ITRM20130711A1 - Apparato e metodo di imaging simultaneo tramite risonanza di spin elettronico e risonanza di spin nucleare - Google Patents
Apparato e metodo di imaging simultaneo tramite risonanza di spin elettronico e risonanza di spin nucleareInfo
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Description
“Apparato e metodo di imaging simultaneo tramite risonanza di spin elettronico e risonanza di spin nucleare”
DESCRIZIONE
[001] La presente descrizione si riferisce al settore tecnico degli apparati e dei metodi di imaging simultaneo tramite risonanza di spin elettronico e risonanza di spin nucleare ed in particolare riguarda un metodo ed un apparato per l’analisi simultanea di un campione tramite due modalità di imaging a risonanza magnetica, denominate rispettivamente EPR/EPRI (Electron Paramagnetic Resonance ed Electron Paramagnetic Resonance Imaging) ed NMR/MRI (Nuclear Magnetic Resonance ed Magnetic Resonace Imaging).
[002] Lo studio del comportamento e della distribuzione dei marcatori paramagnetici indicati nella letteratura scientifica come “spin probes” o “spin labels” (e d’ora in avanti denominati “spin probe” nella presente descrizione) è stato finora effettuato utilizzando due differenti tecniche denominate rispettivamente “Imaging di Overhauser/PEDRI” (OMRI) ed EPRI.
[003] L’OMRI sfrutta il fenomeno della polarizzazione dinamica nucleare per ottenere un incremento della polarizzazione nucleare. Il campione viene irradiato con un intenso campo a radiofrequenza alla frequenza di Larmor dello stesso nel campo di misura in modo da saturare la popolazione degli spin probes. L’interazione di questi con i nuclei di atomi di idrogeno (protoni) vicini determina una forte variazione della distribuzione statistica degli spin nucleari nei diversi livelli energetici incrementando in tal modo il segnale del protone osservato. Tale incremento dipende da differenti parametri quali la temperatura, la presenza di ossigeno, la concentrazione di marcatori paramagnetici, etc. Per questo motivo la tecnica OMRI è utilizzata per acquisire informazioni fisiologiche e funzionali legata a detti parametri.
[004] L’analisi EPRI diretta degli spin probes può essere effettuata utilizzando tecniche in continua (CW) o pulsate (FT). La maggior parte degli spettrometri impiega attualmente le tecniche in continua, mentre le tecniche pulsate non sono state adottate per studi di imaging in vivo a causa del tempo di decadimento della magnetizzazione degli spin probes comunemente utilizzati che è dell’ordine di qualche microsecondo. Questo tempo è più corto dei tempi di recupero (recovery times) degli spettrometri EPR. Con opportuni accorgimenti è stata resa disponibile strumentazione EPR con tempi di recupero più corti e ciò ha reso fattibile le tecniche di EPRI-FT, ad esempio utilizzando spin probes, quali i radicali di tritile, il cui rilassamento dura più di 2 microsecondi. Le tecniche EPRI in continua presentano il vantaggio di rilevare diverse specie paramagnetiche quali ad esempio i nitrossidi e i radicali di tritile.
[005] L’osservazione simultanea degli spin probes e delle rispettive basi anatomiche fornite dalla distribuzione dei protoni è resa difficile dalla grande differenza di rapporto giromagnetico fa gli elettroni ed i protoni. Infatti, in un campo magnetico di 1 Gauss gli elettroni hanno una frequenza di precessione di 2.8 MHz e i protoni di 4.257 kHz. Alle frequenze impiegate in esperimenti EPRI con piccoli animali da laboratorio (400-600 MHz) il campo magnetico richiesto dalle transizioni degli elettroni è compreso nel range 150-220 Gauss. Con questi valori di campo le transizioni dei protoni hanno una frequenza compresa fra 600 KHz e 900 kHz. In questo range di frequenza la sensitività dell’MRI è molto bassa. In altre parole, a parità di campo, poiché il rapporto fra le frequenze di precessione utili per le osservazioni EPRI ed MRI è circa pari a 658, l’osservazione EPRI con i valori di campo impiegati per le osservazioni MRI negli scanner preclinici animali di ultima generazione (9-15 Tesla) è quasi impossibile. Inoltre, un apparato di imaging simultaneo di tipo EPRI ed MRI di campioni animali della dimensione di un topo deve operare a frequenze compatibili con la penetrazione del campo elettromagnetico in una campione di forma cilindrica con un diametro di circa 5 centimetri. Assumendo che si vogliano impiegare per l’imaging EPRI le stesse frequenze utilizzate negli spettrometri MRI per sperimentazione animale (frequenze comprese fra 400 MHz e 600 MHz) il campo magnetico dovrebbe essere compreso fra 15 mT e 22 mT. In questo caso lo spettrometro avrebbe una frequenza di MRI compresa fra 600 kHz e 900 kHz, cioè molto inferiore rispetto alle frequenze impiegate nelle tecniche MRI.
