FI80795B - Foerfarande och anordning foer undersoekning av aemnens egenskaper. - Google Patents

Description

1 80795

Menetelmä ja laitteisto aineen ominaisuuksien tutkimiseen. -Förfarande och anordning för undersökning av ämnens egenskaper

Keksintö kohdistuu kohteen, kuten ihmiskehon, puunrungon, elin-tarvikepakkauksen sisällön tai teollisen prosessin jonkin osan, fysikokemiallisten ominaisuuksien paikallisen jakautuman kartoittamiseen käyttäen hyväksi magneettikuvausta ja dynaamista ydin-polarisaatiota (nk. Overhauserilmiö, DNP).

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydinmag-neettista resonanssi-ilmiötä (NMR) kohteen ydintiheys ja ytimeen liittyvien NMR ominaisuuksien tai niihin vaikuttavien fysikaalisten ja' kemiallisten ominaisuuksien paikallisten jakautumien selvittämiseen. Mainittuja NMR ominaisuuksia ovat mm.: pitkittäinen relaksaatio (karakterisoi pitkittäinen relaksaatioaika Tl), poikittainen relaksaatio (karakterisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika Tlrho), kemiallinen siirtymä, kytkentä-kertoimet ytimien välillä. NMR ominaisuuksiin vaikuttavat fysikaaliset ilmiöt mm.: virtaus, diffuusio, paramagneettiset ainek-set, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila. Magneettiset resonanssin ja magneettikuvauksen menetelmiä ja sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viitteissä: Stark DD and Bradley WG: Magnetic resonance imaging, C. V. Mosby Comp., St. Louis 1988, Gadian DG: Nuclear magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford Univ. Press, London 1982, Shaw D: Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984, Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Biomed. Eng.

: vol. 11, pp. 313 - 356, 1984, Mansfield P and Morris PG: NMR

imaging in biomedicine, Adv. in magnetic resonance, Academic Press, New York 1982, Abragam A: The principles of nuclear magnetism, Clarendon press, Oxford 1961, Lasker SE and Milvy P (eds.): Electron spin resonance and nuclear magnetic resonance in biology and medicine and magnetic resonance in biological systems, Annals of New York Academy of Sciences vol. 222, New 2 80795

York Academy of Sciences, New York 1973, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for T1,T2, Tlrho and chemical shift imaging, Acta polytechnica scandinavica EL-56, Helsinki 1986, Fukushima E and Roeder SB: Experimental pulse NMR, Addison Wesley, London 1981, Anderson WA et al: US Pat 3,475,680, Ernst RR: US Pat 3,501,691, Tomlinson BL et al: US Pat 4,034,191, Ernst RR: US Pat 3,873,909, Ernst RR: US Pat 4,070,611, Bertrand RD et al: US Pat 4,345,207, Young IR: US Pat 4,563,647, Hofer DC et al: US Pat 4,110,681, Savelainen MK: Magnetic resonance imaging at 0.02 T: Design and evaluation of radio frequency coils with wave winding, Acta Polytechnica Scandinavica Ph 158, Helsinki 1988, Sepponen RE: US Pat 4,743,850, Sepponen RE: US Pat 4,654,595, Savelainen MK: US Pat 4,712,068, Sepponen RE: US Pat 4,587,493, Savelainen MK: 4,644,281 ja Kupiainen J: US Pat 4,668,904.

:.. Dynaamista ydinpolarisaatiota on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Lepley AR and Closs GL: Chemically induced magnetic ; polarization, Wiley, New York 1973, Potenza J: Measurement and

Applications of dynamic nuclear polarization, Adv. Mol. Relaxation Processes vol. 4, Elsevier, Amsterdam 1972, pp. 229 - 354, Ettinger KV: US Pat 4,719,425 DNP on magneettinen kaksoisresonanssi menetelmä, joka siten edellyttää kahta erillistä spinpopulaatiota. Tällaisia spinpopu-laatioita ovat esimerkiksi elektronien ja protonien spinit. Kaksoisresonanssimenetelmässä toisen spinpopulaation jakautumaa eri energiatasoille muutetaan ja toista spinpopulaatiota havainnoidaan. Tiettyjen ehtojen täyttyessä tarkkailtavan spinpopu-laation resonanssisignaali kasvaa. Vahvistuneen signaalin amplitudi voi olla useita satoja kertoja suurempi kuin vahvista- V maton signaali.

