FI80798B - Modellbildobjekt. - Google Patents

Description

I 80798

Mallikuvauskohde. * Modellbildobjekt.

Keksinnön kohteena on mallikuvauskohde magneettikuvauslaitteen laadun ja ominaisuuksien mittaamiseen, esim. valmistus ja huoltotoimenpiteiden yhteydessä.

Magneettikuvauslaitteiden ominaisuuksien tutkimisessa käytetään mallikuvauskohteita, jotka sisältävät eri muotoisia alueita, joissa on NMR-signaalia emittoivaa eli NMR-aktiivisia ytimiä sisältävää ainetta. Mallikuvauskohteista saatavan kuvan avulla voidaan päätellä magneettikuvauslaitteen ja käytettävän kuvausmenetelmän ominaisuuksia: saavutettava resoluutio, viipalepro-fiili, magneettikentän stabiilisuus gradienttien toiminnot yms. Ongelmana nykyisessä teknologiassa on se, että riittävän sig-naali/kohinasuhteen saavuttamiseksi mainittujen alueiden sisältämän aineen tilavuuden on oltava suhteellisen suuri. Optimaalista olisi, että em. tilavuus olisi pienempi kuin lopullisen kuvan vokseli (kohteen osa, joka vastaa kuvan yhtä alkiota eli pikseliä). Tällöin nykyisillä menetelmillä saavutettava signaa-li/kohina-suhde on liian huono. Mallikuvauskohteita magneettikuvaukseen valmistaa mm. Nuclear Associates (div. of Victoreen, Inc.), New York, USA.

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydin-magneettista 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 relak-saatioaika Tl), poikittainen relaksaatio (karakterisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika Tlrho), kemiallinen siirtymä, kytkentäkertoimet ytimien välillä. NMR ominaisuuksiin vaikuttavat ytimen fysiokemiallinen ympäristö: polarisoiva magneettikenttä Bo, virtaus, diffuusio, paramagneettiset ainekset, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila.

2 80798

Magneettisen resonanssin ja magneettikuvauksen menetelmiä ja sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viitteissä:

Poole CP and Farach HA: Theory of magnetic resonance,

John Wiley, New York 1987, Stark DO 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 Uhiv. Press,

London 1982, Shaw D: Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984, Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Bioroed. 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, Fukushima E and Roeder SBW: Experimental Pulse NMR, Addison-Wesley,

Reading, Massachusetts 1981, 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 York Academy of Sciences, New York 1973, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for Tl, 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: US Pat 4,644,281 ja Kupiainen J: US Pat 4,668,904.

3 80798

Dynaamista ydinpolarisaatiota on käsitelty joidenkin edellämainittujen lisäksi 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.

DNP on magneettinen kaksoisresonanssimenetelmä, joka siten edellyttää kahta erillistä spinpopulaatiota. Tällaisia spinpo-pulaatioita ovat esim. elektronien ja protonien spinit. Kak-soisresonanssimenetelmässä toisen spinpopulaation jakautumaa eri energiatasoille muutetaan ja toista spinpopulaatiota havainnoidaan. Tiettyjen ehtojen täyttyessä tarkkailtavan spinpopulaation resonanssisignaali kasvaa (Overhaus-ilmiö). Vahvistuneen signaalin amplitudi voi olla useita satoja kertoja suurempi kuin vahvistamaton signaali. Vahvistuskerroin voi olla positiivinen tai negatiivinen. Vahvistunut signaali on ominaisuuksiltaan erittäin herkkä spinympäristön fysikokemiallisille ominaisuuksille ja reaktioille, joten sen käyttö materiaalin kemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen on ilmeinen.

Viitteessä Maciel GE, Davis MF: NMR imaging of paramagnetic centers in solids via dynamic nuclear polarization, J magn. Reson., vol. 64, pp. 356 - 36G, 1985 on esitetty paramagneet-tisten ainesosien kartoitukseen soveltuva menetelmä yhdistäen DNP ja MRI menetelmät. Viitteessä Ettinger KV: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitukset. 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, Malard JR: Proton-Electron Douple Magnetic Resonance Imaging of free radical solutions, J. Magn. Reson., vol. 76, 1988, pp. 366 - 37Θ on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidi radikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

4 80798

Tunnetun tekniikan mukaisesti elektronispinsysteemiä saturoidaan säteilyttämällä kohdetta taajuudella, joka vastaa elektro-nispinresonanssi- eli ESR-taajuutta kentässä Bo ja detektoimal-la NMR-signaali taajuudella, joka vastaa kenttävoimakkuutta B„. Esimerkiksi B0:n voimakkuutta Θ.Θ4Τ vastaavat ESR-taajuus 1.12 GHz ja NMR-taajuus 1.7 MHz.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 tarkemmin esitetyllä tavalla.

Keksintöä selostetaan tarkemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joista:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista kehikkoa.

Kuvio 2 esittää lähemmin kehikon magneettikuvassa havaittavien referenssialueiden toteutustapaa.