[006] Uno scopo generale della presente descrizione è quello di mettere a disposizione un apparato che consenta di effettuare simultaneamente una analisi EPRI ed una analisi MRI che non presenti gli inconvenienti sopra citati con riferimento alla tecnica nota.
[007] Questo ed altri scopi vengono conseguiti mediante un apparato come definito nella rivendicazione 1 nella sua forma più generale, e nelle rivendicazioni da questa dipendenti in alcune sue forme di esecuzione particolari.
[008] L’invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di esecuzione, fatta a titolo esemplificativo e pertanto in nessun modo limitativo in relazione agli uniti disegni, in cui:
- la figura 1 mostra una vista schematica di una forma di realizzazione di un apparato di imaging simultaneo tramite risonanza di spin elettronico e risonanza di spin nucleare;
- la figura 2 mostra una vista schematica di una prima bobina dell’apparato di figura 1;
- la figura 3 mostra una vista prospettica con parti staccate di una seconda bobina dell’apparato di figura 1; - la figura 4 mostra una vista schematica di un risonatore dell’apparato di figura 1; e
- la figura 5 mostra l’andamento temporale di un impulso di corrente alimentato alla seconda bobina di figura 3.
[009] Nelle annesse figure elementi uguali o simili saranno indicati mediante gli stessi riferimenti numerici.
[0010] In figura 1 è mostrato schematicamente un apparato di imaging simultaneo 1 di risonanza di spin elettronico (EPRI) e di risonanza di spin nucleare (MRI o NMR).
[0011] L’apparato di imaging 1 simultaneo di risonanza di spin elettronico e di risonanza di spin nucleare, comprendente una prima bobina L1a, L1b ed un primo modulo di alimentazione 10 della prima bobina L1a, L1b atto a pilotare la prima bobina L1a, L1b affinché questa produca un campo magnetico costante di osservazione per la rilevazione degli spin di elettroni e degli spin di nuclei di un campione in osservazione. Il campo magnetico costante di osservazione ha un’intensità relativamente ridotta. In accordo ad una forma di realizzazione il suddetto campo magnetico costante di osservazione ha una intensità dell’ordine di una o di qualche decina di milli Tesla. Preferibilmente detta intensità è pari a, o pari a circa, 25 mT.
[0012] L’apparato di imaging 1 comprende inoltre una seconda bobina L2 ed un secondo modulo di alimentazione 20 della seconda bobina L2 atto a pilotare la seconda bobina L2 affinché questa produca un campo magnetico pulsato atto a polarizzare i nuclei affinché questi si allineino lungo il vettore di induzione magnetica generato dalla bobina L2. Il campo magnetico pulsato ha una intensità relativamente elevata. In accordo ad una forma di realizzazione, il campo magnetico pulsato ha una intensità di picco superiore a 0.3 T. Preferibilmente, detta intensità di picco è pari a, o pari a circa, 0.5 T.