Vahvistuskerroin voi olla positiivinen tai negatiivinen. Vahvistunut signaali on ominaisuuksiltaan erittäin herkkä spinympäris-tön fysikokemiallisille ominaisuuksille ja reaktioille, joten 3 80795 sen käyttö materiaalin kemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen on ilmeinen.

Viittessä Ettinger KV: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien kartoitus ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitus.

Viitteissä Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton Electron Douple Resonance Imaging: A new method for imaging free radicals, Proc. S.M.R.M. Fifth Annual Meeting, 1987, New York, p. 24 ja Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton-Electron Douple Magnetic Resonance Imaging of free radical solutions, J. Magn. Reson., vol. 76, 1988, pp. 366 - 370 on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidi radikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

Keksinnön kohteena on patenttivaatimusten mukainen menetelmä ja laitteisto DNP:n ja MRI:n soveltamiseksi kohteen tutkimiseen.

Keksintöä on havainnollistettu oheisilla piirroksilla, joista piirros 1 esittää kaavamaisesti tunnetun tekniikan tason mukaista laitteistoa, piirros 2 esittää keksinnön mukaista laitteistoa ja piirros 3 keksinnön mukaisen toiminnan ajoitusta.

Tunnetun tekniikan tason mukaisesti, viitaten kuvaan 1, tutkittava kohde P sijoitetaan mahdollisimman homogeeniseen magneettikenttään B0 (nk. polarisoiva magneettikenttä), laitteistoon kuuluu lisäksi signaalikela C NMR signaalin detektoimiseksi, joka on liitetty NMR spektrometriin L, resonaattori järjestely R, joka säteilyttää kohdetta elektronispin resonanssin (ESR) taajuisella magneettikentällä, järjestelyyn R on liitetty oskillattori ja tehovahvistin-järjestely S, paikkainformaation koodaamiseksi on : laitteistossa gradienttikelajärjestely G joiden vaatimaa virtaa tuottaa spektrometrin ohjaamat gradienttivirtalähteet GC. Spektrometri L sisältää NMR ja MRI toimintojen vaatiman tietokoneen, kuvien näytön sekä tallennusvälineet. Spektrometri L hoitaa myös toimintojen ohjauksen käyttäjän valitsemien toimintavaihto- 4 80795 ehtojen (mm. kuvaussekvenssit, ja -suunnat) edellyttämällä tavalla.

Tunnetussa tekniikassa elektronispinsysteemiä saturoidaan sätei-lyttämällä kohdetta taajuudella, joka vastaa ESR taajuutta kentässä B0 ja detektoimalla NMR signaali taajuudella, joka vastaa kenttävoimakkuutta B0. Täten esimerkiksi em. viitteissä Lurie et ai käytettyä B0:n voimakkuutta 0.04T vastaavat ESR-taajuus 1.12 GHz ja NMR taajuus 1.7 MHz.

Ongelmana tunnetussa tekniikassa on ESR-taajuisen sähkömagneettisen värähtelyn absorboituminen tutkittavaan kohteeseen. Tämä seikka johtaa kahteen merkittävään haittaan: 1. ESR-taajuudella tapahtuva saturaatio tapahtuu vain niissä kohteen osissa, jotka ovat lähellä säteilijää (Esimerkiksi 1.12 GHz:n tunkeutumissyvyys lihaskudokseen on alle 3 cm).

2. Koska ESR viivan leveys on suhteellisen suuri, joudutaan saturaatiossa käyttämään suuria tehoja, jotka kohteeseen absor-boituessaan saattavat johtaa kohteen vahingoittumiseen (lämpeneminen ).

Sähkömagneettisen säteilyn ja biologisen kudoksen vuorovaikutusta on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Michaelson SM: Human exposure to nonionizing radiant energy - Potential hazards and safety standarts, Proc. IEEE, vol. 60, 1972, pp. 389 - 421, Czerski P: Experimental models for the evaluation of microwave biological effects, Proc. IEEE, vol. 63, 1975, pp. 1540 - 1544, Röschmann P: Radiofrequency penetration and absorption in the human body : Limitations to high field whole body nuclear magnetic resonance imaging, Med. Phys. 14(6), pp. 922 - 931, 1987, Tenforde TS and Budinger TF: Biological effects and physical safety aspects of NMR imaging and in vivo spectroscopy, ’ in Thomas SR and Dixon RL (eds.) NMR in medicine: The instrumentation and clinical applications, Medical Physics Monograph No. 14, American Institute of Physics, New York 1986.