Kuviossa 1 on esim. resoluution tai kuva-alueen homogeenisuuden määrittämiseen soveltuva mallikuvauskohde F sijoitetaan magneetin M ja siihen virtaa syöttävän virtalähteen MC synnyttämään polarisoivaan magneettikenttään B0, jonka vaikutuksesta syntyy F:n magneettikuvauksessa havaittavien alueiden VA sisältämään aineeseen ydinmagnetisaatio ja elektronispinien muodostama mag-netisaatio. F:n ympärillä ovat lisäksi gradienttikelastot GC, joiden synnyttämien gradienttikenttien voimakkuutta NMR spektrometri NMRS ohjaa grdienttivirtalähteiden G välityksellä. NMRS ohjaa myös F:n alueiden VA siältämän NMR-signaalia emittoivan aineen ja relaksanttin elektronispinsysteemin saturoivaa energiaa (saturaatioenergia) synnyttävää radiotaajuuslähetintä ESRE. NMRS sisältää tarvittavat radiotaajuuskomponentit anten-nivälineiden A kautta tapahtuvien NMR-signaalin synnyttämiseksi ja vastaanottamiseksi tarvittaviin toimenpiteisiin, sekä signaalin tallettamiseksi ja prosessoimiseksi. Lopullinen kuvaus-tulos esitetään näytöllä D.

5 80798 NMR koejärjestely käsittää polarisoivan magneettikentän B0:n synnyttämiseen tarvittavan magneetin (resistiivinen-, kesto-, tai suprajohdemagneetti jopa maan magneettikenttä tulee joskus kysymykseen), NMR spektrometrin sekä antennivälineet.

Magneettikuvaus järjestely käsittää edellisten lisäksi gradient-tikelastot (nk. Rotating frame zeugmatografiässä osa gradien-teista synnytetään NMR taajuiseen virityskenttään) ja ohjattavat virtalähteet, välineet kuvan rekonstruointiin ja näyttöön.

Kuviossa 2 on kuvattu yksityiskohtaisemmin alueiden VA toteutustapaa. Kuviossa 2a on pistemäinen referenssialueen muodostama sylinterimäinen tila johon koaksiaalikaapelilla tuodaan saturaatioenergia. Kuviossa 2b on kuvattu kapea ja pitkä alue, jossa kulkee kaksi johdetta, joita pitkin elektronispinsystee-miä saturoiva energia johdetaan.

Keksinnön edut mallikuvauskohteenä käyvät ilmeiseksi kun verrataan esim. vesinäytteestä saatavaa signaalia normaali MRI:n ja DNP:n avulla tehostetun MRI:n avulla saatuun signaaliin. Tehostettu signaali saattaa olla useita satoja kertoja voimakkaampi kuin ilman tehostusta saavutettava signaali. Toisin sanoen, jos tehostuma on 200 kertainen, emittoi 1 mm3 näyte yhtäsuuren signaalin kuin 200 mm3 näyte. Näinollen on mahdollista tehdä mal-likuvauskohteen magneettikuvassa näkyvät alueet pienemmiksi, jopa pienemmäksi kuin vokseli ja siten oleellisesti parantaa saatavaa informaatiota.

Tehosteaineena eli relaksanttina voidaan käyttää esim. typpira-dikaaleja tai paramagneettisia ioneja. Em. viitteiden lisäksi näitä on käsitelty mm. viitteessä: Bates RD: Polarization of Solvent Nuclei by Nitroxide Spin Labels at Low Magnetic Fields, J. Magn. Reson., vol. 48, pp. Ill - 124, 1982.

ESR taajuisen sähkömagneettisen energian synnyttämiseen ja siirtämiseen soveltuvaa tekniikkaa on kuvattu mm. viitteessä: 6 80798

Field et ai: Physics and technology of hyperthermia, Martinus Nijhof Publishers, Dordrecht, Netherlands, 1987.

Keksintö ei rajoitu yllä kuvattuihin suoritusmuotoihin, vaan myös muita suoritusmuotoja on ajateltavissa. Luonnollisesti kohdeytimenä voi olla mikä tahansa NMR kokeisiin soveltuva ydin kuten esim. vedyn, fosforin, hiilen,fluorin ja typen NMR aktiivisten isotooppien ytimet.

Claims (1)

1. 7 80798 Patenttivaatimus Mallikuvauskohde magneettikuvauslaitteen ja kuvausmenetelmien tutkimiseen, kehittämiseen, valmistukseen, laatukontrolliin ja huoltoon, tunnettu siitä, että mallikuvauskohteen jotkin magneettikuvauksessa näkyvät alueet sisältävät ainetta, jossa on NMR-aktiivisia ytimiä, edelleen on em. NMR-aktiivisten ytimien kanssa järjestetty vuorovaikutukseen ainetta, relak-santtia, joka aiheuttaa NMR-signaalin tehostumisen dynaamisen ydinpolarisaation (DNP) avulla saturoitaessa em. ainesten elektronispinsysteemiä ulkoisella energialla. 8 80798 Modellbildobjekt för undersökning, utveckling, tillverkning, kvalitetskontroll och underhall av magnetbildapparater och bildtagningsförfaranden, kännetecknat därav, att nägra av de vid magnetbildtagning synliga omrädena av modell-bildobjektet innehaller en substans med NMR-aktiva kärnor, vidare har en substans, ett relaxant, anordnats för växelver-kan med nämnda NMR-aktiva kärnor, vilken förorsakar effektive-ring av en NMR-signal genom dynamisk kärnpolarisation (DNP), da nämnda substansers elektronspinnsystem mättas med yttre energi.