[0013] In accordo ad una forma di realizzazione, il campo magnetico pulsato comprende impulsi aventi una durata compresa fra 100 ms e 300 ms. Preferibilmente, detta durata è pari, o è circa pari, a 200ms. Il campo richiesto per polarizzare gli spin deve essere acceso e spento in un tempo molto breve. Inoltre è conveniente che dopo lo spegnimento la corrente residua sia molto piccola per evitare derive nella misura. Due parametri critici dell’impulso di polarizzazione sono il tempo di discesa (Trd) e la corrente residua nello stato di spegnimento (Ioff). Infatti, un tempo di discesa Trdlungo determina una diminuzione del livello del segnale durante l’acquisizione dati a causa del decadimento della magnetizzazione degli spin. Una corrente residua Ioffnello stato di spegnimento sovrappone al campo stazionario un campo spazialmente non omogeneo e variabile nel tempo che modifica il moto di precessione degli spin introducendo un segnale spurio. Un possibile diagramma temporale tipico della corrente alimentata alla seconda bobina L2 è rappresentato in figura 5, in cui BPè il campo di polarizzazione, trurappresenta il tempo di salita, trdil tempo di discesa, tpla durata dell’impulso fra il fronte di salita e quello di discesa, tRè l’intervallo di tempo tra impulsi successivi, I0la corrente media durante l'impulso e Ifla corrente di picco. Preferibilmente il tempo di discesa trddell’impulso non eccede 1 ms. Preferibilmente, il tempo di salita trudell’impulso non eccede 3 ms. Preferibilmente la corrente residua Ioffnello stato di spegnimento è tale che l’intensità del campo magnetico residuo da essa generato non ecceda 10 ppm se misurato 10 ms dopo la fine del fronte di discesa dell’impulso.
[0014] In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, il campo magnetico costante di osservazione prodotto dalla prima bobina L1a, L1b è perpendicolare al campo magnetico pulsato prodotto dalla seconda bobina L2.
[0015] Con riferimento alle figure 1 e 2, secondo una forma di realizzazione la prima bobina L1a, L1b comprende una coppia di bobine centrali L1a di diametro maggiore ed una coppia di bobine laterali di diametro inferiore L1b fra le quali è assialmente interposta la coppia centrale di bobine L1a, in cui le parole “laterali” e “centrali” sono definite rispetto alla direzione assiale della prima bobina L1a, L1b. In accordo ad una forma di realizzazione conforme con l’esempio rappresentato in figura 1, la coppia di bobine centrali L1a circonda la seconda bobina L2. In accordo ad un forma di realizzazione i raggi e le posizioni delle suddette coppie di bobine L1a, L1b sono progettati in modo tale da annullare i coefficienti di quarto ordine nello sviluppo in serie di potenze del campo magnetico calcolati nel punto centrale dell’asse della bobina L1a, L1b.
[0016] Con riferimento alla figura 3, in accordo ad una forma di realizzazione preferita, la seconda bobina L2 è un solenoide di Bitter comprendente una pluralità di piastre metalliche 30 ed una pluralità di piastre isolanti 31 interposte fra le piastre metalliche 30. Ad esempio le suddette piastre 30, 31 sono piastre circolari.
[0017] Le piastre 30, 31 sono impilate l’una sull’altra e formano nel loro insieme un pacco di piastre tenuto assieme da elementi di fissaggio che le attraversano e le serrano insieme, ad esempio da un sistema di perni 32 e bulloni 33, uno solo dei quali è rappresentato in figura 3. Preferibilmente le piastre 30, 31 sono munite di fori passanti che sono allineati con fori passanti di piastre adiacenti 30, 31 di modo che fori allineati definiscano dei canali all’interno dei quali è possibile far scorrere dell’acqua, ad esempio demineralizzata, per il raffreddamento del solenoide di Bitter, ad esempio per circolazione forzata.
[0018] Nel sopra descritto solenoide di Bitter la densità di corrente si distribuisce in modo inversamente proporzionale al raggio delle piastre circolari 30, 31 e questo consente di avere una maggiore efficienza rispetto ad una distribuzione di corrente uniforme ottenuta tramite altri tipi di bobine. Inoltre, essendo composto da diverse parti uguali fra loro, il solenoide di Bitter presenta un costo relativamente contenuto ed è semplice da realizzare.
[0019] Con riferimento alla figura 1, l’apparato di imaging 1 comprende inoltre un risonatore EPRI 3 ed un risonatore MRI 5.