Patenttivaatimusten mukaisen keksinnön avulla vältetään tunnetun tekniikan haitat ja siten mahdollistetaan DNP:n soveltaminen mm. kokokehon tutkimuksissa.

5 80795

Keksinnön mukainen menetelmä ja sen vaatima laitteisto, viitaten kuvaan 2, on seuraava:

Kohde P sijoitetaan mahdollisimman homogeeniseen magneettikenttään B0, jonka synnyttää magneetti M, välineet M-| ja ohjattava virtalähde M-|G magneettikentän B00 synnyttämiseksi kohteen yli, laitteistoon kuuluu lisäksi signaalikela C NMR signaalin detek-toimiseksi, joka on liitetty NMR spektrometriin, resonaattori järjestely R, joka säteilyttää kohdetta elektronispin resonanssin (ESR) taajuisella magneettikentällä, järjestelyyn R on liitetty oskillattori ja tehovahvistin-järjestely S, paikkainformaation koodaamiseksi on laitteistossa gradienttikelajärjestely G joiden vaatimaa virtaa tuottaa spektrometrin L ohjaamat gradienttivirta-lähteet GC.

Elektronispinsysteemiä saturoidaan säteilyttämällä kohdetta taajuudella, joka vastaa ESR-taajuutta polarisoivassa kentässä B0 ja havainnoimalla NMR signaali taajuudella, joka vastaa polarisoivan kentän voimakkuutta B0 + B00. Eräs keksinnön mukainen toiminta on esitetty kaavamaisesti kuvassa 3. Kuvassa 3 on akselilla S kuvattu DNP ilmiön aikaansaamiseksi tarvittava saturointi säteilytyksen toimintajakso, akselilla NMR on kuvattu tarvittavien NMR toimintojen ajankohta (NMR toiminnot sisältävät - NMR-signaalin aikaansaamiseen tarvittavat virityspulssit), akselilla M-| G on kuvattu keksinnön mukaiset polarisoivan magneettikentän muutostoimintojen ajankohdat ja akselilla GC kuvantami-seen tarvittavien gradienttitoimintojen ajankohta.

Keksinnön mukaisesti elektronispin saturaatio tapahtuu kentässä B0, joka voi olla esimerkiksi 0.01 T vastaten ESR taajuutta 260 MHz. Tämä suhteellisen matala taajuus ei absorboidu tutkittavaan kohteeseen, kuten esimerkiksi ihmiskehoon haitallisessa määrin 6 80795 ja ydinmagnetisaation tehostuminen tapahtuu. Kokeen signaali/ kohina suhteen parantamiseksi NMR signaali detektoidaan esimerkiksi 0.05 T:n kentässä (B0 =0.01T ja B0o = 0.04T).

Teoreettisesti signaali/kohina suhde on tällöin 5 kertaa parempi kuin tunnetun tekniikan mukaisessa toteutuksessa, jossa NMR detektointi tapahtuisi samassa kentässä kuin ESR saturaatio. Käytännössä kohteen häviöt jonkin verran pienentävät saavutettavaa signaali/kohina suhteen paranemista. Toisaalta esimerkiksi ihmiskehon mitat ovat sellaiset, että optimaalisen NMR signaali-kelan käytännön toteutus vaatii n. 0.05 T:n kenttää vastaavan resonanssitaajuuden (n. 2.2 MHz). On myös tapauksia, joissa DNP:n aiheuttama NMR signaalin tehostuminen pienenee polarisoivan kentän voimakkuuden kasvaessa. Samoin kohteen paramagneettisten ainesosien aiheuttama ESR viivan leviäminen suuremmissa kenttä-voimakkuuksissa heikentää saturaatiota. Suurempi polarisoivan kentän voimakkuus parantaa myös kohteen ytimien kemiallisen siirtymän rekisteröimismahdollisuuksia.

