaittavissa magneettikuvassa. Kuitenkin painettaessa operaatiovälinettä vasten kovaa kudosta, esimerkiksi luuta, painuu myös varjoainetta sisältävä osa vaipan sisään. Vaipan rakenne on riittävän luja kestämään tällaisen mekaanisen rasituksen ja siten vaippa tukee ja suojaa mikroaalto-osaa, jonka materiaalit ja rakenne voidaan nyt valita pelkästään sähkömagneettisista lähtökohdista. Sen lisäksi keksinnönmukaisessa laitteessa mikroaalto-osa voidaan haluttaessa vetää vaipasta kokonaan pois. Tämä mahdollistaa esimerkiksi kudosnäytteen saamisen alipaineimulla vaippaan, tai toisen instrumentin työntämisen vaipan sisällä operaatiopaikkaan sen jälkeen, kun vaippa on . ensin ohjattu mikroaalto-osan avulla oikeaan kohteeseen.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Tämän keksinnön mukaisella operaatiovälineellä magneettikuvauksella ohjattu paikannus : voidaan toteuttaa suurella tarkkuudella ympäröivään kudokseen nähden. Välineen rakenne on yksinkertainen ja paikannus voidaan suorittaa pienellä mikroaaltoteholla. Lisäksi potilas ei altistu kudosta lämmittävälle mikroaaltosäteilylle tai joudu kosketuksiin kuumien pintojen kanssa. Mikroaalto-osa ei lisäksi vaadi erillistä virittämistä käytettävälle magneettikentän voimakkuudelle vaan samaa instrumenttia voidaan käyttää kaikissa käytännön magneettiku- i ,5 105447 vauslaitteissa. Aktiivisen osan geometria on myös varsin epäherkkä operaatiovälineen asennolle magneettikentässä ja dynaamista ydinpolarisaatiota tapahtuu kaikissa asennoissa magneettikenttään nähden. Mikroaalto-osan sijoittaminen erillisen vaipan sisään pienentää laitteen vaurioitumisriskiä ja parantaa potilasturvallisuutta. Vaipan käyttäminen näytteen ottamiseen on ratkaisuna optimaalinen: Vaipan paikka tiedetään tarkasti ja sen avulla on mahdollista saada yhtä suuri kudosnäyte kuin ulkohalkaisijaltaan yhtä suurella perinteisellä biopsianeulalla huolimatta siitä, että operaatiovälineessä on perinteiseen biopsianeulaan verrattuna lisäksi monimutkainen mikroaalto-osa. Lisäksi mikroaalto-osan hermeettinen rakenne mahdollistaa useimpien puhdistuksessa käytettävien kemikaalien käytön ja helpon desinfioinnin.

Keksintö ei rajoitu yllä kuvattuihin suoritusmuotoihin, vaan myös muita suoritusmuotoja on ajateltavissa. Luonnollisesti kohdeytimenä voi olla mikä tahansa NMR -kokeisiin soveltuva ydin kuten esimerkiksi vedyn, fosforin, hiilen, fluorin tai typen NMR -aktiivisten isotooppien ytimet. Paitsi lääketieteellisiin sovellutuksiin, voidaan menetelmää käyttää eläinten, elintarvikkeiden tai kiinteiden kappaleiden tutkimiseen.

* » 9 .... -

Claims (8)

16 105447

1. Operaatio väli ne kohteen tutkimiseen, esimerkiksi biopsianeula (BN), katetri tai sädehoitoon tarkoitettu radioaktiivinen kapseli, jossa on aktiivinen osa (ACT), joka on järjestetty havaittavaksi ydinmagneettisella resonanssi (NMR) -menetelmällä kuten magneettikuvauksella siten, . että aktiivinen osa (ACT) sisältää varjoainetta (1), jossa on NMR -aktiivisia ytimiä ja niiden kanssa vuorovaikutuksessa tehosteainetta, joka aiheuttaa NMR -signaalin tehostumisen dynaamisen ydinpolarisaation (DNP) avulla saturoitaessa edellä mainitun tehosteaineen elektro-nispinsysteemiä ulkoisella energialla, n.s. saturaatioenergialla, johon operaatiovälineeseen kuuluu varjoainesäiliö (2) ja siirtolinja (TL) saturaatioenergian siirtämiseen tehosteaineeseen, tunnettu siitä, että varjoaine (I) on ympäröity metallikalvolla (3) ja että siirtolinjan (TL) ja varjoainesäiliön (2) välinen rajapinta (7) on taperoitu.

2. Operaatioväline kohteen tutkimiseen, esimerkiksi biopsianeula (BN), katetri tai sädehoitoon tarkoitettu radioaktiivinen kapseli, jossa on aktiivinen osa (ACT), joka on järjestetty havaittavaksi ydinmagneettisella resonanssi (NMR) -menetelmällä kuten magneettikuvauksella siten, että aktiivinen osa (ACT) sisältää varjoainetta (1), jossa on NMR -aktiivisia ytimiä ja niiden kanssa vuorovaikutuksessa tehosteainetta, joka aiheuttaa NMR -signaalin tehostumisen dynaamisen ydinpolarisaation (DNP) avulla saturoitaessa edellä mainitun tehosteaineen elektro-nispinsysteemiä ulkoisella energialla, n.s. saturaatioenergialla, johon operaatiovälineeseen kuuluu varjoainesäiliö (2) ja siirtolinja (TL) saturaatioenergian siirtämiseen tehosteaineeseen, tunnettu siitä, että varjoaine (1) on ympäröity metallikalvolla (3) ja että siirtolinjassa (TL) on sisäjohdin (4), joka ulottuu varjoainesäiliöön (2) olennaisen matkan säiliön (2) sisätilaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen operaatioväline tunnettu siitä, että vaijoainesäi-liön (2) sisätilaa ympäröi lämpöä eristävä kerros (2).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen operaatioväline, tunnettu siitä, että siirto-linjassa (TL) on ulkojohdin (5) ja sisäjohdin (4). 105447 17

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen operaatioväline, tunnettu siitä, että pitkän ja ohuen operaatiovälineen (BN) halkaisija on alle 4mm, sopivimmin alle 2,5mm.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 5 mukainen operaatioväline, tunnettu siitä, että varjoai-nesäiliön (2) sisätilassa on varjoaineen (1) lisäksi kaasukupla.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 6 mukainen operaatioväline, tunnettu siitä, että saturaa-tiosäteily (ESRE) on järjestetty tapahtumaan myös NMR -signaalin havainnoinnin aikana.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 7 mukainen operaatioväline, tunnettu siitä, että välineeseen kuuluu lisäksi ulkosylinteri (C), joka ympäröi siirtolinjan (TL) ja aktiivisen osan (ACT) muodostamaa operaatiovälinettä (BN) ja on aksiaalisesti siirtyvä aktiivisen osan (ACT) peittämiseksi tai paljastamiseksi käyttötilanteesta riippuen. « 18 Patentkrav 105447