[0020] In accordo ad una forma di realizzazione il risonatore EPRI 3 è un risonatore bimodale di tipo bird cage, preferibilmente di tipo passa-alto, disposto all’interno della prima L1a, L1b e della seconda L2 bobina. Preferibilmente il risonatore EPRI ha una frequenza pari a, o pari a circa, 400 MHz. Preferibilmente il risonatore EPRI presenta due porte di uscita disposte in posizioni ortogonali fra loro in modo da consentire di rilevare il segnale dei due modi degeneri che possono essere eccitati alla suddetta frequenza.
[0021] In accordo ad una forma di realizzazione, il risonatore MRI 5 è una bobina a sella disposta all’interno di detta prima L1a, L1b e di detta seconda L2 bobina. Preferibilmente, il risonatore MRI 5 è una bobina disposta su un supporto plastico cilindrico 6 ed è ad esempio realizzata con una pluralità di spire di cavo Litz.
[0022] In accordo ad una forma di realizzazione la frequenza di risonanza del risonatore MRI è pari a, o pari a circa, 608 kHz.
[0023] In accordo ad una forma di realizzazione preferita fra i due risonatori è interposto uno schermo a radiofrequenza, non mostrato nelle figure, ad esempio nella forma di una rete posta sulla parete interna del supporto plastico cilindrico 6. Questa forma di realizzazione evita vantaggiosamente la formazione nel risonatore EPRI di correnti parassite in risposta a rapide variazioni di campo. Inoltre, detto schermo è completamente trasparente al campo magnetico a radiofrequenza utilizzato per rilevare le transizione NMR, che ha una frequenza dell’ordine dei 608 kHz.
[0024] In accordo ad una forma di realizzazione, l’apparato di imaging 1 comprende inoltre almeno una bobina di gradiente L3 atta a produrre un gradiente di campo magnetico per consentire all’apparato 1 di acquisire informazioni spaziali. A tale bobina di gradiente L3 possono essere aggiunte una o più bobine (non mostrate nello schema di Fig. 1) che permettono la regolazione dell’omogeneità (shimming) del campo magnetico principale prodotto dalle bobine L1a,L1b e/o dalla bobina L3.
[0025] Si osservi che la descrizione sopra fatta per l’apparato di imaging 1 corrisponde anche alla descrizione di un metodo di imaging simultaneo di risonanza di spin elettronico e di risonanza di spin nucleare, comprendente le fasi di:
- pilotare una prima bobina L1a, L1b affinché questa produca un campo magnetico costante di osservazione per la rilevazione degli spin di elettroni e degli spin di nuclei di un campione in osservazione, il campo magnetico costante di osservazione avendo una intensità relativamente ridotta;
- pilotare una seconda bobina L2 affinché questa produca un campo magnetico pulsato atto a polarizzare i nuclei affinché questi si allineino lungo un vettore di induzione magnetica, detto campo magnetico pulsato avendo un’intensità relativamente elevata.
[0026] In base a quanto sopra descritto è possibile dunque comprendere come un apparato del tipo sopra descritto consenta di conseguire gli scopi sopra citati con riferimento allo stato della tecnica nota.
[0027] Nell’apparato sopra descritto è inoltre possibile prevedere un generatore di sequenze che consente di effettuare una o più delle seguenti acquisizioni in modo sequenziale, secondo tutte le possibili combinazioni ed in qualsiasi ordine:
- Acquisizione di immagini EPRI a 400 MHz tramite tecniche pulsate;
- Acquisizione di immagini EPRI a 400 MHz con tecniche in continua (cw);
- Acquisizione di immagini MRI a 600 kHz tramite tecniche pulsate;
- Acquisizione di immagini MRI a 600 kHz tramite tecniche in continua (cw);
- Acquisizione di immagini MRI a 600 kHz impiegando un campo di pre-polarizzazione di circa 0.5 T;
- Acquisizione simultanea di segnali EPRI ed MRI;
- Acquisizione di immagini MRI dopo una polarizzazione dinamica tramite saturazione degli spin elettronici.