Samanaikaisesti ESR saturaation yhteydessä voidaan kohteeseen suunnata muunkintaajuisia sähkömagneettisia säteilytyksiä ESR viivan kaventamiseksi saturoimalla muiden magneettisen momentin omaavia ytimien spinsysteemejä.

Kohteen tarpeettoman säteilytyksen välttämiseksi voidaan ESR säteilytys lopettaa NMR detektoinnin ajaksi.

Luonnollisesti ESR saturaation aikainen polarisoivan kentän voimakkuus voi olla suurempi kuin NMR detektoinnin aikainen kentän voimakkuus. Tällöin voidaan tutkia spinsysteemien vuoro-, ·; vaikutusten kenttävoimakkuusriippuvuutta.

V Yhteenvetona voidaan todeta: »· » » · · - 1. Keksinnön mukaisessa menetelmässä dynaamisen ydinpolarisaation ja magneettikuvauksen keinoja sovelletaan kohteen tutkimiseen

Claims (7)

7 80795 siten, että dynaamisen ydinpolarisaation vaatima elektronispin-systeemin saturoimisen tapahtuessa kohteen yli olevan polarisoivan magneettikentän voimakkuus on eri kuin NMR signaalin havainnoinnin aikana kohteen yli olevan polarisoivan magneettikentän voimakkuus. Näin voidaan optimoida ESR ja NMR toimintojen aikaiset kenttävoimakkuudet turvallisuus- ja fysikaalisten seikkojen suhteen.

1. Menetelmä dynaamisen ydinpolarisaation ja magneettikuvauksen soveltamiseksi kohteen tutkimiseen, tunnettu siitä, että dynaamisen ydinpolarisaation vaatima elektronispin-systeemin saturoimisen tapahtuessa kohteen yli oleva polarisoivan magneettikentän voimakkuus on eri kuin NMR signaalin havainnoinnin aikana kohteen yli oleva polarisoivan magneettikentän voimakkuus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteessa olevia magneettisen momentin omaavien ytimien spinsysteemejä saturoidaan altistamalla kohde ytimien resonanssitaajuisille sähkömagneettisille säteilyille.

2. ESR viivanleveyden kaventamiseksi on mahdollista kohteessa olevia magneettisen momentin omaavien ytimien spinsysteemejä saturoida altistamalla kohde ytimien resonanssitaajuisille sähkömagneettisille säteilyille.

3. Patenttivaatimusten 1 - 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkömagneettinen säteilytys, joka aiheuttaa : elektronispinsaturaation,lopetetaan NMR signaalin havainnoinnin " ajaksi.

3. Keksinnön mukaisesti voida elektronispin saturaation aiheuttama sähkömagneettinen säteilytys lopettaa NMR signaalin havainnoinnin ajaksi kohteeseen absorboituvan tehon pienentämiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 1 - 2 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että jotkin kohteen spinsysteemejä saturoivat sähkömagneettiset säteilytykset lopetetaan NMR signaalin detektoinnin ajaksi.

4. Tehon absorboitumisen pienentämiseksi voidaan jotkin kohteen ydinspinsysteemejä saturoivat sähkömagneettiset säteilytykset lopettaa NMR signaalin detektoinnin ajaksi. 8 80795

5. Laitteisto, jossa sovelletaan dynaamisen ydinpolarisaation ja magneettikuvauksen menetelmiä kohteen tutkimiseen, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet polarisoivan magneettikentän voimakkuuden muuttamiseen siten, että dynaamisen ydinpolarisaation vaatima elektronispinsysteemin saturaation .- aikana kohteen yli oleva polarisoivan magneettikentän voimakkuus on eri kuin NMR signaalin havainnoinnin aikaan kohteen yli ole-va polarisoivan magneettikentän voimakkuus.

6. Patenttivaatimuksn 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että siihen kuuluvat välineet kohteessa olevien magneet- 9 80795 tisen momentin omaavien ytimien spinsysteemien saturoimiseen ytimien resonanssitaajuisilla sähkömagneettisilla säteilyillä.

7. Patenttivaatimusten 5 tai 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että siihen kuuluvat välineet elektroni- ja ydinspinsysteemejä saturoivia sähkömagneettisia säteilyjä synnyttävien välineiden ohjaamiseen siten, että ainakin jotkin niistä kytketään pois NMR signaalin rekisteröinnin ajaksi. 10 80795 Pja_t ejvt Jc_r·a v