[0028] Fermo restando il principio dell’invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (5)
- RIVENDICAZIONI 1. Apparato di imaging (1) simultaneo di risonanza di spin elettronico e di risonanza di spin nucleare, comprendente: - una prima bobina (L1a, L1b) ed un primo modulo di alimentazione (10) della prima bobina atto a pilotare la prima bobina (L1a, L1b) affinché questa produca un campo magnetico costante di osservazione per la rilevazione degli spin di elettroni e degli spin di nuclei di un campione in osservazione, il campo magnetico costante di osservazione avendo una intensità relativamente ridotta; - una seconda bobina (L2) ed un secondo modulo di alimentazione (20) della seconda bobina (L2) atto a pilotare la seconda bobina (L2) affinché questa produca un campo magnetico pulsato atto a polarizzare i nuclei affinché questi si allineino lungo un vettore di induzione magnetica, detto campo magnetico pulsato avendo una intensità relativamente elevata; caratterizzato dal fatto che la seconda bobina (L2) è un solenoide di Bitter, comprendente una pluralità di piastre metalliche ed una pluralità di piastre isolanti interposte fra le piastre metalliche.
- 2. Apparato di imaging (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto campo magnetico costante di osservazione è perpendicolare a detto campo magnetico pulsato.
- 3. Apparato di imaging (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il campo magnetico pulsato comprende impulsi aventi una durata compresa fra 100 ms e 300 ms.
- 4. Apparato di imaging (1) secondo la rivendicazione 3, in cui detta durata è pari, o è circa pari, a 200 ms. 5. Apparato di imaging (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il campo magnetico pulsato ha una intensità di picco superiore a 0,3 T. 6. Apparato di imaging (1) secondo la rivendicazione 5, in cui detta intensità di picco è pari a, o pari a circa, 0.
- 5 T. 7. Apparato di imaging (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto campo magnetico costante di osservazione ha una intensità dell’ordine di una o di qualche decina di mT. 8. Apparato di imaging secondo la rivendicazione 7, in cui detta intensità è pari a, o pari a circa, 25 mT. 9. Apparato di imaging (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la prima bobina (L1a,L1b) comprende una coppia centrale di bobine (L1a) di diametro maggiore ed una coppia di bobine di diametro inferiore (L1b) fra le quali è assialmente interposta la coppia centrale di bobine (L1a). 10. Apparato di imaging (1) secondo la rivendicazione 9, in cui la coppia centrale di bobine (L1a) circonda detta seconda bobina (L2). 11. Apparato di imaging (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un risonatore EPRI (3) ed un risonatore MRI (5). 12. Apparato di imaging (1) secondo la rivendicazione 11, in cui il risonatore EPRI (3) è un risonatore bimodale di tipo bird cage disposto all’interno di detta prima (L1a, L1b) e di detta seconda (L2) bobina. 13. Apparato di imaging (1) secondo la rivendicazione 12, in cui il risonatore MRI (5) è una bobina a sella disposta all’interno di detta prima (L1a, L1b) e di detta seconda (L2) bobina. 14. Apparato di imaging (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre almeno una bobina di gradiente (L3) atta a produrre un gradiente di campo magnetico per consentire all’apparato di acquisire informazioni spaziali. 15. Metodo di imaging simultaneo di risonanza di spin elettronico e di risonanza di spin nucleare, comprendente le fasi di: - pilotare una prima bobina (L1a, L1b) affinché questa produca un campo magnetico costante di osservazione per la rilevazione degli spin di elettroni e degli spin di nuclei di un campione in osservazione, il campo magnetico costante di osservazione avendo una intensità relativamente ridotta; - pilotare una seconda bobina (L2) affinché questa produca un campo magnetico pulsato atto a polarizzare i nuclei affinché questi si allineino lungo un vettore di magnetizzazione, detto campo magnetico pulsato avendo una intensità relativamente elevata; caratterizzato dal fatto che la seconda bobina (L2) è un solenoide di Bitter, comprendente una pluralità di piastre metalliche ed una pluralità di piastre isolanti interposte fra le piastre metalliche.
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